(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (2 1) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) IntCl7 A 61B 5/053 (54) Sposób i układ do prowadzenia pomiarów w tomografii elektroimpedancyjnej (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 15/00 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 09/05 (73) Uprawniony z patentu: Politechnika Gdańska, Gdańsk, PL (72) Twórcy wynalazku: Adam Bujnowski, Kalinowo, PL Antoni Nowakowski, Gdańsk, PL Jarosław Stelter, Gdańsk, PL Jerzy Wtorek, Gdańsk, PL (74) Pełnomocnik: Popławski Czesław, Politechnika Gdańska PL B1 (57) Sposób prowadzenia pomiarów w tomografii elektroimpedancyjnej polegający na pobudzaniu elektrody sygnałem napięciowym lub prądowym i pomiarze sygnału odpowiedzi prądowej i/lub napięciowej, który poddaje się dalszej obróbce w pozostałych układach tomografu, znamienny tym, że w systemie pomiarowym składającym się z N dwuczęściowych, prądowo-napięciowych elektrod (E1 E2,...E N) jednocześnie, przy pomocy tego samego generatora (G) pobudza się jedną prądową część (A1, A2,...AN) dowolnej liczby elektrod i mierzy się w oddzielnych podukładach pomiarowych (P 1, P 2,...P N) sygnały odpowiedzi jednocześnie na dowolnej liczbie elektrod (E1, E2,...E N). 6. Układ do prowadzenia pomiarów w tomografii elektroimpedancyjnej zawierający generator zmiennego sygnału, układy kluczowania, cyfrowe układy logiczne i wzmacniacze pomiarowe, znamienny tym, że składa się z zespołu N dw uczęściow ych p radow o-napięciow ych elektrod (E1, E2,...En), jednego generatora (G) oraz zespołu N jednakowych podukładów pomiarowych (P 1; P 2,...P N), z których każdy (P i) połączony jest z jedną elektrodą (Ei) i w których jedna, prądowa część (A1) elektrody (Ei) połączona jest poprzez konwerter prądowo-napięciowy (K i) i analogowy blok kluczowania (K L i) z synchronicznym układem identyfikacji napięcia (ID i), a druga, napięciowa część (B i) elektrody (Ei) połączona jest przez wzmacniacz pomiarowy napięcia (W1) i analogowy blok kluczowania...

2 Sposób i układ do prowadzenia pomiarów w tomografii elektroimpedancyjnej Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób prowadzenia pomiarów w tomografii elektroimpedancyjnej polegający na pobudzaniu elektrody sygnałem napięciowym lub prądowym i pomiarze sygnału odpowiedzi prądowej i/lub napięciowej, który poddaje się dalszej obróbce w pozostałych układach tomografu, znamienny tym, że w systemie pomiarowym składającym się z N dwuczęściowych, prądowo-napięciowych elektrod (E 1, E 2,...E n) jednocześnie, przy pomocy tego samego generatora (G) pobudza się jedną prądową część (A1, A2,...An) dowolnej liczby elektrod i mierzy się w oddzielnych podukładach pomiarowych (P1, P2,....Pn) sygnały odpowiedzi jednocześnie na dowolnej liczbie elektrod ( E 1, E 2,...En). 2. Sposób według zastrz, 1, znamienny tym, że każdy z mierzonych sygnałów wyjściowych z elektrod poddaje się całkowaniu w bloku integratora (INi) do momentu osiągnięcia nasycenia na jego wyjściu. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jedną prądową część (A 1, A 2,...A N) elektrod (E 1, E2,...En) pobudza się sygnałem zmiennym o więcej niż jednej harmonicznej i mierzy się różnicę amplitud prądów o dwóch różnych częstotliwościach dopływających do prądowej części ( A 1, A 2,...An) elektrod ( E 1, E2,...En) i/lub różnicę amplitud dwóch napięć o różnych częstotliwościach na drugiej, napięciowej części (B 1, B2,...Bn) elektrod (E 1, E 2,...E N). 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jedną prądową część (A 1, A 2,...An) elektrod (E 1, E2,...En) pobudza się sygnałem o jednej harmonicznej i mierzy się prąd dopływający do prądowej części (A 1, A2,...An) elektrod i/lub napięcie na drugiej, napięciowej części (B 1, B2,...Bn) elektrod. