專利名稱：用于電阻抗斷層成像的方法
技術領域：
本發明涉及用于電阻抗斷層成像(Elektroimpedanztomographie)的一種方法。
背景技術：
電阻抗斷層成像(EIT)在醫學應用中正日益廣泛。典型的EIT設備采用了 8、16或32個電極以進行數據獲取，其中通過兩個電極來提供電流，并在其他的電極之間測量所產生的電壓。通過組合不同的供電和測量，成功地生成一個信號向量，借助一種合適的算法從該信號向量中可以確定阻抗分布，或者在函數EIT (fEIT)情況下可以確定該阻抗分布相對 于電極平面中參照值的相對變化。后者被用在與狀態有關的胸部函數電抗，其中N個電極成環形圍繞胸部設置，以由不同肺狀態、比如吸氣結束和呼氣結束時信號向量的比較來重建通氣所決定的相對阻抗變化的截面圖，其中該阻抗變化是肺通氣的局部分布的尺度。胸部fEIT良好地適于尤其在醫院中重癥監護病房中通氣的局部分辨的肺監控。用于電阻抗斷層成像的一種裝置比如在US 5 919 142 A中被公開。一種經常使用的數據采集策略是所謂的相鄰數據采集，其中通過兩個相鄰的電極來提供電流，并在剩余的電極之間相鄰地測量電壓，其中通電的電極由于在通電的電極上的未知電壓降而被略過。對于一個供電位置從而得到十三個電壓值。對于通過下一電極對所進行的供電，則重新得到了十三個電壓，如此使得總共存在16*13=208個電壓測量值，由這些電壓測量值利用適合該數據采集方式的一種重建規則可以確定阻抗分布，或者在采用208個參照電壓時阻抗分布的相對變化。一個這樣的數據組至少一次地而不重復地包含有所有獨立的測量，并被用于重建EIT圖像，該數據組被稱作“幀”。一個子區域的數據組是一個“子幀”。還有通過多個電極進行供電和/或電壓測量的其他許多數據采集模式，其由于互換性而是等效的。相鄰數據采集模式的優點是完全的數據空間，因為其不再是獨立的測量值。所有其他的數據采集模式由于所謂的紐曼-狄利克雷(Neuman-Dirichlet)成像的
線性鳥⑴而能夠由相鄰數據采集模式的數據空間來簡單地進行構建，它可以容易地在
EIT硬件上被成像，并擁有高的靈敏度用于確定相對的阻抗變化。存在不同的重建方法，以由所測量的電壓來推斷在電極所包圍的區域內部中的阻抗分布。比如用于重建方法的是背投影方法、基于卡爾曼濾波器的技術或基于靈敏度的、以有限元模型為基礎的牛頓拉夫森方法。后者由于靈活性較大而目前經常被采用。所有當前的EIT系統在數據采集和重建中都具有一個共同點。其僅僅基于全部電極組的數據分析而工作。然而在臨床實踐中經常可能出現以下的情況，即比如由于繃帶或引流而不能實現一個電極或多個電極與皮膚的電接觸，尤其在采用易于手持的電極帶時，在此不能任意地改變電極位置。這種無接觸的電極在下文中被稱作故障電極。在這種情況下當前的EIT系統失效。在最差情況下該系統進入未定義的狀態，在最佳情況下進入所定義的狀態，并且如果一個或多個所述故障電極再次接觸，那么才能獲得可進一步利用的數據。當前的EIT系統在任何情況下都不提供在去關聯情況下可分析的數據，因為數據采集和重建都沒有針對電極的失效來設計。
發明內容
本發明所基于的任務是說明用于電阻抗斷層成像的一種方法，以在存在至少一個故障電極時能夠進行分析和重建。該任務通過權利要求I的特征而得到解決。根據本發明的方法包含有以下的步驟，
借助阻抗測量把不具有身體接觸的至少一個電極識別為故障電極，
如此來進行供電，使得至少該故障電極(A)被跳過(uebersprungen),以及以如下方式來確定在故障電極(A)區域中越過該故障電極(A)的電勢即該故障電極(A)至少一次地被跳過。
