Устройства для импеданс-визуализации местоположения патологического процесса с помощью метода КТ-сканирования

Визуальные и количественные критерии оценки электроимпедансных изображений молочной железы составляют единый результат электроимпедансного компьютерного маммографического исследования.

Электроимпедансными признаками отечно- инфильтративной формы РМЖ являются: выраженная гиперимпедансность железы, изменение визуализации структуры молочной железы, отсутствие гипоимпедансной зоны с индексом электропроводности более 0,95. Индекс электропроводности больной железы значительно ниже такового здоровой железы и возрастной нормы.

Вывод о состоянии молочных желез осуществляется методом «взвешенных оценок», где, помимо визуального анализа полученных электроимпедансныхтомографических снимков, оцениваются как абсолютные значения статистических параметров, характеризующих распределение электропроводности внутри молочной железы, так и отношения этих критериев. Причем информативность статистических характеристик и их отношение превалируют над значимостью визуальных оценок изображения. Каждому визуальному, статистическому, графическому и математическому критерию, отличающемуся от нормального, соответствует свой “взвешенный” балл.

Сумма всех баллов указывает на степень угрозы как имеющихся патологических изменений, так и риска их развития, даже если по данным рентгеновского и ультразвукового исследований патологические изменения не были выявлены.

3. Практическая реализация и оценка эффективности алгоритма импеданс визуализации местоположения патологического процесса

3.1 Сбор экспериментальных данных с помощью методов КТ сканирования и импеданс-визуализации

Как было показано в предыдущих главах ВКР, в медицинской диагностике для определения размеров, формы и плотности органов и тканей используют различные методы медицинской визуализации (МВ) [1]. Метод электроимпедансной томографии (ЭИТ) [49] - неинвазивный метод реконструкции и визуализации распределения проводимости в биологических объектах по результатам электрических измерений на его поверхности - является одним из наиболее перспективных методов МВ.

В общем случае исследуемый объект (ИО) подключается к одному или нескольким источникам высокочастотного электрического тока через электроды, размещенные на его поверхности, и измеряются потенциалы ф.. в точках крепления электродов (где i- номер пары инжектирующих электродов,. - номер измерительного электрода). На основе информации о форме, частоте и амплитуде инжектируемого тока, потенциалах, способе подключения источника тока, положении точек измерения (электродов) и форме ИО с помощью математического аппарата реконструируется распределение проводимости в ИО [11]. Если объектом исследования является биологический объект (БО), то распределение проводимости должно соответствовать пространственному распределению внутренних органов, т. к. различные органы имеют разную проводимость [42].

3.2 Практическая реализация разработанного алгоритма импеданс визуализации местоположения патологического процесса

Алгоритм реконструкции пространственного распределения проводимости оперирует с математической моделью ИО. Как правило, это конечно-элементная модель, описывающая ИО (форма и размеры объекта, положение электродов и т.п.). Неточность описания положения электродов в модели приводит к значительным артефактам (ошибкам) в реконструированном изображении [48]. Следовательно, необходимо либо корректировать модель ИО, либо корректировать действительное положение электродов в соответствии с моделью.

Разработан блок первичных преобразователей [2], отличающийся тем, что электроды закрепляются на теле пациента с помощью резинового ремня. Однако после закрепления электродного пояса возможна некоторая неравномерность расстояний между электродами. При реконструкции используется модель ИО с равноудаленными электродами (l = const) [23]. Для уменьшения влияния несоответствия моделируемого и действительного положения электродов необходимо учесть расстояния между ними.

Исследование влияния неравномерности расстояний на результат реконструкции проводилось на экспериментальном стенде, состоящем из ИО, макета аппаратной части электроимпедансного томографа и персонального компьютера со специальным программным обеспечением. (Приложение).

Макет аппаратной части электроимпедансного томографа создан на базе платы ввода-вывода L-CARD E14- 140MD [11] и программного обеспечения Lab VIEW [14]. Макет позволяет по заданному алгоритму подключать источник тока к различным электродам на поверхности ИО, управлять формой, частотой и амплитудой инжектируемого тока, измерять потенциалы ф на электродах, обрабатывать результаты измерения и сохранять полученную информацию в текстовый файл.

