Прямая задача электроимпедансной томографии

 
 

         Реферат

                   На тему:

«Прямая задача электроимпедансной            томографии» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание

Введение...............................................................................................................

Понятие и область  применения электроимпедансной томографии  (ЭИТ)..

Прямая  задача электроимпедансной визуализации.......................................

Аппаратура  для импедансной томографии.....................................................

Технические параметры источника тока.....................................................................

Схемы источника зондирующего тока.............................................................

Заключение..........................................................................................................

Литература........................................................................................................... 
 

Введение

   Медицина  широко использует различные методы лечения, диагностики и профилактики заболеваний, требующие применения специальной электромедицинской аппаратуры. Для своевременной и точной диагностики заболеваний врачу необходима информация о состоянии внутренних систем организма. Появление возможности компьютерной обработки данных вызвало качественный скачек в области исследования морфологической структуры и функций органов человека in vivo. Все большую роль в получении такой информации занимают методы, связанные с реконструкцией изображения внутренней структуры биологических объектов [1]. В настоящее время средства визуализации медицинских изображений — одно из важнейших направлений развития информационного и технического обеспечения медико-биологических исследований [2].

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Понятие и область применения электроимпедансной томографии  (ЭИТ).

     ЭИТ - методика, позволяющая визуализировать  пространственное распределение электрического импеданса (или проводимости) внутри объекта, в частности, внутри тела человека, по результатам неинвазивных электрических измерений. Для реконструкции изображения используются значения электрического потенциала, измеренные на поверхности объекта, при пропускании через него тока.

     Одна  из наиболее существенных проблем на текущем этапе становления электроимпедансной визуализации – определить возможные области применения и ограничения, оценить информативность и метрологические характеристики метода [3].

   Выделим факторы, отличающие метод визуализации распределения импеданса от других методов визуализации:

• Отсутствие повреждающего воздействия на организм;
• Отсутствие ограничений на продолжительность и частоту проведения обследований;
• Возможность создания портативной и мобильной аппаратуры;
• Небольшая стоимость томографа, простота эксплуатации;
• Невысокая разрешающая способность.
• Высокая чувствительность к изменению кровенаполнения тканей по сравнению с другими методами визуализации.

Области применения:

• Экспресс–оценка, длительный мониторинг функционального состояния головного мозга;
• Амбулаторные исследования в условиях поликлиники, семейными врачами, в отдаленных населенных пунктах.
• Исследование динамических процессов сердечной деятельности, дыхания, пищеварения;
• Наблюдение развития онкологических образований;
• Обнаружение областей усиленного кровотока и гипертермии.

     Прямая  задача электроимпедансной визуализации

     Прямая  задача электроимпедансной визуализации формулируется как нахождение распределения потенциала электрического поля при заданной конфигурации токов, протекающих через поверхность в точках контакта электродов, и заданном распределении проводимости внутри биологического объекта.

     Для решения прямой задачи применяются  как аналитические, так и численные  методы. Аналитическое решение возможно лишь в наиболее простых случаях  – при однородном распределении проводимости внутри области и несложной форме ее границы. Чем сильнее исследуемый объект отличается от идеального случая, тем выше погрешность аналитического решения.

     В электроимпедансной визуализации существенно более широкое применение нашли численные методы решения прямой задачи – метод конечных разностей, метод конечных элементов и сравнительно редко – метод граничных элементов. Основное различие между ними заключается в способе разбиения области на небольшие элементы, в пределах которых проводимость остается постоянной.

     Аппаратура  для импедансной томографии

     Для получения информации о распределении  проводимости проводятся измерения напряжения, возникающего в результате прохождения электрического тока, либо измеряется сила тока, возникающая под действием приложенного напряжения.

     Необходимым условием реконструкции импедансного изображения является получение большого количества независимых измерений. Для этого на биообъект накладывается определенное количество электродов - от 16 до 64 и более (рисунок 1). Один электрод подсоединяется к общему проводу для обеспечения однозначности распределения потенциалов от проходящего тока. Потенциал общего провода должен с высокой степенью точности поддерживаться на известном, чаще всего нулевом уровне.

    

Рисунок  1. Схема измерений в ЭИТ

     На  одну пару электродов подается зондирующий  ток, имеющий, как правило, синусоидальную форму и частоту 10-1000 кГц, амплитудное значение ограничено 1-5 мА. При прохождении тока через биообъект часть его энергии рассеивается и в результате создается разность потенциалов между различными точками исследуемой области. Дифференциальное напряжение между парой электродов подается на инструментальный усилитель А1, который устраняет синфазные помехи и обеспечивает согласование выходного импеданса биообъекта с измерительным трактом. После усилителя сигнал поступает на демодулятор и дальше на АЦП. В результате получается одно измерение. Затем вход А1 подключается к другой паре электродов и измерение повторяется. Далее источник тока подсоединяется к другой паре электродов, и так пока не будут перебраны все возможные комбинации токовых электродов. [7]

     Можно выделить три варианта архитектуры  измерительного тракта по отношению  к последовательности проведения измерений. Условно их можно называть последовательная, параллельная и смешанная.