該裝置的控制或重建軟件如此來設計，以盡管至少一個電極故障或不可用而仍然通過跳過該故障電極或多個故障電極而獲得測量數據。借助與該運行狀態相匹配的數據分析，來確定阻抗分布或相對阻抗分布，其與在全功能下所獲得的結果“基本沒有”差別。“基本沒有”比如意味的是，在全功能和有限功能之間(f)EIT圖像值的像素差不再差別大于一個預給定的值或像素預給定值，使得還能夠進行醫學解析。該EIT系統在此能夠在錯誤不能消除的情況下自動地識別故障電極，提供消息給使用者，并與數據獲取模式(DAQ模式)和重建相匹配。用于電阻抗斷層成像的該裝置如此來實施，使得在用于供電以及必要時電壓測量的一個電極或多個電極故障時該EIT系統采用一個定義的狀態，并且優選地通過電極-皮膚接觸過渡阻抗測量來連續地監控各個電極的功能。如果比如電極-皮膚接觸過渡阻抗高于某個閾值Zrat，那么該電極就被視為無功能的，并且如果其低于某個閾值Zin，那么其就重新被視為有功能的，其中Zin彡Zrat (遲滯開關)。該索引“in”表示在一個允許的阻抗范圍之內，“out”表示在允許的阻抗范圍之外。在一個或多個電極被確定無功能時，該EIT系統的硬件如此來構造，使得通過控制如下地改變數據采集，即供電以及必要時的電壓測量至少跳過該故障電極，使得該故障電極不再參與供電以及必要時的電壓測量，但通過跳過供電和必要時的電壓測量從所述故障電極的敏感區域中重新可得到電信息。在一個或多個電極被確定無功能時，該EIT系統的軟件如此來構造，使得該重建規則與變化的數據采集相匹配，從而由此重建的阻抗或阻抗變化或相對阻抗變化除了分辨所決定的微小差別之外與標準重建沒有差別，并保持獲得該EIT圖像的基本信息。在一個或多個故障電極被確定重新有功能時，該EIT系統的硬件如此來構造，使得有關的電極再次通過控制而被集成到按照所采用的標準DAQ模式通過供電和電壓測量而進行的正常數據采集中。在一個或多個故障電極被確定重新有功能時，該EIT系統的軟件如此來構造，使得與具有再次集成的電極的標準DAQ模式相對應的重建規則被用于確定阻抗或阻抗變化或相對阻抗變化。本發明方法的優點是，可利用這種EIT系統使用的EIT測量本身在故障電極情況下可以以最小的信息損失而被實施。EIT系統或EIT裝置在沒有這種方法的情況下或者完全不能測量、或者在能測量的情況下隨著測量的損失而帶來區域相關的靈敏度損失，使得圖像的重建視所基于的基礎-DAQ模式而定地包含有模糊區域直至盲區域。對于相鄰DAQ模式，由于大的敏感性和最大的數據空間，干擾是最大的，在其間具有電極(在下文中稱作支撐(Spreizung))的DAQ模式中，干擾取決于支撐而應該更小，因為已經在標準中設置有跳過。干擾為此可能由于典型較差的基本敏感性和分辨而隨著支撐的變大而更廣泛。但這種DAQ模式視支撐而定地也得益于跳過原則，因為通過跳過，一旦到達故障電極，不是增加了測量的損失，而是恢復了信息。在根據本發明的EIT裝置中，通過跳過供電/電壓測量，數據空間被盡可能大地充分利用，并通過相應匹配的重建，使EIT圖像中的信息 損失最小化，使得該EIT圖像繼續保持可解析。就內容來說，該N電極EIT系統轉變為一個N-D電極EIT系統，其中N是所采用的電極的總數，D是故障電極的數量。這與在參與的故障電極上忽略供電和電壓測量而不跳過相比有根本的差別，因為在此數據空間沒有被N-D電極足夠地覆蓋，而在跳過的情況下數據空間被N-D電極最大地覆蓋。這同樣是與許多可能的DAQ模式和所屬的重建規則(DAQ/REC)相比的根本差別，其利用位于其間的電極進行供電模式，和/或利用位于其間的電極進行電壓測量，因為在所有情況下都相同的是，該N電極系統的每個電極都被詢問(angesprochen)。相應的重建規則始終基于N電極、短型DAQ/REC(N)，而在本發明的方法中故障電極保持完全被略過。
在附圖中解釋了具有所屬數據采集的一個16電極EIT系統的例子。其中
圖I示意性示出了利用三個電極的阻抗測量的原理，
圖2示出了一種數據采集模式的示意性圖示，
圖3示出了具有一個故障電極的分析方法的示意性圖示，
圖4a_4c不出了利用一個故障電極供電的例子，
圖5a_5c示出了對應于圖4a_4c的重建。