В качестве ИО использовалась емкость с электродами, расположенными по периметру на равном удалении. Электроды представляют собой медицинские многоразовые электроды из сплава МНЦ диаметром d= 19 мм. Количество электродов N= 16. В качестве проводящей среды применялся 0,9 % раствор хлорида натрия объемом V = 100 см³.

Использовался следующий алгоритм измерения - к паре соседних электродов подключают источник тока и измеряют потенциалы ц,. на электродах до тех пор, пока все электроды не будут использованы в качестве инжектирующих. Для 16 электродов получается 256 значений потенциалов ц. (i = 1...16; j= 1...16, где при i= 1 инжектирующими являются электроды № 1 и 2, при i= 2 - электроды № 2 и 3 и т. д.). Неоднородности в ИО отсутствовали, отклонение расстояний между электродами Дl = ±0,5 мм.

Анализ полученных результатов измерения показывает, что при отсутствии неоднородностей в ИО есть неравномерность в значениях разности потенциалов Дц на инжектирующих электродах. По результатам вычислительного эксперимента в среде EIDORS[48, 23] ожидались равномерные значения разности потенциалов Дц между инжектирующими электродами. Так как амплитуда инжектируемого тока I= constдля всех измерений, то различие в величинах потенциалов ф.. пропорционально различию в значениях импеданса Zмежду электродами. Импеданс Zмежду электродами зависит от множества параметров, основные из которых - проводимости среды в ИО; расстояния между электродами; площадь контакта электрода с проводящей средой; наличие оксидных пленок на электроде и др. Сопротивление проводников измерительного тракта пренебрежительно мало и составляет порядка 10^-3 Ом. Равномерность площади контакта достигается полным погружением электрода в проводящую среду. Перед измерениями поверхность электродов была зачищена для минимизации различия контактного сопротивления.

График зависимости разности потенциалов между электродами от номера i пары инжектирующих электродов

Значения расстояний lмежду электродами представлены на рис.:

График зависимости расстояния между электродами от номера пары i инжектирующих электродов

На представлены нормированные значения расстояния между электродами l.и разности потенциалов Дц.

Нормированные значения расстояния между электродами l и разности потенциалов Дц: 1 - lнорм; 2 - Дцнорм

Нормирование производилось по формуле:

Где x_norm- нормированное значение величины; x - текущее значение величины; x_MIN-минимальное значение величины; x_MAX-максимальное значение величины.

Как видно из рис., имеется прямая зависимость разности потенциалов Дц между электродами от расстояния l между электродами. Нелинейный характер зависимости вызван влиянием других факторов, т.к. из-за агрессивной среды появляется оксидная пленка на электродах. Таким образом, измеряя разность потенциалов Дц между соседними электродами, пропорциональную импедансу Z между электродами, можно определить расстояние l между ними и принятьрешение о перемещении электрода на определенное расстояние либо о внесении изменения в модель для алгоритма реконструкции. Для исключения ошибок от посторонних факторов необходимо минимизировать влияние сопротивления «электрод-ИО».

Предлагается метод коррекции положения электродов, учитывающий зависимость импеданса между электродами от расстояния между электродами. Как было сказано выше, имеется возможность вносить изменения в положение электродов как в модель ИО, так и в ИО. В первом случае от разности потенциалов Дц производится переход к расстояниям l между электродами и на основе этих данных cтроится математическая модель ИО. Вовтором случае на основе сравнения значения разности потенциалов Дц между электродами со средним арифметическим значением разности потенциалов рассчитывается направление и расстояние перемещения электрода и выдается командаоператору.

Перемещениепроизводится до тех пор, пока разброс значений разности потенциалов не станет меньше 5 %.

3.3 Проверка адекватности разработанного алгоритма

Для проверки гипотезы о наличии зависимости неоднородности в разности потенциалов Дц от неоднородности расстояния l между ними был изготовлен ИО с минимальным отклонением расстояний между центрами электродов (Дl= ±0,5 мм). Результаты измерения разности потенциалов Дц между электродами представлены на рис.

График зависимости разности потенциалов между электродами от номера пары инжектирующих электродов

Для каждой из двух выборок было вычислено среднеквадратическое отклонение разности потенциалов Дц по формуле [31]:

где у - среднеквадратическое отклонение (СКО);

n - объем выборки;

x_i- i-элемент выборки (i = 1...N);

- среднее арифметическое выборки.

