AT506293A4 - Verfahren zur abbildung eines objekts und vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Description

  Die Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere Tomographieverfahren, zur Abbildung der elektrischen Leitfähigkeit eines Objekts, wobei dem Objekt über zumindest eine Elektrode ein elektrischer Strom bzw. eine elektrische Spannung eingeprägt wird, und die Reaktion des Objekts auf den eingeprägten Strom bzw. die eingeprägte Spannung mit zumindest einem Detektor erfasst wird, und aus den detektierten Daten die räumliche Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit des Objekts rekonstruiert wird. 

  
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, insbesondere einen Tomograph, zur Durchführung eines Verfahrens zur Abbildung der elektrischen Leitfähigkeit eines Objekts mit zumindest einer Stromquelle bzw. einer Spannungsquelle zur Einprägung eines elektrischen Stroms bzw. einer elektrischen Spannung über zumindest eine Elektrode in das Objekt, zumindest einem Detektor zur Erfassung der vom Objekt ausgehenden Reaktion ,auf den eingeprägten Strom bzw. die eingeprägte Spannung, und einer Einrichtung zur Rekonstruktion eines Abbildes des Objekts aus den erfassten Daten. 

  
Das gegenständliche Verfahren und die gegenständliche Vorrichtung lässt sich sowohl als tomographisches Verfahren bzw. tomographische Vorrichtung als auch mikroskopisches Verfahren bzw. mikroskopische Vorrichtung anwenden. 

  
Unter den Begriff "Objekt" fallen verschiedenste dreidimensionale und zweidimensionale Gebilde, beispielsweise ein. menschlicher Körper bzw. ein Teil eines menschlichen Körpers. 

  
Zu den traditionellen bildgebenden Verfahren, die im Speziellen Abbildungen für medizinische Anwendungen liefern, zählen auf ionisierenden Strahlen basierende Tomographieverfahren, thermoakustische Verfahren, elektrische 

  
Impedanztomographieverfahren, Ultraschallverfahren und Magnetresonanztomographieverfahren. Diese Verfahren liefern zum Teil sehr detaillierte Bilder der Objekte und sind deshalb weit verbreitet. Nichtsdestoweniger weisen die bekannten Verfahren auch Nachteile auf. Zum Einen werden im Falle der Untersuchung lebender Organismen diese einer gefährlichen Strahlung ausgesetzt.  wie z.B. bei der Anwendung von Röntgenstrahlen- und Computertomographieverfahren. Zum Anderen stellt beispielsweise die Magnetresonanztomographie ein sehr kostenintensives Verfahren dar. Während Ultraschallverfahren in gewissen Bereichen eine gute Auflösung bieten, sind diese Verfahren für manche Bereiche der Medizin nicht geeignet und werden für tomographische Verfahren nicht eingesetzt. 

  
Zwei neue alternative Tomographieverfahren sind die sogenannte thermoakustische Tomographie (TACT) und die elektrische Impedanztomographie (EIT) . 

  
Beim thermoakustischen Tomographieverfahren (TACT) wird das zu untersuchende Objekt mit Mikrowellen oder einem Laserpuls thermisch angeregt (M. Xu, L.V. ang, Photoacoustic Imaging in Biomedicine; Review of Scientific Instruments 77, 041101, American Institute of Physics, 2006) . Infolge der verursachten thermischen Ausdehnung im Inneren des Objekts wird eine Druckverteilung erzeugt, die eine akustische Welle induziert. Der dabei erzeugte Schalldruck ist proportional zur räumlichen Verteilung der absorbierten Energie. Die thermoakustische Tomographie rekonstruiert diese räumliche Verteilung im Objekt aus den ausserhalb des Objekts gemessenen Schallwellen. Die Rekonstruktion der absorbierten Energie erfolgt über bestimmte mathematische Algorithmen (M. Haltmeier, T. Schuster, 0.

   Scherzer, Fil tered Backprojection for Thermoacoustic Computed Tomography in Spherical Geometry, Mathematical Methods on the Applied Science 28, pp 1919-1937, 2005). Die Anforderungen an den Algorithmus sind hohe Genauigkeit und Schnelligkeit. Da beispielsweise kanzerogenes Gewebe und gesundes Gewebe stark unterschiedliche Absorptionskoeffizienten aufweisen und die thermoakustische Tomographie eine gute Auflösung bietet, ist mit diesem Verfahren eine gute Unterscheidung der beiden Gewebetypen möglich. 

