专利名称：用于电阻抗断层成像的方法
技术领域：
本发明涉及用于电阻抗断层成像(Elektroimpedanztomographie)的一种方法。
背景技术：
电阻抗断层成像(EIT)在医学应用中正日益广泛。典型的EIT设备采用了 8、16或32个电极以进行数据获取，其中通过两个电极来提供电流，并在其他的电极之间测量所产生的电压。通过组合不同的供电和测量，成功地生成一个信号向量，借助一种合适的算法从该信号向量中可以确定阻抗分布，或者在函数EIT (fEIT)情况下可以确定该阻抗分布相对 于电极平面中参照值的相对变化。后者被用在与状态有关的胸部函数电抗，其中N个电极成环形围绕胸部设置，以由不同肺状态、比如吸气结束和呼气结束时信号向量的比较来重建通气所决定的相对阻抗变化的截面图，其中该阻抗变化是肺通气的局部分布的尺度。胸部fEIT良好地适于尤其在医院中重症监护病房中通气的局部分辨的肺监控。用于电阻抗断层成像的一种装置比如在US 5 919 142 A中被公开。一种经常使用的数据采集策略是所谓的相邻数据采集，其中通过两个相邻的电极来提供电流，并在剩余的电极之间相邻地测量电压，其中通电的电极由于在通电的电极上的未知电压降而被略过。对于一个供电位置从而得到十三个电压值。对于通过下一电极对所进行的供电，则重新得到了十三个电压，如此使得总共存在16*13=208个电压测量值，由这些电压测量值利用适合该数据采集方式的一种重建规则可以确定阻抗分布，或者在采用208个参照电压时阻抗分布的相对变化。一个这样的数据组至少一次地而不重复地包含有所有独立的测量，并被用于重建EIT图像，该数据组被称作“帧”。一个子区域的数据组是一个“子帧”。还有通过多个电极进行供电和/或电压测量的其他许多数据采集模式，其由于互换性而是等效的。相邻数据采集模式的优点是完全的数据空间，因为其不再是独立的测量值。所有其他的数据采集模式由于所谓的纽曼-狄利克雷(Neuman-Dirichlet)成像的
线性鳥⑴而能够由相邻数据采集模式的数据空间来简单地进行构建，它可以容易地在
EIT硬件上被成像，并拥有高的灵敏度用于确定相对的阻抗变化。存在不同的重建方法，以由所测量的电压来推断在电极所包围的区域内部中的阻抗分布。比如用于重建方法的是背投影方法、基于卡尔曼滤波器的技术或基于灵敏度的、以有限元模型为基础的牛顿拉夫森方法。后者由于灵活性较大而目前经常被采用。所有当前的EIT系统在数据采集和重建中都具有一个共同点。其仅仅基于全部电极组的数据分析而工作。然而在临床实践中经常可能出现以下的情况，即比如由于绷带或引流而不能实现一个电极或多个电极与皮肤的电接触，尤其在采用易于手持的电极带时，在此不能任意地改变电极位置。这种无接触的电极在下文中被称作故障电极。在这种情况下当前的EIT系统失效。在最差情况下该系统进入未定义的状态，在最佳情况下进入所定义的状态，并且如果一个或多个所述故障电极再次接触，那么才能获得可进一步利用的数据。当前的EIT系统在任何情况下都不提供在去关联情况下可分析的数据，因为数据采集和重建都没有针对电极的失效来设计。
发明内容
本发明所基于的任务是说明用于电阻抗断层成像的一种方法，以在存在至少一个故障电极时能够进行分析和重建。该任务通过权利要求I的特征而得到解决。根据本发明的方法包含有以下的步骤，
借助阻抗测量把不具有身体接触的至少一个电极识别为故障电极，
如此来进行供电，使得至少该故障电极(A)被跳过(uebersprungen),以及以如下方式来确定在故障电极(A)区域中越过该故障电极(A)的电势即该故障电极(A)至少一次地被跳过。