Если для первой выборки (отклонение расстояний между электродами Дl= ±2,5 мм) у = 5,16·10-4, то для второй (отклонение расстояний между электродами Дl= ±0,5 мм) у = 0,909·10-4. Таким образом видно, что уменьшение у пропорционально уменьшению отклонения расстояний между электродами.

На основе результатов измерений была произведена статическая реконструкция распределения проводимости в ИО без вносимых неоднородностей с помощью EIDORS [48, 23].

Реконструкция на основе измерений с значительным отклонением расстояний между центрами электродов имеет артефакты и неоднородности в сравнении с реконструкцией на основе измерений с минимальным отклонением расстояний между центрами электродов.

Из результатов измерения выделены значения потенциала на инжектирующих электродах, измерены расстояния между центрами электродов. Полученные данные нормированы и сопоставлены. Получены экспериментальные данные на объектах с равномерным и неравномерным распределением электродов.

Предложен метод коррекции положения электродов по результатам измерения импеданса для электроимпедансной томографии. Показаны результаты работы программы реконструкции и визуализации распределения проводимости на основе полученных данных.

Заключение

Электрическая импедансная томография - техника получения изображения в срезах тела посредством неинвазивного электрического зондирования, расчетов и алгоритмов реконструкции распределения импеданса (сопротивление различных органов в ответ на электрический ток). Так как разные ткани имеют разный импеданс, можно дифференцировать их изображение, и существует возможность обнаружения физиологических сдвигов.

Воздух и жидкость обладают разными сопротивлениями току электричества через организм. Измерение биоэлектрического импеданса, возникающего в ответ на переменный ток низкой амплитуды дает значение сопротивления, которое может коррелировать с результатами измерения ВСВЛ гравиметрическим методом (хим. анализ выделения вещества из исследуемой пробы с добавлением реактива) после коррекции на массу тела. Несомненными преимуществами этого метода являются легкость перемещения аппаратуры, отсутствие лучевой нагрузки и возможность выполнения у постели больного, в том числе и в отделении интенсивной терапии.

Представленные в рамках ВКР результаты показывают, что, опираясь на имеющиеся достижения в области разработки измерительных систем и алгоритмов решения обратных задач, можно создавать приборы, обладающие уникальными с точки зрения получаемой информации свойствами и имеющие широкие перспективы практического применения, о чем свидетельствует первая успешная коммерческая система для диагностики молочной железы.

Список использованных источников

1. Алексанян ГК., Тарасов А.Д., Кучер А.И. Методы медицинской визуализации // Научно-техническая конференция и выставка инновационных проектов, выполненных вузами и научными организациями ЮФО в рамках участия в реализации федеральных целевых программ и внепрограммных мероприятий, заказчиком которых является Минобрнауки России : сб. материалов конф., г. Новочеркасск, 14-16 дек. 2014 г. / Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т им. М.И. Платова - Новочеркасск : Лик, 2014. - С. 400-401.

2. Алексанян ГК., Чан Нам Фонг, Нгуен Мань Кыонг Разработка блока первичных преобразователей для устройства электроимпедансной томографии // Наука, образование, общество: проблемы и перспективы развития : сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф., г. Тамбов, 31 июля 2015 г. / Мин. обр. и науки РФ - Тамбов: Юком, 2015. - Т. 2. - С. 15-16. - 0.06 п.л

3. Альбеков С.С. Изучение функциональной составляющей мозговой ткани разночастотнойимпедансометрией в эксперименте. // Материалы I съезда физиологов Казахстана. - Алма-Ата, 1988. - С. 22.

4. Бакеева Л.Е., Зоров Д.Б. Мембранный электрический кабель. Биологические мембраны. М., 1986. С. 1130-1136.

5. Балуев Э.Г., Исследование в области импедансных измерений параметров организма. Методология биомедицинских измерений. .М., 1983. С. 51-60.

6. Баньков В.И. Визуализация параметров импеданса биотканей. Бюллетень сибирской медицины. 2016; 15(3): 10-15.

