電阻抗斷層掃描設備的製作方法

2023-10-04 07:19:29 1

專利名稱：電阻抗斷層掃描設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及提供表示患者身體一部分的內部的圖像，更特別地涉及通過測量置於 皮膚上的電極之間的電阻抗的手段獲得的上述圖像。
背景技術：
術語「斷層掃描」用於定義提供身體內部在預定平面上的圖像的方法。使用X射 線、磁共振、正電子發射、超聲以及電阻抗測量是用於提供這些圖像的最廣為人知的方法。 後者提供的優點除了非侵入之外，其還不會產生任何類型的潛在有害刺激，例如伴隨X射 線或強磁場發生的(潛在有害刺激)。而且，相比於這些後者，其使用基本上成本更低的設 備，並能用於不間斷地監視患者的狀況(這時前面提到的設備而言是不可能的)。電阻抗斷層掃描的原理創立於二十世紀七十年代末至八十年代初，1986年公開的 題為「斷層掃描」的引用文獻No. US 4，617，939可能是在該領域的開拓性的專利之一。根據 在該引用文獻中的描述，使用的方法包括與患者皮膚接觸地以規律間隔地放置多個電極， 通過在相鄰電極時之間施加3V的電壓而在體內感應50kHz和4mA的電流，以及測量其餘相 鄰電極對之間的電壓。在描述的實施例中，使用了 16個電極，得到了總計1456個電壓值。 採用對出現在電極平面中的阻抗提供二維表達的算法對這些測量結果進行分析。文獻No. US 4，920，490和No. US 5，381，333描述了同時對多個電極施加電流，其 中相對於用作參考的單個接地電極測量電極電壓。文獻No. US 4，272,6 描述了同時對多個電極施加電流，其中相對於用作參考的 單個接地電極測量電極電壓。由 P. Hua, J. G. Webster, W. J. Tompkins 在 1987 年第九屆 IEEE 醫藥與生物工程年 度會議上發表的題為"Effect of the measurement method on noisehandling and image quality of EIT imaging」的論文描述了使用電極對施加電流，對於所有其餘的相鄰電極 對的所獲得的電壓進行連續測量，並提及了可將電流施加在兩個完全相反的電極之間的效果。E. J. Woo等人為作者的、發表在IEEE生物醫學工程學報第39卷第7號上的、題為 「使 Measuring Lung Resistivity Using Electrical ImpedanceTomography，，的論文描述 了使用最佳模式的電流應用，測量相對於共同參考的結果限制電壓。由P. Hua等人在IEEE生物醫學工程學報第40卷第4號發表的題為 "FiniteElement Modeling of Electrode-Skin Contact Impedance in Electrical ImpedanceTomography」的文章描述了對相鄰的電極施加電流，測量相對於共同的參考電極 的結果電壓的方法。由 N. J. Avis 和 D. C. Barber 在期刊《Physiological Measurement)) 1994 年第 15 卷中發表白勺論文"Image reconstruction using non-adjacent driveconfigurations" 述了一種方法，其中電極之間的電流被施加在相鄰、交叉和極性的結構中，並測量不承載電 流的相鄰電極對之間的電壓。