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jedną, prądową część (A1, A2,...An) elektrod pobudza się sygnałem o jednej harmonicznej i mierzy się różnicę amplitud prądów dopływających do prądowych części dwóch różnych elektrod i/lub różnicę amplitud napięć na drugiej, napięciowej części dwóch różnych elektrod. 6. Układ do prowadzenia pomiarów w tomografii elektroimpedancyjnej zawierający generator zmiennego sygnału, układy kluczowania, cyfrowe układy logiczne i wzmacniacze pomiarowe, znamienny tym, że składa się z zespołu N dwuczęściowych prądowo-napięciowych elektrod ( E 1, E 2,...EN), jednego generatora (G) oraz zespołu N jednakowych podukładów pomiarowych (P1, P2,...Pn), z których każdy (Pi) połączony jest z jedną elektrodą (Ej) i w których jedna, prądowa część (Aj) elektrody (Ej) połączona jest poprzez konwerter prądowo- -napięciowy (Ki) i analogowy blok kluczowania ( K L i) z synchronicznym układem identyfikacji napięcia (IDi), a druga, napięciowa część (Bi) elektrody ( E i) połączona jest przez wzmacniacz pomiarowy napięcia (W i) i analogowy blok kluczowania ( K L i) z synchronicznym układem identyfikacji napięcia (IDi), którego wyjście połączone jest poprzez blok filtracji (Fi) z blokiem integratora (INi), którego wyjście dołączone jest do układów dalszej obróbki sygnału (X) i który połączony jest również z analogowym blokiem kluczowania ( K L i), a blok integratora (INi) i analogowy układ kluczowania (K L i) połączone są z blokiem cyfrowego układu logicznego (U Li), dołączonego do interfejsu komunikacyjnego (Y) przy czym każdy analogo wy układ kluczowania (KIi) i synchroniczny układ identyfikacji napięcia (IDi) dołączone są do wspólnego dla wszystkich podukładów pomiarowych generatora (G), a analogowe bloki kluczowania (K L i) każdej z elektrod są połączone ze sobą. 7. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że każdy synchroniczny układ identyfikacji napięcia (IDi) połączony jest z generatorem (G). * * *

3 Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do prowadzenia pomiarów w tomografii elektroimpedancyjnej. Znajduje on zastosowanie do obrazowania przestrzennego rozkładu zespolonej przenikalności elektrycznej lub przewodności różnych tkanek. Tomografia elektroimpedancyjna jest techniką pozwalającą na strukturalne i czynnościowe obrazowanie i różnicowanie tkanek charakteryzujących się różną przenikalnością zespoloną, których właściwości są modyfikowane przez różne zjawiska fizjologiczne i patologiczne. Obrazowanie to wiąże się zawsze z dużą liczbą pomiarów określonych liczbą użytych elektrod. Znany jest sposób prowadzenia pomiarów, w którym do jednej z elektrod systemu pomiarowego przykłada się pobudzenie napięciowe o określonej częstotliwości i mierzy się prąd zwarcia do masy w pozostałych elektrodach. Znany jest także sposób, w którym pomiędzy dwie elektrody systemu pomiarowego przykłada się pobudzenie prądowe, a za pom ocą pozostałych elektrod mierzy się napięcie na elektrodzie lub między dwoma elektrodami. Proponowane są różne strategie pomiarowe, zwane technikami elektrod przylegających i naprzeciwległych. Przykładowo, między dwie sąsiednie elektrody przykłada się pobudzenie prądowe, po czym mierzy się w kolejnych momentach czasowych różnice napięć między kolejnymi dwoma sąsiadującymi elektrodami lub pobudzenie przykłada się między elektrody przeciwległe, a odpowiedź mierzy między sąsiednimi elektrodami. W każdym przypadku obrazowanie wiąże się z dużą liczbą pomiarów, których wyniki są poddawane dalszej obróbce według odpowiedniego algorytmu rekonstrukcyjnego w układach