Патент на изобретение №2229839

(54) РЕОТОМОГРАФ

(57) Реферат:

Изобретение относится к медицине, а именно к устройствам для диагностики кровообращения областей тела пациента. Реотомограф содержит контактные электроды, входные блоки, центральный микропроцессор и генератор. Каждый входной блок состоит из управляемого усилителя, блок управления преобразованием сигнала, управляемого аналого-цифрового преобразователя, микропроцессора и оперативного запоминающего устройства. Генератор состоит из микропроцессора генератора, цифро-аналогового формирователя, источника постоянного тока и двух аналоговых ключей. Использование изобретения позволяет повысить точность измерения краевого распределения потенциала и увеличить скорость и точность измерения временного измерения разности потенциалов, связанных с изменением кровенаполнения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к медицине, а именно к функциональной диагностике кровообращения областей тела пациента, и представляет собой высокоскоростное устройство, позволяющее провести томографическую реконструкцию пульсового кровенаполнения областей тела пациента на основе получения серии электроимпедансных томограмм в течение одного или нескольких пульсовых циклов.

Известны томографы, основанные на использовании ядерного магнитного резонанса, например ЯМР-томограф для диагностики внутренних болезней – патент RU № 2 045 225 C1, кл. А 61 В 5/05, 1995. Известное устройство обеспечивает высокую разрешающую способность. Однако использование для диагностики такого сложного устройства дорого и сложно в эксплуатации, процедура обследования достаточно длительна, кроме того, излучение, пронизывающее тело, не является безвредным для пациента и обслуживающего персонала.

Наиболее близким аналогом является электроимпедансный томограф – патент RU № 2 127 075 C1, кл. А 61 В 5/05, 1999. Устройство содержит систему контактных электродов, устройство возбуждения тока, устройство измерения разностей потенциалов с дифференциальным усилителем на входе, микропроцессорную схему управления, входные и выходные аналоговые коммутаторы, цепь компенсации синфазной составляющей напряжений на каждой паре электродов и цепь компенсаций контактной разности потенциалов. Известный томограф позволяет получить серию статических и динамических изображений достаточно высокого качества, в том числе позволяет исследовать процессы внутреннего кровенаполнения областей тела пациента.

Недостатками этого томографа, ограничивающими его применение в исследовании пульсового кровенаполнения областей тела пациента, являются:

– сигнал с регистрирующих электродов, расположенных на теле пациента, передается в цепь дифференциального усилителя после аналогового коммутирования, что приводит к последовательному накоплению временной погрешности, которая затем вынужденно усредняется за весь период опроса регистрирующих потенциал электродов;

– скорость опроса в значительной степени ограничивается зашумленностью сигнала в цепи аналогового коммутатора и ее компенсацией в последующей аналоговой части прибора, а частота выполнения полных циклов измерения не превышает 11 кадров (временных срезов) в секунду;

– не проводится выделение из суммарного изменения электрического импеданса тела пациента составляющей пульсового кровенаполнения и оценка динамического диапазона ее измерения;

– измерения выполняются при импульсном воздействии сигнала на частоте 8 кГц, что не позволяет сопоставимо исследовать различные области тела пациента, подбирая для каждой соответствующую частоту зондирования и форму зондирующего сигнала.

Целью изобретения является получение в реальном времени путем высокоскоростного измерения серии временных карт распределения электрического импеданса на поверхности тела пациента, зависящего от объемных колебаний кровенаполнения сосудистого русла для последующей томографической реконструкции динамического распределения импеданса внутренних областей, и соответственно прицельного получения путем компьютерного анализа реографических кривых с интересующих исследователя внутренних областей тела пациента. Каждая такая карта является квазистатической электроимпедансной томограммой для данного временного среза. Каждая реографическая кривая является характеристикой интегрального пульсового кровенаполнения для данной области тела пациента. Границы области определяются в соответствии с пространственным разрешением методики электроимпедансной томографии. Динамический диапазон реографической кривой определяется выделением, подавлением артефактов и усилением пульсовой составляющей изменения электрического импеданса данной области. Таким образом целью изобретения является повышение точности измерения (при одномоментном измерении) краевого распределения потенциала, а также увеличение скорости и точности измерения временного измерения разности потенциалов, связанных с изменением кровенаполнения, на паре электродов.

Это достигается тем, что реотомограф, содержащий контактные электроды, аналоговые ключи, цифро-аналоговый формирователь, центральный микропроцессор, соединенный шиной с ЭВМ, и входной блок, включающий управляемые усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и блок управления преобразованием сигнала, дополнительно содержит микропроцессоры, оперативные запоминающие устройства, микропроцессор генератора и источник постоянного тока, причем в каждом из входных блоков управляемые усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и микропроцессор соединены последовательно, оперативное запоминающее устройство соединено шиной с микропроцессором, выход которого соединен с входом блока управления преобразованием сигнала, первый выход которого соединен с вторым входом управляемого аналого-цифрового преобразователя, а второй выход соединен с третьим входом управляемого усилителя, при этом первый и второй входы каждого управляемого усилителя соединены соответственно с двумя рядом расположенными контактными электродами, каждый микропроцессор соединен шиной с центральным микропроцессором, соединенным второй шиной с микропроцессором генератора, первый и третий выходы которого соединены шиной с первыми входами первого и второго аналоговых ключей, второй выход микропроцессора генератора через цифро-аналоговый формирователь соединен с источником постоянного тока, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторыми входами первого и второго аналоговых ключей, причем каждый выход первого аналогового ключа соединен с одним из выходов второго аналогового ключа и одним из контактных электродов. При этом количество выходов каждого аналогового ключа совпадает с числом контактных электродов и количеством входных блоков.