7. Белик Д.В. Импеданснаяэлектрохирургия. - Новосибирск: Наука, 2000. - 274 с.

8. Белик Д.В., Белик К.Д. Контрактивнаябиоэлектрокинетика. Аспекты лечебного применения физиовоздействий. Научное издание. - Новосибирск: Сибирское книжное издательство, 2005. - 304 с.

9. Бергальсон Л.Д. Биологические мембраны (факты и гипотезы). М.: 1975. С. 38-42.

10. Березовский В.А, Колотилин Н.Н. Биофизические характеристики тканей человека. К.: Справочник. Киев. 1990. 224 с.

11. Внешний модуль АЦП/ЦАП на шину USB E14-140M [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.lcard.ru/ products/extemal/e-140m, свободный.

12. Гольденберг Л.М. Цифровая обработка сигналов: Справ. М.: Радио и связь, 1985. 312 с.

13. Гутников B.C., Фильтрация измерительных сигналов. Д.: Энергоатомнздат, 1990. 192 с.

14. Джеффри ТревисLab VIEW для всех - М.: ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2005. - 544с.

15. Диагностика: Реовазография [Электронный ресурс]. Электрон.дан. URL: http://medportal.org/ analyzes/ re- ovazografiya.html (дата обращения: 24.01.2017).

16. животных и растительных тканей в области низких радиочастот: автореф. дис. ... канд.биол.наук - Л., 1972. С. 18.

17. Иорагнмов Р.Щ. О соотношении емкостных и резистивных свойств биологических тканей и жидкостей. Бюлл. СО АМН СССР. 1990. 84-88 с.

18. Коновалова Л.М., Ярошенко А.А. Временная нестабильность характеристик электропроводности кожи человека. Биофизика. 1981. 380 с.

19. Корженевский A.B. Бесконтактная томография электропроводящих сред квазистатическим переменным электрическим полем. - РЭ, 2004, т. 49, N 6, с 761.

20. Корженевский A.B. и др. Электроимпеданснаятомографическая система для трехмерной визуализации тканей молочной железы. - Биомед. технол. и радиоэл., 2003, N 8, с. 5.

21. Корженевский A.B. и др. Электроимпедансный компьютерный томограф для медицинских приложений. - ПТЭ, 1997, N 3, с. 133.

22. Кудашов И. А. Разработка метода определения положения инъекционной иглы при венепункции // 15-я Научно-техническая конференция.: Тез.докл. Мадейра. 2013. С. 15-17.

23. Кучер А.И., Алексанян Г.К. Определение алгоритма реконструкции и параметров реконструирования для элек-троимпедансной томографии // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 2. - Режим доступа: http:// www.science-education.ru/129-22751. - 0.248 Мб п.л.

24. Кучер А.И., Алексанян Г.К., Кревченко Ю.Р., Нескребин Д.Г., Попов И.А. Метод коррекции положения электродов по результатам измерения импеданса для электроимпедансной томографии // Фундаментальные исследования. № 12. 2015.

25. Методы визуализации распределений импеданса биотканей [Электронный ресурс]. Электрон.дан. URL: http:// www.i.lab.xmedtest.net (дата обращения: 20.12.2016).

26. Морозов А.А. Методы анализа биосигналов. М.: Учебное пособие. Москва.2006 230с.

27. Морозов А.А., Квашнин С.Е., Автоматизированная обработка спирограмм на ЭВМ. Учеб.пособие к лабораторному практикуму. М.: Москва. 2002. 18 с.

28. Николаев Д.В. Биоимпедансный анализ состава тела человека. М.: 2009. 392 с.

29. Орлов Ю.А. Электроды для измерений биоэлектрических потенциалов. М.: Москва. 2006. С. 74-90.

30. Пак Д.Д., Рожкова Н.И., Ермощенкова М.В., Назаров А.А., Фомин Д.К., Рубцова Н.А. Электроимпедансная томография в скрининге заболевании молочной железы // Медицинская визуализация. №2. 2012.

31. Пугачев В.С. Теория вероятностей и математическая статистика. - М.:ФИЗМАЛИТ, 2011. - 496 с.

32. Рангайян P.M. Анализ биомедицинских сигналов. Практический подход. М: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 440 с.

33. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. СПб.: СпецЛит, 2007. 506 с.