  
Beim elektrischen Impedanztomographieverfahren (EIT) wird dem Objekt über Elektroden ein Strom bzw. eine Spannung eingeprägt (M. Cheney, D. Isaacson, J.C. Newell, Electrical Impedance Tomography, Society for Industrial and Applied Mathematics 41, pp 85-101 ,1999). Dabei wird der eingeprägte elektrische Strom bzw. die eingeprägte elektrische Spannung bei medizinischen Untersu chungen am lebenden Organismus so gewählt, dass es zu keinen unerwünschten Nervenstimulationen kommt. Die resultierende elektrische Spannung bzw. der resultierende elektrische Strom wird über dieselben Elektroden gemessen. Dieser Prozess wird für verschiedene Konfigurationen des eingeprägten Stroms bzw. der eingeprägten Spannung wiederholt. Aus den gemessenen Spannungsbzw. Stromwerten wird die elektrische Leitfähigkeit des Objekts bestimmt.

   Die Regionen unterschiedlicher Leitfähigkeit innerhalb des Objekts, wie beispielsweise Blut, Knochen, Lungengewebe etc., können dann mit hohem Kontrast abgebildet werden. Der hohe Kontrast sowie die kostengünstige und flexible Einsetzbarkeit der elektrischen Impedanztomographie stellen die Vorteile des Verfahrens dar. 

  
Die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit bei der elektrischen Impedanztomographie erfolgt über einen mathematischen Algorithmus. Das Problem dabei ist, dass es sich um ein nichtlineares, inverses, extrem instabiles Problem handelt und die Rekonstruktion der Leitfähigkeit nicht stabil erfolgt. Die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des Objekts bei der elektrischen Impendanztomographie erfolgt aus den über die Oberfläche des Objekts gemessenen elektrischen Strömen bzw. elektrischen Spannungen. Diese an der Oberfläche des Objekts vorgenommenen Messungen weisen nur eine sehr geringe Abhängigkeit von der räumlich variierenden Leitfähigkeitsverteilung im Inneren des Objekts auf, wodurch eine geringe Auflösung resultiert.

   Auch durch eine Erhöhung der Anzahl der verwendeten Elektroden oder der Messgenauigkeit kann nur eine geringe Verbesserung des Auflösungsvermögens erreicht werden. Die Auflösung ist im Vergleich zu anderen Tomographieverfahren relativ schlecht. 

  
Beispielsweise beschreibt die WO 2007/089062 AI ein oben beschriebenes elektrisches Impedanztomographie-Verfahren. 

  
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines oben genannten Verfahrens und einer oben genannten Vorrichtung zur Abbildung eines Objekts, welche sich durch eine möglichst hohe Auflösung und einen möglichst hohen Kontrast in der elektrischen Leitfähigkeit auszeichnet. Dabei soll eine op timale Bildqualität und Auflösung bei vertretbarem Aufwand zur Rekonstruktion der Bilddaten erzielt werden. Nachteile bekannter Verfahren und Systeme der Impendanztomographie sollen vermieden bzw. reduziert werden. 

  
Gelöst wird die erfindungsgemässe Aufgabe in verfahrensmässiger Hinsicht dadurch, dass dem Objekt Impulse des elektrischen Stroms bzw. der elektrischen Spannung eingeprägt werden und die im Inneren des Objekts absorbierte elektrische Energiedichte über die aufgrund der thermischen Ausdehnung durch die eingeprägten elektrischen Impulse induzierten akustischen Wellen mit zumindest einem vom Objekt beabstandeten Detektor erfasst werden und aus den erfassten Daten die räumliche elektrische Leitfähigkeit des Objekts rekonstruiert wird.

   Das erfindungsgemässe Verfahren stellt also eine Kombination eines elektrischen Impedanztomographieverfahrens mit einem thermoakustischen Tomographieverfahren dar, indem ein elektrisches Impedanztomographieverfahren mit ähnlichen Mitteln, wie bei thermoakustischen Tomographieverfahren durch Rekonstruktion der elektrischen Leitfähigkeit und nicht der absorbierten optischen Energie verbessert wird. Dabei werden die Vorteile der hohen Auflösung aus dem thermoakustischen Tomographieverfahren mit dem hohen Kontrast aus dem elektrischen Impedanztomographieverfahren miteinander kombiniert. Der wesentliche Vorteil dieses hybriden bildgebenden Verfahrens bzw. sogenannten Impedanz-Akustik-Tomographieverfahrens liegt in der stabilen Rekonstruktion der räumlichen elektrischen Leitfähigkeit, welche beim elektrischen Impedanztomographieverfahren nicht möglich ist.