tomografu. Jakość obrazowania zależy przy tym od liczby pomiarów, ich dokładności i szybkości przeprowadzania. Najczęściej stosuje się pobudzenie sygnałem harmonicznym o jednej częstotliwości. Znane są też metody, w których częstotliwość pobudzenia zmienia się sekwencyjnie. Przy takim postępowaniu pojawiają się dodatkowe błędy wynikające z niejednoczasowego pomiaru dla różnych częstotliwości. Znanych jest wiele różnych układów do prowadzenia pomiarów w tomografii elektroimpedancyjnej. Ich budowa zależy od strategii przeprowadzania pomiarów i funkcji, jakie spełniać mają poszczególne elektrody systemu, tzn., czy określona elektroda wykorzystywana jest tylko jako źródło pobudzenia, czy także jako element do pomiaru odpowiedzi. Znane są układy, w których oddzielne elektrody służą jako źródło pobudzenia i te dołączone są do generatora zmiennego sygnału o określonej częstotliwości, a inne są elektrodami pomiarowymi i te dołączone są do wzmacniaczy pomiarowych. Znane są również układy, w których jeden generator zmiennego sygnału przyłączany jest do kolejnych elektrod za pośrednictwem układów multipleksowych i odpowiednio, za pośrednictwem układów multipleksowych, przyłączane są do kolejnych elektrod kanały pomiarowe zawierające wzmacniacze pomiarowe i cyfrowe układy logiczne. Znany jest też układ, opisany w artykule Rigaud B., Shi Y., Chauveau N., Morucci J.P. pt.: Experimental acquisition system for impedance tomography with active electrodes approach, Med. Biol. Eng. Comput., 31(6), , 1993, w którym ta sama elektroda może być wykorzystywana jako źródło pobudzenia lub elektroda pomiarowa. W układzie tym elektroda połączona jest za pośrednictwem układu pięciu kluczy i dwóch buforów ze źródłem prądowym sterowanym sygnałem napięciowym, z detektorem połączonym ze wzmacniaczem pomiarowym oraz z masą, przy czym klucze sterowane są przez cyfrowy układ logiczny. W układzie tym elektroda pracuje jako źródło prądowe, wtórnik napięcia lub układ wirtualnej masy. W układach, w których ta sama elektroda służy jako źródło prądowe oraz elektroda do pomiaru odpowiedzi napięciowej, występują duże błędy pomiarowe wynikające z impedancji elektrodowej. Natomiast w układach, w których poszczególne elektrody spełniają odrębne funkcje, ze w zględu na mała liczbę niezależnych pomiarów, zw iekszenie dokładności odwzorowania wymaga zwiększenia liczby elektrod, co prowadzi do znacznego wzrostu komplikacji układu i ryzyka wystąpienia przesłuchów. Sposób prowadzenia pomiarów w tomografii elektroimpedancyjnej według wynalazku, polegający na pobudzaniu elektrody sygnałem napięciowym lub prądowym i pomiarze sygnału odpowiedzi prądowej i/lub napięciowej, który poddaje się dalszej obróbce w pozostałych układach tomografu charakteryzuje się tym, że w systemie pomiarowym składającym się z N dwuczęściowych, prądowo-napięciowych elektrod jednocześnie, przy pomocy tego samego

4 generatora pobudza się jedną, prądową część dowolnej liczby elektrod i mierzy się w oddzielnych podukładach pomiarowych sygnały odpowiedzi jednocześnie na dowolnej liczbie elektrod. Korzystnie jest, gdy każdy z mierzonych sygnałów wyjściowych z elektrod poddaje się całkowaniu w bloku integratora do momentu osiągnięcia nasycenia na jego wyjściu. Szczególnie korzystne rezultaty pomiarowe uzyskuje się, gdy jedną, prądową część elektrod pobudza się sygnałem zmiennym o więcej niż jednej harmonicznej i mierzy się różnicę amplitud prądów o dwóch różnych częstotliwościach dopływających do prądowej części elektrod i/lub różnicę amplitud dwóch napięć o różnych częstotliwościach na drugiej, napięciowej części elektrod. Możliwy jest także pomiar, w którym jedną, prądową część elektrod pobudza