     Последовательная архитектура электроимпедансного томографа

  Достоинство последовательной архитектуры состоит в том, что зондирующий ток всегда подается от одного источника, а сигнал проходит через один усилительно-преобразовательный тракт. В результате, если дрейф параметров за период получения всех проекций мал, то и погрешность измерения получается малой без дополнительной калибровки и подстройки отдельных каналов. Кроме того, такая схема получается недорогой из-за того, что используется единственный тракт.

  

Рисунок 2. Импедансный томограф с последовательной архитектурой

     Недостатки  последовательной архитектуры проявляются  в том случае, когда нужно проводить  измерения в реальном времени  - 25-30 полных наборов проекций в секунду. Уменьшение времени на одно измерение  приводит к увеличению погрешности, возрастает влияние коммутационных помех, требуется высококачественный и дорогостоящий узел мультиплексора с малым временем переключения и низким уровнем сквозного прохождения сигнала.

     Таким образом, последовательная архитектура  импедансного томографа в принципе может обеспечить необходимые метрологические характеристики для реконструкции изображения в том случае, когда допустимо большое время измерения.

       Параллельная архитектура электроимпедансного томографа

     В этом случае в каждом канале используется свой источник зондирующего тока и  измеритель напряжения. (рисунок 3) 

Рисунок 3. Параллельная архитектура импедансного томографа

     Измерения проводятся так же, но падения напряжений на всех парах потенциальных электродов измеряется одновременно.  В результате время получения одной проекции по сравнению с последовательной схемой сокращается в N раз (N-количество каналов, которое в данном случае равно количеству электродов). Таким образом, решается ряд проблем. Прежде всего, это связано с измерением напряжения. Так как нет необходимости коммутировать сигнал на частоте зондирующего тока, то и не нужны специальные схемы ключей. Частота сигнала, проходящего через мультиплексор, определяется  частотой коммутации источников тока и обычно не превышает единиц килогерц, поэтому устраняются проблемы емкости монтажа и утечек по печатной плате. Единственный узел, существенно искажающий качественные характеристики измерителя напряжения в параллельной архитектуре, - демодулятор, который используется в каждом канале.

     Еще одно преимущество параллельной архитектуры  заключается в том, что источники  тока изолированы друг от друга, т. е. Исключается их взаимовлияние.

     Недостатки  параллельной архитектуры проявляются  в нестабильности параметров отдельных  каналов при изменении температуры, напряжения питания, влажности и  других условий окружающей среды. Поэтому  на практике приходиться применять  периодическую калибровку всего  измерительно-преобразовательного  тракта. Для этого в томограф встраивают эталонные сопротивления и добавляются  схемы измерения выходного сопротивления  источников тока, коэффициента усиления и точные источники опорного напряжения для АЦП. В результате стоимость  такого устройства резко возрастает, а калибровка должна проводиться  перед каждым использованием.

     Таким образом, при близких качественных характеристиках томограф с последовательной архитектурой будет стоить в разы дешевле по сравнению с параллельной реализацией. Но в том случае, когда  необходимо отображать распределение  сопротивления в исследуемом  биообъекте в реальном времени или  требуются экстремальные метрологические  характеристики, параллельная архитектура  оказывается предпочтительнее.

     Смешанная архитектура

     Существует  множество модификаций, которые  можно условно назвать «смешанной»  архитектурой. Для того чтобы снизить  стоимость параллельной архитектуры, но при этом сохранить достаточно высокую скорость сбора данных, можно уменьшить количество каналов, и каждый канал будет работать с несколькими электродами.

     Вообще  говоря, существует большое количество промежуточных вариантов построения измерительного тракта импедансного томографа, и выбор той или иной схемы очень сильно зависит от имеющейся элементной базы, требуемых метрологических характеристик, скорости проведения измерений, количества электродов, ограничений по себестоимости.[4]

     Технические параметры источника  тока

     Для обеспечения требуемых метрологических  характеристик системы получения  электроимпедансных изображений распределения проводимости, требуется измерение электрического импеданса с минимальной погрешностью.

     Точность  измерения электрического импеданса  зависит от погрешностей источника  тока и погрешностей демодуляторов.

     Можно выделить два направления факторов связанных с особенностью измерения  электрического импеданса биологических  объектов, которые необходимо учитывать  при проектировании источника зондирующего тока:

– ограничения, связанные с безопасностью проведения измерений и особенностью физиологических  реакций организма.

     Биологические объекты очень чувствительны  к постоянному и низкочастотному  току. Применение постоянного тока и тока низкой частоты (до сотен герц) приводит к тому, что в месте  контакта электрода с кожей начинаются электрохимические реакции и  проводить измерения становится невозможным. При этом безопасная сила тока уменьшается с уменьшением  частоты. Постоянный ток в 100 мкА может вызывать серьезные повреждения, в то время как переменный ток частотой 10 – 100 кГц и силой до 5 мА не вызывает никаких биологических эффектов.