具體實施例方式在圖I中示出了三-點電極-皮膚接觸阻抗測量的原理。由一個電流源3通過兩個電極1、2來提供電流I。該電流通過左邊的電極I流入身體4，并通過右邊的電極2又流出。該身體4由用于接觸電極1、2的上皮層5、和較深的皮和組織層6組成。由一個通電的電極相對于一個無電流的參照電極來測量電壓。在過渡至身體內部時在通電的電極I上產生主電壓降。在身體本身中阻抗是相對低的。相對于無電流的電極7來測量電勢降，因為在此由于I=O而在其電極-皮膚接觸上不發生電壓降。在電極1、7之間的阻抗Ze=U/I從而基本上是所關注的通電的電極I的電極-皮膚接觸過渡阻抗。所有電極的電極-皮膚接觸過渡阻抗從而至少準連續地被測量，典型地每個子幀一次測量。如果電接觸是不可能的，那么由于I — 0而使阻抗急劇上升。在圖2中示出了在16-電極EIT系統的相鄰DAQ模式中數據采集的例子。子幀I:借助電流源3在電極對a =1之間進行供電。測量在電極對U =3... 15之間的所有電壓，比如用U =6和下面的旋轉箭頭8來表示。具有通電的電極的電極對不被測量，因為電極-皮膚接觸過渡電阻或者是未知的或者由于波動而太不精確。對于供電位置a=l從而得到十三個電壓測量值。這針對供電位置或子幀a =2、a =3. . .、a =16被重復，用流向箭頭9來表示。對于每個新的電流位置，測量在其余相鄰的無電流電極之間的十三個電壓。得到16*13=208個測量值，或由于在交換供電位置和測量位置情況下的互易性而得到104個線性無關的測量值。在此可以如下所列來進行索引。該模式的具體實現取決于所基于的硬件。Ua ⑷=Ua (Ili)
U , a =1， ，16 電極
a ( U ) -^m G [I, . . . , 208]通道
m=l 對應于(ii =1，a =3) m二2 對應于(U =1, a =4)
=208 對應于(U =16，a =14)
在圖3中對應于圖2以具有相鄰DAQ模式和電極A故障的一個16-電極EIT系統為例子借助電路框10示意性圖示出了該測量方法。這十六個電極連同根據DAQ樣式基礎13的DAQ控制12 —起連接到一個DAQ電路11。故障電極通過超出或低于阻抗Ztjut或阻抗Zin的閾值而被識別，其中典型地Zin小于Zwt (遲滯閾值)。借助一個阻抗監控單元14來進行分析。通過DAQ硬件來實施供電樣式和電壓測量。比如級聯狀多路復用器電路能夠相應于預給定的DAQ樣式來實現電極對以用于供電和電壓測量。這208個電壓測量值和十六個電極-皮膚接觸過渡阻抗的測量值被讀出，并典型地到達一個A/D變換器15，并經歷預處理。電壓測量值到達計算單元16以進行重建和圖像處理，并基于來自數據庫18的重建規則、REC規則而被進一步處理，并通過顯示單元17而被輸出。這十六個電極-皮膚接觸過渡阻抗被續傳到該阻抗監控單元14。在該例子中，電極A=13由于高于閾值Zrat的過高阻抗值而被識別為故障電極。該系統采用一個所定義的安全狀態。該信息被續傳到一個數據庫，在該數據庫中存儲有針對在無故障電極的標準情況的、以及針對(DAQ-OO)、以及針對十六個不同故障電極DAQ-01. . . DAQ-16的不同DAQ樣式，以及可能還存儲有可能多個故障電極的其他樣式。針對故障電極A的跳過樣式DAQ-13被加載到該DAQ控制中。該DAQ單元現在如此控制所述電極，使得電極A以所定義的方式由供電和電壓所跳過，這在圖3中利用虛線19通過斷開的開關來表示。該跳過樣式可以使硬件可能性而定而變化。DAQ現在相應于故障電極A的新DAQ樣式來開始數據記錄。數據被讀出、A/D變換，并到達計算單元16和阻抗監控單元14。該故障電極A的信息由該阻抗監控單元14同樣傳導到與所屬DAQ模式相對應的重建規則的數據庫18，其中這些DAQ模式已經被事先計算。該數據庫包含有無故障電極的標準重建規則(REC-00)、一個故障電極的16種不同可能(REC-01. . . REC-16)以及可能還有更大故障電極數量的其他規則。當然，不同的重建規則也可以完全或部分地按照存儲空間和計算能力的分布情況而當場計算。DAQ模式和重建模式的詢問和數據結構同樣可以是不同的，重要的是，始終需要二者一起變化DAQ和重建規則。 用于跳過故障電極A的重建規則REC-13被加載，并傳送到該重建和圖像處理單元。在新的DAQ模式、DAQ-13中所測量的電壓現在可以以最小化的信息損失來重建、分析、顯示以及必要時存儲。如果該電極A的輸入阻抗再次低于一個閾值Zin或者其他的電極發生故障，那么其就被該電極阻抗監控單元來標記，并類似地以如下方式來反應，即始終能夠生成盡可能好的圖像質量。在圖4a至4b中示出了在故障電極A區域中供電的不同DAQ樣式。圖4a示出了無干擾的供電和電壓測量的弧20，在那里全部十六個電極與皮膚表面相接觸。在圖4b所示的情況中，故障電極A不接觸，并且其在數據采集時被簡單地忽略。弧21在此表示忽略的供電和電壓測量。
