ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2153285

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАММОГРАФ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАММОГРАФ

Имя изобретателя: Корженевский А.В.; Черепенин В.А.
Имя патентообладателя: Корженевский Александр Владимирович; Черепенин Владимир Алексеевич
Адрес для переписки: 103907, Москва, ул. Моховая 11, Институт радиотехники и электроники РАН, Корженевскому А.В.
Дата начала действия патента: 1998.12.21

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для визуализации и диагностики патологических изменений в тканях груди и других органах, находящихся в непосредственной близости от поверхности тела. Технический результат - обеспечение необходимого качества реконструирования и визуализации трехмерного распределения элетропроводности в биологических тканях за счет повышения надежности и точности измерений, разрешающей способности и быстродействия. Устройство содержит двумерный набор электродов, располагаемых на поверхности тела, источник переменного тока, измеритель разности потенциалов, два мультиплексора, подключающих поочередно электроды к источнику переменного тока и измерителю разности потенциалов, управляющее устройство, подключенное к мультиплексорам, источнику тока и измерителю разности потенциалов, и соединенное с ним линией связи вычислительное устройство, реконструирующее и визуализирующее распределение электропроводности внутри тела по результатам измерений. Устройство снабжено двумя дополнительными электродами, подключенными к источнику тока и измерителю разности потенциалов, которые располагаются на большом расстоянии от двумерного набора электродов, например на конечностях. Вычислительное устройство снабжено программой для реконструирования распределения электропроводности обратным проецированием вдоль эквипотенциальных поверхностей электрического поля разностей потенциалов между соседними электродами двумерного набора.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для визуализации и диагностики патологических изменений в тканях груди и других органах, находящихся в непосредственной близости от поверхности тела.

Известно, что многие опухоли, в частности злокачественные опухоли молочной железы, обладают электропроводностью, существенно отличающейся от электропроводности окружающих здоровых тканей [В. Rigaud, J.P. Morucci and N. Chauveau, "Bioelectrical impedance techniques in medicine. Part I: Bioimpedance measurement. Second section: impedance spectrometry", Crit. Rev. Biomed. Eng. 1996, 24 (4-6), p. 257-351]. Этот факт может быть использован для обнаружения и локализации таких опухолей. Известны устройства для визуализации пространственного распределения электропроводности (импеданса) внутри тела, например электроимпедансный томограф [А.В. Корженевский, В.Н. Корниенко, М. Ю. Культиасов, Ю.С. Культиасов, В.А. Черепенин. Электроимпедансный компьютерный томограф для медицинских приложений // Приборы и техника эксперимента, 1997, N 3, с. 133-140]. В электроимпедансном томографе к парам электродов, расположенных вдоль замкнутого контура на поверхности тела, подключают источник переменного тока, а на остальных парах электродов измеряют разности потенциалов. Результаты измерений, полученные при различных комбинациях подключений электродов, используют для реконструирования с помощью вычислительного устройства распределения электропроводности в плоскости контура электродов. Такой томограф не позволяет реконструировать трехмерные распределения электропроводности, а его разрешающая способность быстро падает от периферии к центру контура электродов и недостаточна для диагностики опухолей груди.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является электроимпедансный маммограф [A. Nowakovsky, J. Wortek and J. Stelter, "A technical university of Gdansk electroimpedance mammograph", Proc. IX Int. Conf. Electrical Bio- impedance, Heidelberg, 1995, p. 434-437; J. Wortek, J. Stelter, A. Nowakovsky, "Impedance mammograph 3D phantom studies", Proc. X Int. Conf. Electrical Bio-Impedance, Barcelona, 1998, p. 521-524] , содержащий двумерный набор электродов, расположенных на внутренней поверхности жесткой полусферы, мультиплексоров, подключающих к различным парам электродов источник переменного тока и измеритель разности потенциалов. Измеренные разности потенциалов передаются в вычислительное устройство, осуществляющее реконструирование и визуализацию трехмерного распределения импеданса внутри полусферы. К настоящему моменту не были опубликованы данные, подтверждающие работоспособность этого устройства при измерениях на человеческом теле. Это обусловлено рядом его недостатков. Расположение электродов на полусферической поверхности ограничивает применимость устройства, поскольку контакт со всеми электродами может быть обеспечен только для груди определенного размера, заданного радиусом полусферы. При этом в устройстве нет элементов, позволяющих оценивать качество каждого контакта, а также корректировать процесс реконструирования изображения в случае наличия электродов с недостаточным контактом, что уменьшает достоверность обследования. Источник тока и измеритель разности потенциалов подключаются к парам электродов, располагающимся на полусфере, что требует наличия четырех мультиплексоров, являющихся при большом числе электродов наиболее сложной и дорогой частью устройства, вносящей наибольшие помехи в результаты измерений из-за межканального проникновения сигналов. В прототипе использовано всего 64 электрода, что явно недостаточно для получения удовлетворительной разрешающей способности, однако дальнейшее увеличение их количества затруднено в значительной степени из-за сложности коммутации при выбранной схеме измерения. Из-за относительно малого расстояния между электродами, измеряемые разности потенциалов, в случае использования тока безопасной величины, оказываются небольшими, что уменьшает отношение сигнал/шум и качество визуализации, а при увеличении количества электродов ситуация еще ухудшится. Используемый способ реконструирования изображений, основанный на методе возмущений, требует для 64 электродной системы порядка 10 минут вычислений на рабочей станции, существенно превосходящей по производительности современные персональные компьютеры. Уже для 180 электродов - количества, минимально необходимого для практического применения устройства, по оценкам авторов прототипа потребуется порядка 10 часов счета [A. Nowakovsky, J. Wortek and J. Stelter, "A technical university of Gdansk electroimpedance mammograph", Proc. IX Int. Conf. Electrical Bio-Impedance, Heidelberg, 1995, p. 434-437], что неприемлемо в клинической практике.