2005 ip 8 ^ 16 H ^Jf ^H^"Equipamento para realizar tomografia de impedSncia el6trica」(執行電阻抗斷層掃描的設備)的巴西專利申請No. PI 0306103-5 中，根據作者描述了一種旨在提高高達每秒200副圖像的複雜系統。為此，對每個輸入頻道 使用了專用電壓測量單元，每個單元包括具有至少16比特解析度的A/D轉換器，能執行每 秒500萬次測量並使用通信網絡以80Mb/s的速度傳遞數據，其中在每個激勵處同時執行 電極的電壓測量。所述激勵可以存在於任意形狀的波中，該波由處理器生成且由D/A轉換 器處理，其後跟隨有可編程衰減器和互補放大器用於生成雙極電流信號。該文獻提供了從 IOkHz到2. 5MHz範圍內的信號的使用。耦合在放大器輸出處的測量裝置提供了通過處理器 反饋的信號，並調節衰減器以在輸出處提供預期的電流。饋送雙極激發信號給兩個多路復 用器，所述多路復用器以編程方式將電流饋送給應用於患者的終端，該編程允許將激發的 電流施加在鄰近或相對的終端，在執行斷層掃描的過程中連續地移動其位置。除了未對使用的方法提供充分詳細的說明之外，上述文獻描述的系統僅僅是框圖 級別的，且不包括任何關於單元的電路或物理分布的細節的信息。而且，沒有考慮如下事 實，即，這類設備並非用於隔離的環境，而是用在由於同時使用的設備(例如心電監護儀、 呼吸機、血壓血氧檢測設備等)而導致了電磁汙染的環境中。在所述文獻中，沒有考慮如 下情況，即，由於寄生電容和渦流電感，高頻將會以輻射方式或以耦合方式幹擾其他電路並 受到其他電路的幹擾，其將改變系統的相位和增益並產生交叉調製、過電壓、瞬時反應及其 他、同時惡化模擬和數位訊號。這些幹擾以噪聲的形式被觀察到，該噪聲影響圖像的重建， 削弱特定生理變化的分析或甚至致使其難以實施。就這一點而言，目前引用的申請沒有提 供關於可用來減小這些幹擾效果的手段的任何信息。在申請No.PI 0306103-5中進一步提到了，因為構成該申請的對象的系統可構造 為使用多達64個電極，因此圖像分辯率質量與使用已知技術所獲得的圖像解析度質量相 關地被提高。然而，電極數目的增加面臨實際的限制(上述數目的增加會引起信噪比的降 低)。而且，解析度受到電流的三維分散的限制，因此解析度的提高不能通過簡單地增加電 極的數目來無限制的增加。

發明內容
考慮到已經說明的上述內容，本發明的第一個目的在於提供電阻抗斷層掃描系 統，其中在不會對信噪比產生重要影響的情況下即可提高解析度。本發明的另一個目的在於提供一種不易受幹擾影響的系統，不論所述幹擾是來自 其它設備的輻射，還是來自渦流電流的感應和寄生電容導致的耦合和/或不平衡。本發明通過使用在各功能塊(邏輯和數字)之間提供最大對稱性的硬體結構而獲 得在此引用的和其它的目的。因此，設想的設備包括多個低電平信號採集單元，以及補充元 件和裝置，相對於至少一個時稱軸(可以是垂直的或水平的)基本上對稱的布置所述單元。根據本發明另一個特徵，將所述補充元件和裝置配置在由印刷電路板組成的至少 一個平面中，其與所述採集單元以對稱的方式電連接。有利地，基本上對稱的分布帶來的結果是這些單元中產生了基本上相等的熱輻 射，使得對模擬信號和共模抑制的校準任務變得容易。根據本發明的另一個特徵，上述設備包括包含所述元件和裝置的兩個平面，第一平面基本上用於處理所述模擬信號，第二平面基本上用於處理所述數位訊號。根據本發明的另一個特徵，所述第一和第二平面之間的距離相應於所述採集單元 的其中一個物理尺寸，例如其高度，以允許將其電連接到第一和第二平面。根據本發明的另一個特徵，每個採集單元包括一個或多個印刷電路板。根據本發明的另一個特徵，所述第一和第二平面沿水平方向。根據本發明的另一個特徵，所述第一和第二平面沿垂直方向。根據本發明的另一個特徵，所述第一和第二平面具有相同的尺寸和形狀。根據本發明的另一個特徵，所述第一和第二平面具有不同的尺寸和形狀。根據本發明的另一個特徵，由於所有承載低電平信號的線路具有相同物理長度的 事實，使得共模幹擾抑制變得容易，該事實既應用於將設備連接到患者的線纜，也應用於沒 備的內部導體。