się sygnałem o jednej harmonicznej i mierzy się prąd dopływający do prądowej części elektrod i/lub napięcie na drugiej, napięciowej części elektrod. Kolejna odmiana sposobu polega na tym, że jedną, prądową część elektrod pobudza się sygnałem o jednej harmonicznej i mierzy się różnicę amplitud prądów dopływających do prądowych części dwóch różnych elektrod i/lub różnicę amplitud napięć na drugiej, napięciowej części dwóch różnych elektrod. Układ do prowadzenia pomiarów w tomografii elektroimpedancyjnej według wynalazku, zawierający generator zmiennego sygnału, układy kluczowania, cyfrowe układy logiczne i wzmacniacze pomiarowe charakteryzuje się tym, że składa się z zespołu N dwuczęściowych prądowo-napięciowych elektrod, jednego generatora oraz zespołu N jednakowych podukładów pomiarowych. Każdy z tych podukładów pomiarowych połączony jest z jedną elektrodą, przy czym jedna, prądowa część elektrody połączona jest poprzez konwerter prądowo- -napięciowy i analogowy blok kluczowania z synchronicznym układem identyfikacji napięcia, a druga, napięciowa część elektrody połączona jest przez wzmacniacz pomiarowy napięcia i analogowy blok kluczowania z synchronicznym układem identyfikacji napięcia. Wyjście układu identyfikacji napięcia połączone jest poprzez blok filtracji z blokiem integratora, którego wyjście dołączone jest do układów dalszej obróbki sygnału i który połączony jest również z analogowym blokiem kluczowania. Blok integratora i analogowy układ kluczowania połączone są z blokiem cyfrowego układu logicznego, dołączonego do interfejsu komunikacyjnego. Jednocześnie każdy analogowy układ kluczowania i synchroniczny układ identyfikacji napięcia dołączone są do wspólnego dla wszystkich podukładów pomiarowych generatora, a analogowe bloki kluczowania każdej z elektrod są połączone ze sobą. Korzystnie jest, gdy w układzie według wynalazku każdy synchroniczny układ identyfikacji napięcia połączony jest z generatorem. Wynalazek jest bliżej objaśniony na przykładzie zilustrowanym rysunkiem, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy systemu pomiarowego z zespołem N elektrod, a fig. 2 - schemat podukładu pomiarowego pojedynczej elektrody. Przykładowy sposób prowadzenia pomiarów w tomografii elektroimpedancyjnej polega na tym, że w systemie pomiarowym zawierającym szesnaście dwuczęściowych, prądowonapięciowych elektrod, podukład pomiarowy Pi pierwszej elektrody E 1 konfiguruje się do realizacji pobudzenia napięciowego z generatora G i na prądową część tej elektrody A 1podaje się zmienny sygnał napięciowy o dwóch częstotliwościach: f1 = 10 khz i f2 = 50 khz. Podukłady pomiarowe pozostałych elektrod konfiguruje się do pomiaru prądu i mierzy się jednocześnie różnicę amplitud prądów, odpowiadających tym dwóm harmonicznym pobudzenia, dopływających do prądowej części każdej z tych elektrod. Sygnały odpowiedzi każdej z elektrod przekształca się w oddzielnych podukładach pomiarowych Pi do postaci napięć stałych o wartości odpowiadającej różnicy amplitud sygnałów odpowiedzi dla częstotliwości 10 khz i 50 khz. Każdy z tych sygnałów poddaje się następnie całkowaniu w blokach integratorów INi uzyskując napięcia narastające liniowo aż do nasycenia integratora. Szybkość narastania poszczególnych napięć zależy od rozkładu przewodności obiektu badanego za pomocą zespołu elektrod. Kolejne pomierzone próbki czasowe sygnałów odpowiedzi z wszystkich elektrod poddaje się dalszej obróbce w innych układach tomografu. Równocześnie, dla tego samego pobudzenia, można dokonywać pomiarów odpowiedzi napięciowych na drugiej, napięciowej części Bi każdej z elektrod, jako różnicy amplitud napięć o tych dwóch częstotliwościach. Ten sam sygnał zmienny pobudzenia o dwóch harmonicznych, z tego samego generatora G, podaje