该装置的控制或重建软件如此来设计，以尽管至少一个电极故障或不可用而仍然通过跳过该故障电极或多个故障电极而获得测量数据。借助与该运行状态相匹配的数据分析，来确定阻抗分布或相对阻抗分布，其与在全功能下所获得的结果“基本没有”差别。“基本没有”比如意味的是，在全功能和有限功能之间(f)EIT图像值的像素差不再差别大于一个预给定的值或像素预给定值，使得还能够进行医学解析。该EIT系统在此能够在错误不能消除的情况下自动地识别故障电极，提供消息给使用者，并与数据获取模式(DAQ模式)和重建相匹配。用于电阻抗断层成像的该装置如此来实施，使得在用于供电以及必要时电压测量的一个电极或多个电极故障时该EIT系统采用一个定义的状态，并且优选地通过电极-皮肤接触过渡阻抗测量来连续地监控各个电极的功能。如果比如电极-皮肤接触过渡阻抗高于某个阈值Zrat，那么该电极就被视为无功能的，并且如果其低于某个阈值Zin，那么其就重新被视为有功能的，其中Zin彡Zrat (迟滞开关)。该索引“in”表示在一个允许的阻抗范围之内，“out”表示在允许的阻抗范围之外。在一个或多个电极被确定无功能时，该EIT系统的硬件如此来构造，使得通过控制如下地改变数据采集，即供电以及必要时的电压测量至少跳过该故障电极，使得该故障电极不再参与供电以及必要时的电压测量，但通过跳过供电和必要时的电压测量从所述故障电极的敏感区域中重新可得到电信息。在一个或多个电极被确定无功能时，该EIT系统的软件如此来构造，使得该重建规则与变化的数据采集相匹配，从而由此重建的阻抗或阻抗变化或相对阻抗变化除了分辨所决定的微小差别之外与标准重建没有差别，并保持获得该EIT图像的基本信息。在一个或多个故障电极被确定重新有功能时，该EIT系统的硬件如此来构造，使得有关的电极再次通过控制而被集成到按照所采用的标准DAQ模式通过供电和电压测量而进行的正常数据采集中。在一个或多个故障电极被确定重新有功能时，该EIT系统的软件如此来构造，使得与具有再次集成的电极的标准DAQ模式相对应的重建规则被用于确定阻抗或阻抗变化或相对阻抗变化。本发明方法的优点是，可利用这种EIT系统使用的EIT测量本身在故障电极情况下可以以最小的信息损失而被实施。EIT系统或EIT装置在没有这种方法的情况下或者完全不能测量、或者在能测量的情况下随着测量的损失而带来区域相关的灵敏度损失，使得图像的重建视所基于的基础-DAQ模式而定地包含有模糊区域直至盲区域。对于相邻DAQ模式，由于大的敏感性和最大的数据空间，干扰是最大的，在其间具有电极(在下文中称作支撑(Spreizung))的DAQ模式中，干扰取决于支撑而应该更小，因为已经在标准中设置有跳过。干扰为此可能由于典型较差的基本敏感性和分辨而随着支撑的变大而更广泛。但这种DAQ模式视支撑而定地也得益于跳过原则，因为通过跳过，一旦到达故障电极，不是增加了测量的损失，而是恢复了信息。在根据本发明的EIT装置中，通过跳过供电/电压测量，数据空间被尽可能大地充分利用，并通过相应匹配的重建，使EIT图像中的信息 损失最小化，使得该EIT图像继续保持可解析。就内容来说，该N电极EIT系统转变为一个N-D电极EIT系统，其中N是所采用的电极的总数，D是故障电极的数量。这与在参与的故障电极上忽略供电和电压测量而不跳过相比有根本的差别，因为在此数据空间没有被N-D电极足够地覆盖，而在跳过的情况下数据空间被N-D电极最大地覆盖。这同样是与许多可能的DAQ模式和所属的重建规则(DAQ/REC)相比的根本差别，其利用位于其间的电极进行供电模式，和/或利用位于其间的电极进行电压测量，因为在所有情况下都相同的是，该N电极系统的每个电极都被询问(angesprochen)。相应的重建规则始终基于N电极、短型DAQ/REC(N)，而在本发明的方法中故障电极保持完全被略过。
在附图中解释了具有所属数据采集的一个16电极EIT系统的例子。其中
图I示意性示出了利用三个电极的阻抗测量的原理，
图2示出了一种数据采集模式的示意性图示，
图3示出了具有一个故障电极的分析方法的示意性图示，
图4a_4c不出了利用一个故障电极供电的例子，
图5a_5c示出了对应于图4a_4c的重建。