簡單地忽略而不跳過，導致非常不滿意的結果。比如在僅一個故障電極的情況下丟棄了 52/208測量、也即全部數據的1/4，這是兩個完整的子幀，并且是其他每個子幀中的兩次測量！這導致在該故障電極A附近區域中沒有信息，這在圖4b中表示為“盲點”22。這導致在該區域中在EIT圖像中的強烈干擾。如圖4c所示，在跳過該故障電極A時，即使具有差一些的分辨，也可以從有關的區域中恢復信息的大部分，這導致可用的EIT圖像。在直接跳過時，利用相鄰的電極B、C利用15個電極得到15*12=180次測量，在兩個故障電極時利用一種相鄰模式得到14*11=154次測量。關于故障電極A需要至少一個跳過23。不僅提供了比在忽略時更多的數據，而且首先數據對有關區域中的阻抗變化是敏感的，這意味的是明確的信息獲取。通過越過該故障電極A的附加的跳過24、25，可以進一步對重建進行改善。該跳過24開始于在電極B前面的電極D，并直至電極C。該跳過25開始于在該電極C前面的電極E，并直至電極B。具體的跳過的方式和方法在此取決于具體的硬件解決方案，比如多路復用器級聯的具體實施。在圖5a至5c中示出了在受檢者肺通氣的EIT圖像中故障電極A的影響。數據利用一種16-電極EIT系統以相鄰DAQ模式而記錄。圖5a對應于具有全部16個電極的完全數據組的圖4a。在圖5b中示出了對應于圖4b的在不允許地忽略故障電極A周圍的有關測量時盲點22的效果。圖5c示出了通過跳過測量的具有輕微分辨損失的信息的恢復。由圖5a至5c得知，利用根據本發明的所述跳過方法完全保持獲得EIT的功能性和可解析性。參考符號列表
1左電極
2右電極
3電流源
4身體
5上皮層
6較深組織層
7無電流的電極
8下旋轉箭頭
9流向箭頭
10電路框圖
11DAQ電路12DAQ控制
13DAQ樣式基礎
14阻抗監控單元
15A/D變換器
16計算單元
17顯示單元
18數據庫
19虛線
20無干擾測量的弧
21省略測量的弧
22盲點
23，24，25跳過
A故障電極
B，C故障電極的相鄰電極
D，E相鄰電極的前面的電極。
權利要求
1.一種用于借助用于電阻抗斷層成像的裝置來進行數據采集的方法，其中電極按照間距導電固定在受檢者的身體區域上，以便借助重建算法從通過經由電極對的供電而在剩余電極上引起的電勢差測量中來生成由電極所包圍的橫斷面上的電阻的映像， 具有以下的步驟， 借助阻抗測量來把不具有身體接觸的電極識別為故障電極(A)， 如此來進行供電，即至少該故障電極(A)被跳過，以及 在該故障電極(A)的區域中越過該故障電極(A)以如下方式來確定電勢即該故障電極(A)至少一次被跳過。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，進行通過與該故障電極(A)相鄰的電極(B，C)的第一跳過(23)。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其特征在于，在另一跳過(24，25)中，除了該故障電極(A)，與該故障電極(A)相鄰的電極(B，C)也被跳過。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，在第二或第三跳過(24，25)中使用相鄰電極或其它的相鄰電極的前面或后面的電極之一(D，E)。
全文摘要
本發明涉及一種用于電阻抗斷層成像的方法，以在存在故障電極(A)時能夠進行分析和重建。該方法特征在于以下的步驟，借助阻抗測量來把不具有身體接觸的一個電極識別為故障電極(A)，如此來進行供電，使得至少該故障電極(A)被跳過，以及在該故障電極(A)的區域中越過該故障電極(A)以如下方式來確定電勢，即該故障電極(A)至少一次被跳過。
文檔編號A61B5/053GK102670198SQ201210069969
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月16日 優先權日2011年3月16日
發明者T.加盧斯, Y.格貝爾 申請人:德爾格醫療有限責任公司