На фиг.1 представлена блок-схема реотомографа; на фиг.2 – схема общего принципа реконструкции реотомографа.

Реотомограф содержит контактные электроды 1-16, входные блоки 17-32, каждый из которых состоит из управляемого усилителя 33, блока 34 управления преобразованием сигнала, управляемого аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 35, микропроцессора 36 и оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 37, соединенного шиной с микропроцессором 36. При этом выход микропроцессора 36 соединен с входом блока 34 управления преобразованием сигнала, второй выход которого соединен с третьим входом управляемого усилителя 33, а первый выход соединен с вторым входом управляемого АЦП 35, первый вход которого соединен с выходом управляемого усилителя 33, а выход соединен с третьим входом микропроцессора 36. При этом первый и второй входы каждого управляемого усилителя 33 соединены соответственно с двумя рядом расположенными контактными электродами 1-16, образующими пару, например контактный электрод 1 соединен с управляемыми усилителями входных блоков 17 и 32, контактный электрод 2 соединен с управляемыми усилителями входных блоков 17 и 18, контактный электрод 3 соединен с управляемыми усилителями входных блоков 18 и 19, и т.д. Реотомограф содержит также центральный микропроцессор 38 и генератор 39, включающий микропроцессор 40 генератора, цифро-аналоговый формирователь 41, источник 42 постоянного тока и два аналоговых ключа 43 и 44. При этом все микропроцессоры 36 всех входных блоков 17-32 соединены шиной с центральным микропроцессором 38, который соединен шиной с микропроцессором 40 генератора 39, первый и третий выходы которого соединены соответственно с первыми входами первого аналогового ключа 43 и второго аналогового ключа 44, а второй выход соединен с входом цифро-аналогового формирователя 41, выход которого через источник 42 постоянного тока соединен со вторыми входами аналоговых ключей 43 и 44. Микропроцессор 38 соединен шиной с ЭВМ 45.

Устройство работает следующим образом. На первом этапе производится установка контактных электродов 1-16, например, по периметру изучаемой области тела пациента. Затем производится установочная калибровка всех входных блоков 17-32, включающая измерение контактного сопротивления электрод – кожа пациента, а также настройку динамического диапазона каждого входного блока 17-32. Для этого микропроцессор 40 генератора 39 производит последовательное подключение с помощью аналоговых ключей 43 и 44 зондирующего тока ко всем парам смежных электродов 1-16, при этом центральный микропроцессор 38 производит включение на опрос соответствующий измерительный входной блок 17-32, затем составляется таблица соотношения контактного сопротивления под каждым электродом 1-16, после чего производится настройка динамического диапазона каждого входного блока 17-32. Она включает одновременный мониторинг в течение 1-5 кардиоциклов изменения напряжения под смежными парами электродов 1-16 при фиксированной паре электродов, подключенных аналоговыми ключами 43 и 44 к телу пациента. На этом этапе калибровки реотомографа происходит 16-канальное измерение сигнала по известной методике тетраполярной реографии. При этом микропроцессором 36 и блоком 34 у правления преобразованием сигнала каждого входного блока 17-32 производится выделение переменной составляющей сигнала, соответствующего изменению кровенаполнения, и настройка динамического диапазона оцифровки этого сигнала. Настройка динамического диапазона каждого входного блока 17-32 производится выставлением соответствующего “смещения нуля” управляемого усилителя 33 и опорного напряжения управляемого АЦП 35. Управление калибровкой каждого входного блока 17-32, а также задание частоты зондирующего тока и формы зондирующего сигнала производится исследователем с ЭВМ.

На втором этапе производится собственно серия измерений для получения набора обратных проекций и последующей динамической томографической реконструкции изменения импеданса исследуемой области тела пациента. Микропроцессор 40 последовательно выставляет 11-разрядный цифровой код для получения сигнала произвольной формы и частоты, заданной исследователем, на вход цифро-аналогового формирователя 41, который может быть выполнен, например, на базе двух цифро-аналоговых преобразователей и аналогового фильтра. 12-й Разряд цифрового кода используется для синхронизации запуска цикла измерения входных блоков 17-32. Исследователь имеет возможность с терминала ЭВМ 45 подобрать форму сигнала и частоту в диапазоне 1-100 кГц для наиболее четкого выделения пульсовой составляющей кровенаполнения с учетом особенностей электропроводности различных областей тела пациента, включая, например, область головы, где кости черепа вносят определенные ограничения в выделение этой составляющей.