   Das erfindungsgemässe Verfahren ermittelt die im Inneren des Objekts absorbierte elektrische Energie, wodurch eine höhere Auflösung resultiert, welche beim elektrischen Impedanztomographieverfahren nicht möglich ist. Daraus ergibt sich eine Reduktion der messtechnischen Anforderungen. Das Verfahren ist auch relativ kostengünstig und flexibel durchführbar. 

  
Vorteilhafterweise ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Impulse des eingeprägten elektrischen Stroms bzw. der eingeprägten elektrischen Spannung gross gegenüber der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen im Objekt, welche eine wichtige Voraussetzung zum Erhalt des Modells der elektrischen Impedanz tomographie ist. 

  
Die Impulse des eingeprägten elektrischen Stroms bzw. der eingeprägten elektrischen Spannung werden vorzugsweise derart gewählt, dass akustische Wellen im Ultraschallbereich erzeugt werden. 

  
Die Rekonstruktion der räumlichen elektrischen Leitfähigkeit aus der vom Objekt absorbierten elektrischen Energie erfolgt vorzugsweise durch ein rechnergestütztes mathematisches Verfahren, insbesondere durch ein auf einem numerischen Algorithmus basierendes iteratives Verfahren. Der Vorteil solcher Rekonstruktionsverfahren liegt in der Schnelligkeit gegenüber anderen numerischen Verfahren. 

  
Es ist möglich, dass die zur Rekonstruktion des Abbildes des Objekts erfassten Daten von mehreren Detektoren verarbeitet werden. Durch die Anwendung mehrerer Detektoren, welche gegebenenfalls entlang der axialen Richtung nebeneinander angeordnet werden, kann die Aufnahmedauer erheblich verkürzt werden. 

  
Gelöst wird die erfindungsgemässe Aufgabe auch durch eine oben erwähnte Vorrichtung, wobei die zumindest eine Stromquelle bzw. die zumindest eine Spannungsquelle zur Bildung von Impulsen des elektrischen Stromes bzw. der elektrischen Spannung ausgebildet ist, und der zumindest eine Detektor zur Erfassung der vom Objekt ausgehenden akustischen Wellen aufgrund der thermischen Ausdehnung des Objekts durch die absorbierte elektrische Energiedichte der eingeprägten elektrischen Impulse ausgebildet ist, und die Rekonstruktionseinrichtung zur Berechnung der räumlichen elektrischen Leitfähigkeit des Objekts aus den erfassten Daten ausgebildet ist. Die Einprägung der Strom- oder Spannungsimpulse in das Objekt erfolgt mit Hilfe zumindest zweier Elektroden oder zumindest einer Elektrode, sofern das Objekt geerdet ist. 

  
Der Detektor kann eben oder in Form eines Halbzylinders ausgeführt sein. Ein Detektor in Form eines Halbzylinders weist gegenüber eben ausgeführten Detektoren mit gleich grosser Fläche geringere Aussenabmessungen auf. Die mathematischen Rekonstruktionsverfahren werden durch die gewölbte Form aber etwas kompli zierter . 

  
Als Detektoren kommen punkt-, linien- oder streifenförmige Detektoren zur Anwendung, wobei auch mehrere Detektoren parallel zueinander angeordnet sein können. Durch eine grössere Anzahl der Detektoren kann die Aufnahmedauer für das Abbildungsverfahren reduziert werden. 

  
Der zumindest eine Detektor kann durch einen piezoelektrischen Sensor zur Erfassung akustischer Schallwellen gebildet sein. Piezoelektrische Materialien sind beispielsweise PVDF (Polyvenylidenfluorid) oder ZNO (Zink-Oxid) . Derartige Materialien sind in Folienform oder als Schichten auf Substratmaterial mit besonders geringer Dicke im Mikrometer- bis sogar Nanometerbereich erhältlich. Durch die besonders geringe Dicke wird eine gute Ortsauflösung erzielt. Die Folien sind metallisiert und kontaktiert und können somit einfach mit den nachfolgenden elektronischen Schaltungen, insbesondere Verstärkern, verbunden werden. Ebenso kann der zumindest eine Detektor auch durch einen optischen Sensor, insbesondere Lichtwellenleiter, gebildet sein, der durch die auftreffenden Schallwellen verformt wird und somit eine Veränderung der durch den Lichtwellenleiter geleiteten Signale bewirkt. 