Целью изобретения является осуществление электрической маммографии путем обеспечения необходимого качества реконструирования и визуализации трехмерного распределения электропроводности в биологических тканях, достигаемого повышением надежности и точности измерений, разрешающей способности и быстродействия. Изобретение открывает для клинического использования новый метод диагностики опухолей груди и других приповерхностных областей.

Согласно изобретению устройство для визуализации трехмерного распределения электропроводности биологических тканей и диагностики опухолей груди - электрический маммограф, содержит двумерный набор электродов, располагаемых на поверхности тела, источник переменного тока, измеритель разности потенциалов, выходной мультиплексор, подключающий поочередно электроды к источнику переменного тока, входной мультиплексор, подключающий поочередно электроды к измерителю разности потенциалов и вычислительное устройство, реконструирующее и визуализирующее распределение электропроводности внутри тела по результатам измерений разностей потенциалов. Устройство отличается тем, что к источнику тока и измерителю разности потенциалов подключено по одному дополнительному электроду, которые располагаются на большом расстоянии от двумерного набора электродов, например, на конечностях, при этом источник тока подключается между первым дополнительным электродом и выходным мультиплексором, измеритель разности потенциалов подключается между вторым дополнительным электродом и входным мультиплексором. Схема измерений с дополнительными электродами позволяет уменьшить количество мультиплексоров, поскольку необходимо коммутировать только по одному выводу источника тока и измерителя разности потенциалов, а не по два, как в случае измерений без дополнительных электродов. Это уменьшает помехи, обусловленные межканальным проникновением сигналов в мультиплексорах, а также упрощает и удешевляет устройство. Использование дополнительных электродов увеличивает амплитуду регистрируемых сигналов из-за увеличения расстояния между точками измерения потенциалов и таким образом улучшает соотношение сигнал/шум и точность измерений. Удаленность дополнительных электродов от двумерного набора электродов позволяет предполагать невозмущенное электрическое поле в обследуемой области близким к полю точечного заряда, а эквипотенциальные поверхности сферическими, что упрощает и ускоряет процесс реконструирования электропроводности. Для реконструирования трехмерного распределения электропроводности используется метод обратного проецирования вдоль эквипотенциальных поверхностей электрического поля, причем проецируемые данные получают путем взвешенного усреднения относительной разности между опорной напряженностью электрического поля, соответствующей среде с однородной электропроводностью, и измеренной напряженностью электрического поля вдоль линии пересечения эквипотенциальной поверхности, проходящей через точку, где реконструируется электропроводность, с поверхностью, на которой располагается двумерный набор электродов. Компоненты вектора напряженности электрического поля определяются как разности потенциалов между соседними электродами двумерного набора с последующей двумерной линейной интерполяцией. Метод обратного проецирования является наиболее быстрым среди методов, применяемых в электроимпедансной томографии, однако его использование для трехмерного случая и реконструирование статического распределения электропроводности становится возможным только при надлежащем выборе проецируемых величин и использовании синтезированного опорного набора данных, полученных аппроксимацией реально измеренных потенциалов согласно методике, описанной в [А.В. Корженевский, В.Н. Корниенко, М.Ю. Культиасов, Ю.С. Культиасов, В.