具体实施例方式在图I中示出了三-点电极-皮肤接触阻抗测量的原理。由一个电流源3通过两个电极1、2来提供电流I。该电流通过左边的电极I流入身体4，并通过右边的电极2又流出。该身体4由用于接触电极1、2的上皮层5、和较深的皮和组织层6组成。由一个通电的电极相对于一个无电流的参照电极来测量电压。在过渡至身体内部时在通电的电极I上产生主电压降。在身体本身中阻抗是相对低的。相对于无电流的电极7来测量电势降，因为在此由于I=O而在其电极-皮肤接触上不发生电压降。在电极1、7之间的阻抗Ze=U/I从而基本上是所关注的通电的电极I的电极-皮肤接触过渡阻抗。所有电极的电极-皮肤接触过渡阻抗从而至少准连续地被测量，典型地每个子帧一次测量。如果电接触是不可能的，那么由于I — 0而使阻抗急剧上升。在图2中示出了在16-电极EIT系统的相邻DAQ模式中数据采集的例子。子帧I:借助电流源3在电极对a =1之间进行供电。测量在电极对U =3... 15之间的所有电压，比如用U =6和下面的旋转箭头8来表示。具有通电的电极的电极对不被测量，因为电极-皮肤接触过渡电阻或者是未知的或者由于波动而太不精确。对于供电位置a=l从而得到十三个电压测量值。这针对供电位置或子帧a =2、a =3. . .、a =16被重复，用流向箭头9来表示。对于每个新的电流位置，测量在其余相邻的无电流电极之间的十三个电压。得到16*13=208个测量值，或由于在交换供电位置和测量位置情况下的互易性而得到104个线性无关的测量值。在此可以如下所列来进行索引。该模式的具体实现取决于所基于的硬件。Ua ⑷=Ua (Ili)
U , a =1， ，16 电极
a ( U ) -^m G [I, . . . , 208]通道
m=l 对应于(ii =1，a =3) m二2 对应于(U =1, a =4)
=208 对应于(U =16，a =14)
在图3中对应于图2以具有相邻DAQ模式和电极A故障的一个16-电极EIT系统为例子借助电路框10示意性图示出了该测量方法。这十六个电极连同根据DAQ样式基础13的DAQ控制12 —起连接到一个DAQ电路11。故障电极通过超出或低于阻抗Ztjut或阻抗Zin的阈值而被识别，其中典型地Zin小于Zwt (迟滞阈值)。借助一个阻抗监控单元14来进行分析。通过DAQ硬件来实施供电样式和电压测量。比如级联状多路复用器电路能够相应于预给定的DAQ样式来实现电极对以用于供电和电压测量。这208个电压测量值和十六个电极-皮肤接触过渡阻抗的测量值被读出，并典型地到达一个A/D变换器15，并经历预处理。电压测量值到达计算单元16以进行重建和图像处理，并基于来自数据库18的重建规则、REC规则而被进一步处理，并通过显示单元17而被输出。这十六个电极-皮肤接触过渡阻抗被续传到该阻抗监控单元14。在该例子中，电极A=13由于高于阈值Zrat的过高阻抗值而被识别为故障电极。该系统采用一个所定义的安全状态。该信息被续传到一个数据库，在该数据库中存储有针对在无故障电极的标准情况的、以及针对(DAQ-OO)、以及针对十六个不同故障电极DAQ-01. . . DAQ-16的不同DAQ样式，以及可能还存储有可能多个故障电极的其他样式。针对故障电极A的跳过样式DAQ-13被加载到该DAQ控制中。该DAQ单元现在如此控制所述电极，使得电极A以所定义的方式由供电和电压所跳过，这在图3中利用虚线19通过断开的开关来表示。该跳过样式可以使硬件可能性而定而变化。DAQ现在相应于故障电极A的新DAQ样式来开始数据记录。数据被读出、A/D变换，并到达计算单元16和阻抗监控单元14。该故障电极A的信息由该阻抗监控单元14同样传导到与所属DAQ模式相对应的重建规则的数据库18，其中这些DAQ模式已经被事先计算。该数据库包含有无故障电极的标准重建规则(REC-00)、一个故障电极的16种不同可能(REC-01. . . REC-16)以及可能还有更大故障电极数量的其他规则。当然，不同的重建规则也可以完全或部分地按照存储空间和计算能力的分布情况而当场计算。DAQ模式和重建模式的询问和数据结构同样可以是不同的，重要的是，始终需要二者一起变化DAQ和重建规则。 用于跳过故障电极A的重建规则REC-13被加载，并传送到该重建和图像处理单元。在新的DAQ模式、DAQ-13中所测量的电压现在可以以最小化的信息损失来重建、分析、显示以及必要时存储。如果该电极A的输入阻抗再次低于一个阈值Zin或者其他的电极发生故障，那么其就被该电极阻抗监控单元来标记，并类似地以如下方式来反应，即始终能够生成尽可能好的图像质量。在图4a至4b中示出了在故障电极A区域中供电的不同DAQ样式。图4a示出了无干扰的供电和电压测量的弧20，在那里全部十六个电极与皮肤表面相接触。在图4b所示的情况中，故障电极A不接触，并且其在数据采集时被简单地忽略。弧21在此表示忽略的供电和电压测量。