通過對給出作為實例但不意在任何限制意義的的優選實施例以及作為其參考的 附圖的描述，本發明各個優點和特徵將更為顯而易見，其中圖1是本發明提出的對稱幾何分布的原理以及系統獲取的信號的傳遞路徑的示 意圖。圖2是注入到患者中的激勵信號的傳遞路徑的示意和簡化形式的示圖。圖3是示出了在其優選實施例中組成該設備的功能單元的空間布置的簡化分解 4是示出了構成本發明對象的設備的透視圖。圖5示出了在設備下面上的導電帶的示例圖。
具體實施例方式圖1和圖2示意性地示出了表示該設備的功能塊的空間分布的原理。這些塊包 括第一平面11和第二平面12，所述第一平面處理模擬信號，以及所述第二平面處理數字信 號。在優選實施例中，所述第一平面11水平地取向並處在較低位置，而所述第二平面12在 較高位置。然而，本發明的原理同樣也能應用於具有不同取向的平面，也能應用於具有不同 形狀和/或尺寸的平面。在圖1和2中，對所述較低平面提供有用於與線纜束13連接的裝置，由此提供了 該系統與應用到患者的電極組14的連接。優選的，所述連接裝置位於所述下平面11的中 央，由電極採集並通過纜線傳輸的信號以徑向對稱的方式分布到所述下平面的邊緣，其上 放置有信號採集單元15，為清楚起見，在圖中僅象徵性地顯示了三個。在這些單元中，信號 如箭頭所指地最初由模擬放大器進行放大，並隨後被數位化。為了提供更容易理解的過程， 實線16，17描繪的箭頭象徵性地表示模擬信號的傳遞路徑，而空白箭頭18，19示出了數字 信號的傳遞路徑。後者從單元15傳遞到上平面12的邊緣，從那裡傳遞到該平面的中央部 分，並將它們發送到運算和圖像顯示裝置(未示出)。圖2是生成激勵信號的示意性表示，其通過位於上平面12中的電路進行數字合 成。在優選實施例中，如箭頭20所指的，該信號可以是在被合成和濾波後傳遞到上平面的正弦波。與該信號一起，上平面發送注入序列的數字指令(箭頭21)到所述下平面，其中所 述下平面上布置有多路復用器和電流源，其中該電流源將信號轉換成由上平面的電流產生 的電壓，其中可將該電流通過電極14和線纜束13的集合施加到患者。在圖1和2中示出的幾何形狀基本上是圓柱體或近似於稜柱，處理單元15關於垂 直對稱軸Z等距離地布置。然而，這種形式可能難以以工業規模提供；以及也可能採取其它 形式，例如不失對稱性的規則的多邊形形狀(六邊形，八邊形等)。在優選實施例中，如圖3 和4所示，這些單元均勻地沿著方形的各邊布置。如示出的，這種布置保持了處理單元27相 對於軸X和Y的對稱性，以及保持了下平面25和上平面沈相對於所述軸形成的平面的對 稱性。處理單元27的邊緣位置沿著上下平面形成的方形的邊界，這在熱透性上是有利的， 其提供了相似的熱輻射狀況，因此所有的這些單元在基本上相同的溫度下操作。圖3是設備優選實施例的分解圖，示出了其包括四種類型的板，即 用於處理低電平信號的多個採集單元27，這些單元中的每一個包括兩個採集 塊，每個採集塊與激勵/採集線纜相關聯； 第一平面25，由方形板細成，包括多路復用電路和電流源。該板配置有沿其邊界 的連接器，所述單元27耦合於所述連接器。在給出示例的實施例中，所述第一平面處於下 部位置，構成所述平面25的板在其中間區域配置有一組用於連接到信號注入或採集線纜 的近端的終端M ； 與所述第一平面平行的第二平面26，由沿其邊界提供的方形板組成，具有與單 元27的上端部接觸的裝置。在示出的示例的實施例中，包括數位訊號處理電路的該第二平 面被配置在上部位置； 接口板32，與構成上平面沈和下平面25的板的中央部分電連接。在該圖和圖4中所示，所述板以「立方」體布置安裝，更恰當的說是方形平行六面 體的形式。如前所述，下板25的下(外部)面配置有四個連接條M，其終端與互連線纜的 近端電連接，選擇性地表示為一束線纜四，所述線纜承載激勵信號和由與患者皮膚相接觸 地配置的電極所採集的響應，在本發明示例的實施例中使用了 32條線纜。在本示例的實施例中，單元27構成由兩個採集塊形成的模塊，以及因此兩條線纜 與每個模塊相關聯。