  
Zum Schutz des Detektors kann dieser mit einer Schutzfolie versehen sein. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Empfindlichkeit des Detektors durch diese Schutzfolie nicht verringert wird. 

  
Das Verfahren wird meist dadurch erleichtert, dass der zumindest eine Detektor um das Objekt und bzw. oder das Objekt um den zumindest einen Detektor bewegt wird. Dazu dient eine entsprechende Bewegungseinrichtung beispielsweise ein Schrittmotor. 

  
Vorteilhafterweise ist der zumindest eine Detektor zur Detektion akustischer Wellen im MHz-Frequenzbereich und darüber ausgebildet. 

  
Vorteilhafterweise wird das rekonstruierte Abbild des Objekts auf einem Bildschirm oder dgl. angezeigt. Dies ermöglicht es der  Person, die den Tomographen bedient, die erhaltenen Bilder rasch auszuwerten. 

  
Die Rekonstruktionseinrichtung wird üblicherweise durch einen Rechner gebildet. Der Vorteil besteht darin, dass die gemessenen Parameter möglichst rasch vor Ort in ein Bild umgewandelt werden. 

  
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Figur, welche ein schematisches Blockschaltbild eines Impedanz-AkustikThomographen gemäss der vorliegenden Erfindung zeigt, näher erläutert. 

  
Die Figur zeigt eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 zur Abbildung der elektrischen Leitfähigkeit [sigma](x) eines Objekts 2, beispielsweise eines menschlichen Körpers oder Teils eines menschlichen Körpers. Über zumindest zwei Elektroden 3 bzw. mindestens eine Elektrode 3, wenn das Objekt 2 geerdet ist, wird dem Objekt 2 ein elektrischer Strom I bzw. eine elektrische Spannung U eingeprägt. Der elektrische Strom I bzw. die elektrische Spannung U werden über eine entsprechend ausgebildete Stromquelle 4 bzw. Spannungsquelle 4' generiert.

   Die vom Inneren des Objekts 2 durch die absorbierte elektrische Energiedichte aufgrund der thermischen Ausdehnung induzierten akustischen Wellen 5 werden von zumindest einem Detektor 6, welcher vom Objekt 2 beabstandet ist, erfasst, die erfassten Signale einem Verstärker 7 zugeführt und daraus die räumliche elektrische Leitfähigkeit [sigma](x) des Objekts 2 rekonstruiert. Zwischen dem Objekt 2 und dem zumindest einen Detektor 6 kann ein flüssiges bzw. gelförmiges Koppelmedium angeordnet sein (nicht dargestellt) . Zur Erzielung einer Bewegung des Objekts 2 relativ zum Detektor 6 und bzw. oder einer Bewegung des Detektors 6 relativ zum Objekt 2 kann eine Bewegungseinrichtung 8, beispielsweise ein Schrittmotor, mit dem Objekt 2 und bzw. oder dem Detektor 6 verbunden sein.

   Die vom Verstärker 7 verstärkten, von den Detektoren 6 erfassten Signale werden zusammen mit Steuersignalen der allfälligen Bewegungseinrichtung 8 einer Rekonstruktionseinrichtung 9 zur Rekonstruktion des Objekts 2 zugeführt. Schliesslich kann das rekonstruierte Abbild des Objekts 2 auf einer Anzeige 10 dargestellt werden.  Wie bereits oben erwähnt, können auch mehrere Detektoren 6 angeordnet sein und um das Objekt 2 bewegt werden. Dabei wird für jede Position der Detektoren 6 der durch die Anregung des elektrischen Stromes I bzw. der elektrischen Spannung U induzierte akustische Schalldruck aufgenommen und aus den gewonnenen Daten schliesslich das Abbild der elektrischen Leitfähigkeit [sigma](x) des Objekts 2 rekonstruiert. 

  
Das Impedanz-Akustik-Tomographieverfahren eröffnet insbesondere in der Medizin neue Möglichkeiten, welche mit derzeitigen bildgebenden Verfahren nicht erreicht werden.