С выхода цифро-аналогового формирователя 41 сигнал подается на вход источника 42 постоянного тока, который обладает большим выходным сопротивлением и обеспечивает независимость величины выходного тока от сопротивления цепи возбуждающей пары контактных электродов. С выхода источника 42 постоянного тока путем коммутирования аналоговыми ключами 43 и 44 зондирующий ток последовательно подключается к 8 противоположным и 16 смежным парам контактных электродов. При появлении зондирующего тока на возбуждающей паре контактных электродов микропроцессор 40 генератора 39 выставляет сигнал считывания центральному процессору 38, который обеспечивает одновременное измерение напряжения на входных блоках 17-32. Управляемый усилитель 33 каждого входного блока 17-32 имеет дифференциальное подключение контактных электродов 1-16, что обеспечивает подавление синфазной составляющей сигнала. С выхода управляемого усилителя 33 сигнал преобразуется в цифровую форму управляемым АЦП 35 и сохраняется микропроцессором 36 в ОЗУ 37. Измерение, как правило, производится на пике положительной фазы кривой зондирующего сигнала. Однако исследователь имеет возможность произвести несколько измерений в различных временных срезах зондирующего сигнала на этапе формирования паттерна формы зондирующего сигнала на экране ЭВМ 45. Для исключения влияния контактной поляризации в системе электрод – кожа пациента после положительной фазы зондирующего сигнала на биологический объект подается одна или несколько отрицательных фаз сигнала, на которых также возможно проведение контрольных измерений. Период последовательных подключений пар контактных электродов 1-16 и получения измеренных распределений краевого потенциала для реконструкции квазистатической томограммы распределения электрического импеданса составляет для 16-электродной системы 200 мкс, что даже при частоте сердечных сокращений до 200 ударов в минуту позволяет реконструировать до 200 квазистатических электроимпедансных томограмм в течение одного кардиоцикла.

На фиг.2 показана схема реконструкции графика реотомографической кривой, где изображена серия квазистатических электроимпедансных томограмм 46-53 с выделенной внутренней областью и соответствующие этой области оси координат – ось 54 времени и ось 55 реконструированного импеданса. Главным фактором, ограничивающим применение реотомографов, была невозможность прицельного выделения реографического сигнала с интересующей исследователя области тела пациента за счет наложения сигнала с соседних областей тела. Поэтому достоверное реографическое исследование некоторых органов, например почек, производилось в основном интраоперационно. Предлагаемый реотомограф позволяет существенно уменьшить эти проблемы, повысить пространственную точность и существенно расширить его неинвазивное (без нарушения целостности кожного покрова тела пациента) применение. Одним из достоинств настоящего реотомографа является уменьшение погрешности измерения распределения краевого (в общем случае – поверхностного) потенциала на теле пациента и увеличение соотношения сигнал-шум за счет конструкционных решений, примененных в каждом измерительном входном блоке 17-32. Кроме того, достоинствами настоящего реотомографа являются его универсальность, возможность управления его настройкой с ЭВМ, возможность подбора параметров зондирующего сигнала с учетом особенностей исследуемой области тела пациента, а также то, что на этапе настройки входных блоков 17-32 регистрируется привычная для врача функциональной диагностики многоканальная тетраполярная реограмма.

Настоящий реотомограф может быть изготовлен с использованием современной радиоэлектронной элементной базы и программного обеспечения. Наиболее эффективно настоящее изобретение может быть использовано для проведения обследования населения с целью выявления патологии внутренних органов.

Формула изобретения

1. Реотомограф, содержащий контактные электроды, аналоговые ключи, цифроаналоговый формирователь, центральный микропроцессор, соединенный шиной с ЭВМ, и входной блок, включающий управляемые усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок управления преобразованием сигнала, отличающийся тем, что в каждом из входных блоков управляемые усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор соединены последовательно, оперативное запоминающее устройство соединено шиной с микропроцессором, выход которого соединен с входом блока управления преобразованием сигнала, первый выход которого соединен с вторым входом управляемого аналого-цифрового преобразователя, а второй выход соединен с третьим входом управляемого усилителя, при этом первый и второй входы каждого управляемого усилителя соединены соответственно с двумя рядом расположенными контактными электродами, образующими пару, каждый микропроцессор соединен шиной с центральным микропроцессором, соединенным второй шиной с микропроцессором генератора, первый и третий выходы которого соединены соответствующими шинами с первыми входами первого и второго аналоговых ключей, второй выход микропроцессора генератора через цифроаналоговый формирователь соединен с источником постоянного тока, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторыми входами первого и второго аналоговых ключей, причем каждый выход первого аналогового ключа соединен с одним из выходов второго аналогового ключа и одним из контактных электродов.

2. Реотомограф по п.1, отличающийся тем, что количество выходов каждого аналогового ключа совпадает с количеством контактных электродов и входных блоков.

РИСУНКИ