5 się na kolejne elektrody i mierzy odpowiedzi prądowe i/lub napięciowe na pozostałych elektrodach. Możliwe jest także jednoczesne pobudzanie dwóch lub większej liczby elektrod i pomiar odpowiedzi prądowej na pozostałych elektrodach lub odpowiedzi napięciowej na wszystkich elektrodach. Innym przykładem prowadzenia pomiarów jest podanie z generatora G do prądowej części jednej elektrody sygnału pobudzenia o jednej częstotliwości i pomiar różnicy amplitud sygnałów odpowiedzi prądowych i/lub napięciowych występujących jednocześnie na dwóch różnych elektrodach. Dalszej obróbce poddaje się próbki czasowe sygnałów ilustrujących różnice odpowiedzi kolejnych, różnych par elektrod. Układ do prowadzenia pomiarów w tomografii elektroimpedancyjnej ma szesnaście zespolonych, aplikacyjno-pomiarowych elektrod Ei, z których każda składa się z dwóch oddzielnych części - prądowej Ai i napięciowej Bi, Każda z elektrod Ej połączona jest z oddzielnym, jednakowym podukładem pomiarowym Pi. Zawiera on wzmacniacz pomiarowy napięcia W1zrealizowany w oparciu o wtórnik napięciowy, połączony z napięciową częścią Bi elektrody oraz konwerter prądowo-napięciowy K i połączony z częścią prądową Aj elektrody, zrealizowany w oparciu o wzmacniacz operacyjny i dwa klucze analogowe i spełniający funkcję układu pomiaru prądu o znikomej impedancji wejściowej oraz układu zadawania pobudzenia. Wzmacniacz pomiarowy napięcia W i i konwerter prądowo-napięciowy K i połączone są poprzez analogowy blok kluczowania KLi, określający rodzaj pomiaru i pobudzenia, z synchronicznym układem identyfikacji napięcia IDi zrealizowanym na bazie wzmacniaczy operacyjnych. Wyjście układu identyfikacji napięcia IDi połączone jest poprzez blok filtracji Fi, umożliwiający odzyskiwanie składowych sygnału, z blokiem integratora INi. Wyjście bloku integratora INi połączone jest z analogowym blokiem kluczowania KLi i z układami dalszej obróbki sygnału X w tomografie. Każdy podukład pomiarowy Pi zawiera także blok cyfrowego układu logicznego ULi zbudowanego w oparciu o mikrokontroler jednoukładowy, który nadzoruje pracę elektrody i komunikację z pozostałymi częściami tomografu. Blok cyfrowego układu logicznego ULi połączony jest w podukładzie pomiarowym Pi z blokiem kluczowania KLi, blokiem integratora INi, blokiem filtracji Fi, a także z interfejsem komunikacyjnym Y tomografii. Układ według wynalazku posiada jeden, wspólny dla wszystkich podukładów pomiarowych Pi, generator G, dołączony do analogowego bloku kluczowania KLi, synchronicznego układu identyfikacji napięcia IDi i bloku filtracji Fi każdego z szesnastu podukładów pomiarowych Pi. Połączone są ze sobą wzajemnie także analogowe bloki kluczowania KLi podukładów każdej z elektrod. Podukłady pomiarowe Pi zbudowane są na bazie układów scalonych, wzmacniaczy operacyjnych i kluczy analogowych BUF04, ADG201AKP, OP221, AD811, OP07 firmy Analog Devices oraz układ scalony MC 1496 firmy Motorola i mikrokontroler PIC16F84 firmy Microchip. Generator G stanowi niezależny układ zbudowany w oparciu o Mikrokontroler 80C552 (Philips), układ MAX038 (Maxim), pętle fazowe MC14151 (Motorola), wzmacniacze operacyjne AD811, TL082 (Analog Device, Texas Instruments). Blok integratora INi sterowany przez blok cyfrowego układu logicznego U L i pracuje jako wzmacniacz o wzmocnieniu zależnym od czasu, który tak jest dobrany, aby każda najmniejsza mierzona wielkość doprowadzała do nasycenia integratora, przy czym wartość mierzona obliczana jest za pomocą odpowiednich procedur matematycznych. Budowa podukładów pomiarowych Pi zapewnia realizację różnych konfiguracji, dających