简单地忽略而不跳过，导致非常不满意的结果。比如在仅一个故障电极的情况下丢弃了 52/208测量、也即全部数据的1/4，这是两个完整的子帧，并且是其他每个子帧中的两次测量！这导致在该故障电极A附近区域中没有信息，这在图4b中表示为“盲点”22。这导致在该区域中在EIT图像中的强烈干扰。如图4c所示，在跳过该故障电极A时，即使具有差一些的分辨，也可以从有关的区域中恢复信息的大部分，这导致可用的EIT图像。在直接跳过时，利用相邻的电极B、C利用15个电极得到15*12=180次测量，在两个故障电极时利用一种相邻模式得到14*11=154次测量。关于故障电极A需要至少一个跳过23。不仅提供了比在忽略时更多的数据，而且首先数据对有关区域中的阻抗变化是敏感的，这意味的是明确的信息获取。通过越过该故障电极A的附加的跳过24、25，可以进一步对重建进行改善。该跳过24开始于在电极B前面的电极D，并直至电极C。该跳过25开始于在该电极C前面的电极E，并直至电极B。具体的跳过的方式和方法在此取决于具体的硬件解决方案，比如多路复用器级联的具体实施。在图5a至5c中示出了在受检者肺通气的EIT图像中故障电极A的影响。数据利用一种16-电极EIT系统以相邻DAQ模式而记录。图5a对应于具有全部16个电极的完全数据组的图4a。在图5b中示出了对应于图4b的在不允许地忽略故障电极A周围的有关测量时盲点22的效果。图5c示出了通过跳过测量的具有轻微分辨损失的信息的恢复。由图5a至5c得知，利用根据本发明的所述跳过方法完全保持获得EIT的功能性和可解析性。参考符号列表
1左电极
2右电极
3电流源
4身体
5上皮层
6较深组织层
7无电流的电极
8下旋转箭头
9流向箭头
10电路框图
11DAQ电路12DAQ控制
13DAQ样式基础
14阻抗监控单元
15A/D变换器
16计算单元
17显示单元
18数据库
19虚线
20无干扰测量的弧
21省略测量的弧
22盲点
23，24，25跳过
A故障电极
B，C故障电极的相邻电极
D，E相邻电极的前面的电极。
权利要求
1.一种用于借助用于电阻抗断层成像的装置来进行数据采集的方法，其中电极按照间距导电固定在受检者的身体区域上，以便借助重建算法从通过经由电极对的供电而在剩余电极上引起的电势差测量中来生成由电极所包围的横断面上的电阻的映像， 具有以下的步骤， 借助阻抗测量来把不具有身体接触的电极识别为故障电极(A)， 如此来进行供电，即至少该故障电极(A)被跳过，以及 在该故障电极(A)的区域中越过该故障电极(A)以如下方式来确定电势即该故障电极(A)至少一次被跳过。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，进行通过与该故障电极(A)相邻的电极(B，C)的第一跳过(23)。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，在另一跳过(24，25)中，除了该故障电极(A)，与该故障电极(A)相邻的电极(B，C)也被跳过。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在第二或第三跳过(24，25)中使用相邻电极或其它的相邻电极的前面或后面的电极之一(D，E)。
全文摘要
本发明涉及一种用于电阻抗断层成像的方法，以在存在故障电极(A)时能够进行分析和重建。该方法特征在于以下的步骤，借助阻抗测量来把不具有身体接触的一个电极识别为故障电极(A)，如此来进行供电，使得至少该故障电极(A)被跳过，以及在该故障电极(A)的区域中越过该故障电极(A)以如下方式来确定电势，即该故障电极(A)至少一次被跳过。
文档编号A61B5/053GK102670198SQ201210069969
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者T.加卢斯, Y.格贝尔 申请人:德尔格医疗有限责任公司