34. Сато Ю., Обработка сигналов. М.: «Додэка-ХХ1», 2010. 176с.

35. Солонина А.И. Основы цифровой обработки сигналов. СПб.: БХВ- Петербург, 2005. 768 с.

36. Тарусов Б.К Биофизика. М.: Москва. 1968. 156 с.

37. Тарусов Б.Н. Электропроводность как метод определения жизнедеятельности ткани. М.: Архив биол. наук. 1938. 178-181 с.

38. Торнуев Ю.В. и др. Способ оценки состояния биоткани и устройство для его осуществления. // А.с. № 1832438. - МКИ А61 В 5/05. - 1991.

39. Торнуев Ю.В. Электрический импеданс биологических тканей. М.: Изд-во ВЗПИ, 1990. 155 с.

40. Уидроу Б., Стирнз С.Д., Адаптивная обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1989. 440 с.

41. Устройство для измерения импеданса биологических тканей (RU 2366360) [Электронный ресурс]. Электрон.дан. URL: http://www.findpatent.ru/patent/236/2366360. html (дата обращения: 15.12.2016).

42. Федотов А.А., Акулов С.А. Математическое моделирование и анализ погрешностей измерительных преобразователей биомедицинских сигналов. - М.: ФИЗМАТЛИТ,- 282 с.

43. Физика визуализации изображений в медицине / пер. с англ.; под ред. С. Уэбба. М.: Мир, 1991. Т . 2. С. 480.

44. Филановская Т.П. Исследование электрических характеристик

45. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры: Пер. с англ. М.: Недра, 1987. 220 с.

46. Чапаева Л.А. Применение метода дисперсии высокочастотной проводимости хля изучения физико-химических свойств белка. Биохимия. М.: 1965. С. 358-367

47. Шминге Г.А., Электрические измерения в физиологии и медицине. М.: Медицина 1956. 206 с.

48. Adler A., Lionheart W.R.B. Usesandabusesof EI- DORS: anextensiblesoftwarebasefor EIT // PhysiologicalMeasurment. - 2006. - Vol. 27, № 5. - 21 p.

49. Aleksanyan G.K., Gorbatenko N.I., Kucher A.I., Shirokov K.M., ChanNamPhongDevelopingPrinciplesandFunctioningAlgorithmsoftheHardware-softwareComplexforElectricalImpedanceTomographyofBiologicalObjects // BioscienceBiotechnjlogyResearchAsia. - 2015. - Vol. 12, Spl. Edn. 2. - P. 709-718.

50. Aleksanyan G.K., Gorbatenko N.I., Tarasov A.D. DevelopmentofHardware-SoftwareComplexforElectricalImpedanceTomographyofBiologicalObjects // ResearchJournalofAppliedSciences. - 2014. - Vol. 9, Issue 12. - Р 1030-1033.

51. Aleksanyan G.K., Gorbatenko N.I., Tarasov A.D. ModernTrendsinDevelopmentofElectricalImpedanceTomographyinMedicine // BioscienceBiotechnjlogyResearchAsia. -- Vol. 11, Spl.Edn. 1. - P. 85-91.

52. Brown В.Н., Barber D.C. andSeagar A.D. Appliedpotentialtomography: possibleclinicalapplications. - Clin. Phys. Physiol. Meas., 1985, v. 6, p. 109.

53. Cherepenin V., etal. Preliminarystatic EIT imagesofthethoraxinhealthanddisease. - Physiol. Meas., 2002, v. 23, p. 33.

54. Cherepenin V., etal. Three-dimensional EIT imagingofbreasttissues: systemdesignandclinicaltesting. - IEEE Trans, onMedicalImaging, 2002, v. 21, p. 662.

55. Korjenevsky A., Cherepenin V. andSapetsky S. Magneticinductiontomography: experimentalrealization. - Physiol. Meas., 2000, v. 21, p. 89.

Приложение

Структурная схема экспериментального стенда: ИТ - источник тока; ОУ - операционный усилитель; К - коммутатор; МК - микроконтроллер; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; АЦП - аналого?цифровой преобразователь E14?140?МD; ПК - персональный компьютер; ИО - испытуемый объект.

Размещено на Allbest.ru