其它實施例是可能的，並且與每個模塊的採集塊數目相對應的，每個模 塊可與1、4或更多個線纜相關聯。如圖中用虛線表示的，線纜束四位於下板25下方並且 線纜各自連接到條M中的相應終端。根據圖4所示，由所述線纜(在該圖中未示出)承載的信號從平面25中央的終端 條M傳遞到該板的邊界處，該路徑由箭頭34象徵性地表示。如圖5所示，在板25的周邊 提供了連接器37，單元27的下邊界插入該連接器。這些單元包括位於其下部區域的、用於 放大由電極(未示出)採集的信號的高敏感模擬電路。這些電路包括能夠消除共模幹擾的 相位和增益調節裝置，該裝置可由手動可調電阻(「微調電阻」)或執行相同功能的數字裝 置提供，在後者中，調節存儲在存儲器中。所述採集單元的上部27b包括A/D轉換器電路， 其對模擬部分27a放大的信號進行數字編碼，隨後如箭頭35象徵性表示的，將其傳遞到上 平面26。為了保護承載低電平信號的導體之間的電對稱性，將終端條31接合到連接器37 的帶的布圖被配置用於補償沿板25的邊界位於不同位置的連接器和所述終端之間的幾何距離的差。因此，根據圖5所示，帶38b，38c和38d的布圖被配置為得到與條38a相同的長 度。以這種布圖，寄生電感和電容以及由外部電磁場號致的噪聲會變得大致相同，因此使得 由共模抑制導致的噪聲減小。因此，從電的角度來看，所有採集塊與板25和沈的中央是等距離的，因此到互連 上板和下板的接口板觀也是等距的。進一步，所述塊的空間布置提供了均勻輻射和傳導的 熱，因此所有的模擬電路在基本上相同的溫度下操作，減小了由溫度導致的共模抑制的變 化。採集單元27中最靠近板25的部分(在示出了的實施例中是下部區域27a)包括 用於對輸入信號進行模擬處理的電路，其包括用於相位和增益的各個補償以消除共模幹擾 的裝置。所述採集單元的板的上部27b包括用於對信號進行數字處理的電路，其包括信號 的從模擬到數字的轉換，隨後通過位於板沈邊界的連接器(未示出)將該數位化的信號傳 遞到解調和控制平面。該板包括存儲採集電極輸出的信號值的寄存器，該信號值的讀取由 採集單元同時執行。板沈進一步包括激勵信號產生電路和讀取定序器。圖2中的箭頭20 和21以及圖4中的37象徵性地表示了激勵信號和讀取定序器上的信息分別傳輸的路徑。雖然基於優選實施例描述了本發明，但是要指出的是，在發明的概念沒有落在本 發明範圍之外的情況下，可在其基本概念中弓丨入各種變化。因此，例如，構成一組的上平面和下平面可具有不同的尺寸，因此構造為例如具有 截頭金字塔形狀的實體。然而，在備選實施例中，也可相對於平面的中央以徑向方向對稱地 配置採集單元。而且，在另一個實施例中，可以僅採用其中一個平面，例如下平面，在這種情 況下，採集單元的數字處理電路可位於模擬處理電路的旁邊，而不是在前面詳述的示例的 實施例中採用的在其之上。因此，本發明由如下的權利要求書進行定義和限定。
權利要求
1.一種電阻抗斷層掃描設備，包括多個採集單元(15，27)，以及補充元件和裝置，所述 採集單元具有用於處理由多個纜線(13，29)採集的低電平模擬信號的電路，所述纜線用於 將所述設備與應用於患者的電極(14)互連，其特徵在於，相對於至少一個對稱軸(X，Y，Z) 基本上對稱地配置所述採集單元。
2.如權利要求1所述的設備，其特徵在於所述至少一個對稱軸是垂直的軸(Z)。
3.如權利要求1所述的設備，其特徵在於所述補充元件和裝置包含在由印刷電路板構 成的至少一個平面(11，25，26)中，其與所述採集單元(15，27)以對稱的方式電連接。
4.如權利要求3所述的設備，其特徵在於所述採集單元包括兩個並排配置的區域，該 區域中的一個包括用於信號的模擬處理的電路，另一個包括用於信號的數字處理的電路。
5.如權利要求3所述的設備，其特徵在於所述採集單元(XT)包括下部區域07a)，其 包含用於信號的模擬處理的電路，以及上部區域07b)，其包含用於信號的數字處理的電 路。