А. Черепенин. Электроимпедансный компьютерный томограф для медицинских приложений // Приборы и техника эксперимента, 1997, N 3, с. 133-140]. Поскольку для трехмерного случая проецируемые данные берутся на линии пересечения эквипотенциальной поверхности с поверхностью, на которой расположены электроды, напряженность электрического поля должна быть усреднена вдоль этой линии. Простое усреднение не дает удовлетворительного результата, поскольку наиболее информативной является та часть линии, точки которой ближе всего расположены к точке, где производится реконструирование электропроводности. Чтобы учесть этот факт, необходимо производить взвешенное усреднение с весовой функцией, убывающей с ростом расстояния от текущей точки на линии усреднения до точки, где реконструируется электропроводность. Численное моделирование и экспериментальное исследование показали, что близким к оптимальному является выбор весовой функции вида 1/R4, где R - расстояние от точки, где реконструируется электропроводность, до текущей точки на линии, вдоль которой производится усреднение. Для многих случаев, когда трудно обеспечить достаточный электрический контакт с телом пациента одновременно всех электродов, источник тока может быть снабжен пороговым детектором выходного напряжения, позволяющим определить, имеет ли подключенный в данный момент к источнику тока электрод достаточный контакт с телом. Вычислительное устройство в этом случае использует для реконструирования изображений только данные, измеренные на электродах, имеющих достаточный контакт с телом. Для обеспечения возможности обследований молочной железы при больших вариациях ее размера, двумерный набор электродов располагается на жесткой диэлектрической плоскости, а каждый электрод представляет собой электропроводящий выступ. При обследовании плоскость с электродами прижимают к железе, сплющивая ее по направлению к грудной клетке. Это увеличивает количество электродов, находящихся в контакте с телом, и уменьшает толщину слоя тканей, подлежащего визуализации. Наличие выступающих из плоскости электродов увеличивает давление каждого электрода на кожу и тем самым улучшает его электрический контакт с телом. В зависимости от размера обследуемого объекта, та или иная часть электродов на периферии плоскости не имеет контакта с телом. Такие электроды определяются с помощью упомянутого выше порогового детектора выходного напряжения. При наличии электродов, имеющих недостаточный контакт с телом, в процессе реконструирования электропроводности вместо потенциалов, измеренных на таких электродах, используются значения, вычисленные в предположении об однородном распределении электропроводности в теле. Между электродами кроме полезной разности потенциалов, обусловленной протеканием тока, присутствует также гальваническая разность потенциалов. Работа измерителя разности потенциалов, чувствительного только к переменной составляющей, не нарушается присутствием постоянной гальванической разности потенциалов, однако, из-за различия гальванических потенциалов разных электродов, входное напряжение измерителя изменяется скачком при переключении входного мультиплексора. Переходной процесс при таких скачках влияет на результаты измерений, и это влияние тем больше, чем меньше интервал времени между переключением и началом измерения разности потенциалов. Поэтому для уменьшения погрешности при сохранении общей длительности измерений необходимо, чтобы входной мультиплексор переключал измеритель разности потенциалов на очередной электрод только после того, как выходной мультиплексор выполнит полный цикл подключений источника тока ко всем остальным электродам.

блок-схема электрического маммографа

На фиг. 1 изображена блок-схема электрического маммографа. На фиг. 2 показана блок-схема алгоритма реконструирования и визуализации трехмерного распределения электропроводности. На фиг. 3 изображено расположение элементов устройства при проведении маммографического обследования. На фиг. 4 приведена фотография электрического маммографа (без вычислительного устройства). На фиг. 5 демонстрируется реконструированное распределение электропроводности, полученное по результатам измерений на груди пациента, - электрическая маммограмма.