możliwość wykorzystania każdej z elektrod do pobudzania sygnałem napięciowym, pobudzania sygnałem prądowym, pomiaru napięcia na elektrodzie, pomiaru prądu dopływającego do elektrody łub różnicy sygnałów między dwoma, dowolnie wybranymi elektrodami. Odpowiednie zgodne z ustalonym algorytmem pomiarowym, konfigurowanie elektrody zapew nia analogowy blok kluczowania K L i wraz z blokiem cyfrowego układu logicznego U Li i generatorem G. W jednej z możliwych konfiguracji elektroda pracuje w układzie pomiaru prądu dopływającego do jej prądowej części A i, który w konwerterze prądowo-napięciowym K i zamieniany jest na sygnał napięciowy, doprowadzany do synchronicznego układu identyfikacji napięcia IDi, skąd po przejściu przez blok filtracji F i podawany jest na wejście bloku integratora INi, w którym przekształcany jest na napięcie narastające liniowo. W innej konfiguracji, podukład pomiarowy mierzy napięcie występujące na napięciowej części B i elektrody, które poprzez wzmacniacz pomiarowy napięcia Wi podawane jest do synchronicznego układu iden-

6 tyfikacji napięcia. Ten sam podukład pomiarowy Pi, może być wykorzystany do doprowadzania pobudzenia, które jako sygnał prądowy lub napięciowy podawane jest poprzez analogowy blok kluczowania K L i i konwerter K i na prądową część A i elektrody. W przypadku, gdy pobudzenie dokonane zostało sygnałem o dwóch harmonicznych, synchroniczny układ identyfikacji napięcia identyfikuje dwa napięcia o różnych częstotliwościach, które po przejściu przez blok filtracji, jako napięcie stałe równe różnicy amplitud napięć o różnych częstotliwościach, poddawane jest całkowaniu w bloku integratora. Natomiast w przypadku, gdy nastąpiło pobudzenie sygnałem o jednej harmonicznej, synchroniczny układ identyfikacji może być przełączony na sygnał z innej elektrody i wówczas sygnał na wyjściu bloku filtracji będzie prezentacją różnicy amplitud napięć o tych samych częstotliwościach występujących na dwóch różnych, wybranych elektrodach. Podobnie może odbywać się pomiar prądów o dwóch różnych częstotliwościach dopływających do tej samej elektrody lub prądów o tej samej częstotliwości dopływających do dwóch różnych, wybranych elektrod. Tak więc, w zależności od konfiguracji zadanej przez układy kluczujące współpracujące z generatorem i układem logicznym oprogramowanym zgodnie z żądanym algorytmem pomiarowym, sygnał napięciowy na wyjściu bloku filtracji w każdym z podukładów pomiarowych może być prezentacją jednej z następujących wartości: prądu o jednej częstotliwości lub różnicy prądów o różnych częstotliwościach dopływających do prądowej części elektrody, napięcia o jednej częstotliwości lub różnicy napięć o dwóch różnych częstotliwościach występujących na napięciowej części elektrody, różnicy amplitud prądów dopływających do części prądowych dwóch dowolnie wybranych elektrod, różnicy amplitud napięć o tych samych częstotliwościach występujących na napięciowej części dwóch różnych, wybranych elektrod. W każdym przypadku sygnał ilustrujący jedną z powyższych wielkości poddawany jest. całkowaniu, a następnie, kolejno dla każdej elektrody, podawany do przetwarzania w układach dalszej obróbki sygnału. Opisany układ jest układem uniwersalnym, umożliwiającym przeprowadzanie pomiarów napięć i prądów dla potrzeb tomografii elektroimpedancyjnej według dowolnie zaprogramowanej strategii pomiarowej, z zapewnieniem minimalizacji niekorzystnego wpływu impedancji elektrodowej na wyniki pomiarów oraz charakteryzującym się dużą odpornością na zakłócenia przy dużej dynamice amplitud sygnałów, bez potrzeby zmiany wzmocnienia układu.

7

8 fig.1 fig.2 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.