6.如權利要求4或5所述的設備，其特徵在於每個採集單元(XT)包括至少一個印刷電 路板。
7.如權利要求6所述的設備，其特徵在於所述補充元件和裝置被包括在相互平行配置 的第一平面(11,2 和第二平面(12，26)中。
8.如權利要求7所述的設備，其特徵在於所述第一平面(11，25)包括基本上配置用於 處理模擬信號的裝置，以及所述第二平面(12，26)包括基本上配置用於處理數位訊號的裝置。
9.如權利要求1所述的設備，其特徵在於所述至少一個對稱軸是水平軸(X，Y)。
10.如權利要求9所述的設備，其特徵在於包括定義水平面的兩個對稱軸(Χ，Υ)。
11.如權利要求1，3，8或10所述的設備，其特徵在於所述第一(11,25)和第二 (12,26) 平面相對於由所述兩個水平軸(Χ，Υ)形成的水平面平行地配置。
12.如權利要求8所述的設備，其特徵在於所述第一平面(11，25)與所述採集單元 (27)中鄰近包括所述模擬處理電路的區域07a)的邊07c)電連接，以及所述第二平面 (12，26)與所述採集單元中鄰近包括所述數字處理電路的區域07b)的邊電連接。
13.如權利要求12所述的設備，其特徵在於所述採集單元(15，27)配置在第一05)和 第二 06)平面之間，並相對於至少一個對稱軸(X，Y，Z)對稱地布置。
14.如權利要求13所述的設備，其特徵在於所述採集單元(15)相對於垂直的對稱軸 (Z)對稱地布置。
15.如權利要求13所述的設備，其特徵在於所述採集單元07)沿所述第一05)或第 二 06)平面中的至少一個的邊界均勻地布置。
16.如權利要求12，13，14或15所述的設備，其特徵在於構成所述設備的板的空間布置 構成了幾何實體。
17.如權利要求16所述的設備，其特徵在於所述第一和第二平面具有相同的尺寸和形狀。
18.如權利要求17所述的設備，其特徵在於所述幾何實體的形狀為稜柱，其各邊是 所述採集單元(15，27)，其下基部和上基部分別是所述第一平面(11,2 和所述第二平面 (12,26)。
19.如權利要求18所述的設備，其特徵在於所述幾何實體具有方形基部的平行六面體 的形狀。
20.如權利要求12，13，14或15所述的設備，其特徵在於所述第一和第二平面具有不同 的尺寸。
21.如前述任一權利要求所述的設備，其特徵在於所述第一和第二平面通過至少一個 接口板(32)互連。
22.如權利要求21所述的設備，其特徵在於所述接口板(32)基本上被置於構成所述第 一(11，25)和第二(12，26)平面的板的中央。
23.如前述任一權利要求所述的設備，其特徵在於構成所述第一平面05)的印刷電路 板包括所述互連線纜09)的近端的連接元件04)。
24.如權利要求M所述的設備，其特徵在於所述連接元件04)布置在所述板05)上 的基本上中央的位置。
25.如權利要求25所述的設備，其特徵在於所述連接元件通過所述板0 上配置的條 連接到採集單元(27)，所述條(38a，38b，38c，38d)構造為具有基本上相同的長度。
全文摘要
描述了一種電阻抗斷層掃描設備，試圖通過使用在置於皮膚上的電極之間的電阻抗測量方法，提供表示患者身體一部分的內部的圖像，其包括多個具有用於處理由纜線(13，29)採集的低電平模擬信號電路的採集單元(15，27)，所述纜線與所述設備與施加在患者上的電極(14)相互連接，所述採集單元基本上對稱地布置，使得在這些單元生成的熱輻射基本上相同，從而使得邏輯通道和共模抑制的校準變得容易。該設備更進一步包括至少一個由印刷電路板構成的平面，所述單元與其電連接，所述平面包括補充元件和裝置，例如用於所述纜線的電連接終端。
文檔編號A61B5/053GK102065760SQ200880110065
公開日2011年5月18日 申請日期2008年9月25日 優先權日2007年10月3日
發明者A·霍爾扎克, E·L·馬克圖拉 申請人:Dixtal生物製藥工業貿易有限責任股份公司