Для подтверждения возможности осуществления изобретения изготовлен лабораторный образец электрического маммографа, блок-схема которого приведена на фиг. 1. Маммограф состоит из двумерного набора электродов 1, состоящего из 256 цилиндрических электродов, расположенных на плоскости. Электроды подключены к выходному 2 и входному 3 мультиплексорам. Выход выходного мультиплексора подключен к одному из выводов источника переменного тока 4, второй вывод которого подключен к дополнительному электроду 5. Выход входного мультиплексора подключен к измерителю разности потенциалов 6, второй вход которого подключен к дополнительному электроду 7. К выходу источника переменного тока 4 подключен пороговый детектор выходного напряжения 8. Адресные входы мультиплексоров 2 и 3, входы управления источником тока 4 и измерителем разности потенциалов б, выход порогового детектора выходного напряжения 8, а также цифровой выход измерителя разности потенциалов 6 подключены к микропроцессорному управляющему устройству 9, которое соединяется с помощью линии связи 10 с персональным компьютером 11.

При подготовке к измерениям предварительно увлажненные дополнительные электроды 5 и 7 располагают на конечностях пациента, двумерный набор электродов 1 прижимают к обследуемой молочной железе так, чтобы плоскость с электродами была параллельна поверхности ребер, см. фиг. 3. По команде с персонального компьютера 11 микропроцессорное управляющее устройство 9 подключает с помощью мультиплексора 2 источник тока 4 к одному из электродов набора 1. Переменный ток с амплитудой порядка 1 мА и частотой 10 кГц протекает по цепи: источник тока 4, мультиплексор 2, электрод из набора 1, тело пациента, дополнительный электрод 5. С помощью мультиплексора 3 микропроцессорное управляющее устройство 9 подключает один из свободных электродов набора 1 ко входу измерителя разности потенциалов 6, который измеряет амплитуду переменного напряжения между электродом из набора 1 и дополнительным электродом 7 и передает ее в цифровом коде микропроцессорному управляющему устройству 9. Это устройство в свою очередь передает результат измерения по линии связи 10 в персональный компьютер 11. Измерения производятся для всех комбинаций подключения электродов из набора 1 к источнику переменного тока 4 и измерителю разности потенциалов 6 с помощью мультиплексоров 2 и 3. Если в процессе измерений электрод, подключенный к источнику переменного тока, имеет недостаточный контакт с телом, выходное напряжение повышается и срабатывает пороговый детектор выходного напряжения 8. Сигнал детектора фиксируется микропроцессорным управляющим устройством 9 и информация о нем передается в персональный компьютер 11, позволяя при реконструировании распределения проводимости исключить данные, измеренные с использованием этого электрода. Измеренные данные передаются в вычислительное устройство, снабженное программой для реконструирования трехмерного распределения электропроводности обратным проецированием вдоль эквипотенциальных поверхностей электрического поля разностей потенциалов между соседними электродами из двумерного набора электродов. Программа хранится на жестком диске персонального компьютера и загружается в его оперативную память при выполнении измерений. Блок-схема программы показана на фиг. 2. В блоке 12 измеренные потенциалы электродов двумерного набора 1, полученные по линии связи 10, используются для синтеза опорного набора потенциалов, соответствующих телу с однородной электропроводностью, согласно методу, изложенному в [А.В. Корженевский, В.Н. Корниенко, М. Ю. Культиасов, Ю.С. Культиасов, В.А. Черепенин. Электроимпедансный компьютерный томограф для медицинских приложений // Приборы и техника эксперимента, 1997, N 3, с. 133-140]. В экспериментально реализованном устройстве используется формула:

uir(j) = cio+ci1fi1(j)+ci2f2(j)+ci3f3(j) (1),где i - номер электрода из двумерного набора, к которому подключен источник тока, j - номер электрода, к которому подключен измеритель разности потенциалов, uir(j) - синтезируемый опорный набор потенциалов, fi1(j) - заданное распределение потенциалов на границе эталонного объекта - однородной полубесконечной среды, f2(j) и f3(j) - распределение потенциалов для двух однородных взаимоортогональных электрических полей, вектора напряженности которых лежат в плоскости двумерного набора электродов, cia(a = 0,1,2,3) - коэффициенты аппроксимации измеренного распределения разностей потенциалов uim(j) с помощью формулы (1) методом наименьших квадратов. Для аппроксимации методом наименьших квадратов используются только потенциалы, измеренные на хороших контактах. Затем в блоках 13 и 14, путем вычитания значений потенциалов на соседних электродах для каждого варианта подключения источника тока, вычисляются компоненты вектора напряженности электрического поля для опорного и измеренного набора данных. В последнем случае для электродов с недостаточным контактом в качестве их потенциалов используются соответствующие потенциалы из опорного набора данных. Затем в блоке 15 вычисляется расстояние между электродом, к которому подключен источник тока для текущего набора измеренных потенциалов, и точкой, в которой реконструируется электропроводность. Это расстояние определяет радиус окружности, являющейся линией пересечения эквипотенциальной поверхности с плоскостью, на которой располагаются электроды и вдоль которой необходимо производить взвешенное усреднение. Напряженности электрического поля для измеренного и опорного набора данных вычисляются после линейной интерполяции соответствующих компонент векторов, вычисленных в блоках 13 и 14. Относительная разность напряженностей полей для опорного и измеренного набора данных умножается на весовую функцию 1/R4, где R - расстояние от точки, где реконструируется электропроводность, до текущей точки на линии, вдоль которой производится усреднение, и затем численно интегрируются вдоль окружности в блоке 16. Эти действия повторяются для всех точек, где реконструируется электропроводность и для всех вариантов подключения источника переменного тока к электродам.

блок-схема алгоритма реконструирования и визуализации трехмерного распределения электропроводности
расположение элементов устройства при проведении маммографического обследования
фотография электрического маммографа (без вычислительного устройства)
демонстрируется реконструированное распределение электропроводности, полученное по результатам измерений на груди пациента, - электрическая маммограмма.

Процесс повторения с последовательным перебором точек и вариантов подключения источника тока контролируется блоком 17. Результат вычислений, после добавления к полученным величинам единицы, представляет собой трехмерное распределение электропроводности, нормированной на среднее значение, и может быть визуализирован на экране монитора или напечатан печатающим устройством, а также сохранен в архиве в виде файла. Программно-аппаратные средства, выполняющие эти функции, обозначены на схеме блоком 18. В экспериментально реализованном устройстве функции блоков 12-18 реализованы на персональном компьютере с подключенным к нему лазерным принтером. На фиг. 3 изображено расположение элементов устройства при проведении маммографического обследования. На фиг. 4 показан внешний вид электрического маммографа (без вычислительного устройства). На фиг. 5 приведена электрическая маммограмма, полученная с помощью описываемого устройства. Маммограмма представляет собой набор из 7 изображений поперечных сечений груди, параллельных плоскости, на которой расположены электроды. Глубина сечений на фиг. 5 возрастает слева направо и сверху вниз с шагом 8 мм. На изображении отчетливо видны сосок 19 и ребра 20, а также граница 21 между областями электродов, имеющих достаточный (внутренняя область) и недостаточный (внешняя область) контакт с телом.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Электрический маммограф, содержащий двумерный набор электродов, располагаемых на поверхности тела, источник переменного тока, измеритель разности потенциалов, выходной мультиплексор, выходы которого подключены к электродам, а вход - к источнику переменного тока, входной мультиплексор, входы которого подключены к электродам, а выход - к измерителю разности потенциалов, управляющее устройство, подключенное к адресным входам выходного и входного мультиплексоров, входу управления источником переменного тока, а также к цифровому выходу измерителя разности потенциалов, и вычислительное устройство, соединенное линией связи с управляющим устройством, отличающийся тем, что к источнику переменного тока и измерителю разности потенциалов подключено по одному дополнительному электроду, которые расположены на большом расстоянии от двумерного набора электродов, например на конечностях.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что к выходу источника переменного тока подключен пороговый детектор выходного напряжения, выход которого подключен к управляющему устройству.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что двумерный набор электродов расположен на жесткой диэлектрической плоскости, а каждый электрод представляет собой электропроводящий выступ.

Версия для печати


вверх