Claims (15)

Patentansprüche :

1. Verfahren, insbesondere Tomographieverfahren, zur Abbildung der elektrischen Leitfähigkeit ([sigma](x)) eines Objekts (2), wobei dem Objekt (2) über zumindest eine Elektrode (3) ein elektrischer Strom (I) bzw. eine elektrische Spannung (U) eingeprägt wird, und die Reaktion des Objekts (2) auf den eingeprägten elektrischen Strom (I) bzw. die eingeprägte elektrische Spannung (U) mit zumindest einem Detektor (6) erfasst wird, und aus den detektierten Daten die räumliche Verteilung der elektrischen Leitfähigkeit ([sigma](x)) des Objekts (2) rekonstruiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Objekt (2) Impulse des elektrischen Stroms (I) bzw.

der elektrischen Spannung (U) eingeprägt werden, und die im Inneren des Objekts (2) absorbierte elektrische Energiedichte über die aufgrund der thermischen Ausdehnung durch die eingeprägten elektrischen Impulse induzierten akustischen Wellen

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Impulse des elektrischen Stroms

(I) bzw. der elektrischen Spannung (U) gross gegenüber der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen im Objekt (2) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulse des eingeprägten elektrischen Strom (I) bzw. der eingeprägten elektrischen Spannung (U) derart gewählt werden, dass akustische Wellen (5) im Ultraschallbereich erzeugt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche elektrische Leitfähigkeit ([sigma](x)) durch ein rechnergestütztes mathematisches Verfahren rekonstruiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche elektrische Leitfähigkeit ([sigma](x)) durch ein auf einem numerischen Algorithmus basierendes iteratives Verfahren rekonstruiert wird.

(5) mit zumindest einem vom Objekt (2) beabstandeten Detektor

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rekonstruktion des Abbildes des Objekts (2) die erfassten Daten mehrerer Detektoren (6) verarbeitet werden.

(6) erfasst werden und aus den erfassten Daten die räumliche elektrische Leitfähigkeit ([sigma](x)) des Objekts (2) rekonstruiert wird.

7. Vorrichtung (1), insbesondere Tomograph, zur Durchführung eines Verfahrens zur Abbildung der elektrischen Leitfähigkeit ([sigma](x)) eines Objekts (2) mit zumindest einer Stromquelle (4)<'> bzw. zumindest einer Spannungsquelle (4') zum Einprägen eines elektrischen Stroms (I) bzw. einer elektrischen Spannung (U) über zumindest eine Elektrode (3) in das Objekt (2), zumindest einem Detektor (6) zur Erfassung der vom Objekt ausgehenden Reaktion auf den eingeprägten Strom (I) bzw. die eingeprägte Spannung (U) , und einer Einrichtung (9) zur Rekonstruktion eines Abbildes des Objekts (2) aus den erfassten Daten, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Stromquelle (4) bzw. die zumindest eine Spannungsquelle (4<1>) zur Bildung von Impulsen des elektrischen Stromes (I) bzw.

der elektrischen Spannung (U) ausgebildet ist, und dass der zumindest eine Detektor (6) zur Erfassung der vom Objekt (2) ausgehenden akustischen Wellen (5) aufgrund der thermischen Ausdehnung des Objekts (2) durch die absorbierte elektrische Energiedichte der eingeprägten elektrischen Impulse ausgebildet ist, und die Rekonstruktionseinrichtung (9) zur Berechnung der räumlichen elektrischen Leitfähigkeit ([sigma](x)) des Objekts (2) aus den erfassten Daten ausgebildet ist.

8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Detektor (6) eben oder in Form eines Halbzylinders ausgeführt ist.

9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Detektor (6) punkt-, linien- oder streifenför ig ausgebildet ist.

10. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Detektor (6) durch einen piezoelektrischen Sensor und bzw. oder optischen Sensor, insbe sondere einen Lichtwellenleiter, gebildet ist.

11. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Detektor (6) mit einer Schutzfolie versehen ist.

12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungseinrichtung (8), beispielsweise ein Schrittmotor, zur Bewegung des zumindest einen Detektors (6) um das Objekt (2) und bzw. oder zur Bewegung des Objekts (2) um den zumindest einen Detektor (6) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Detektor (6) zur Detektion akustischer Wellen (5) im MHz-Frequenzbereich und darüber ausgebildet ist.

14. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzeige (10) zur Darstellung des rekonstruierten Abbilds des Objekts (2) vorgesehen ist.

15. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekonstruktionseinrichtung (9) durch einen Rechner gebildet ist.