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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektroimpedanztomographie-Gerät mit einer Mehrzahl von an einem Körper eines Patienten anbringbaren Elektroden, die über einen Umschalter mit einer Steuer- und Auswerteeinheit verbunden sind, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit mit dem Umschalter so zusammenwirkt, um jeweils zwei Elektroden mit einem Wechselstrom aus einer Wechselstromquelle zu versorgen und die erfassten analogen Spannungssignale der übrigen Elektroden über einen Messverstärker und AD-Wandler in die Steuer- und Auswerteeinheit zu leiten und dort zu verarbeiten, um daraus die Impedanzverteilung des Körpers in der Elektrodenebene zu rekonstruieren, wobei zur Reduzierung von Gleichtaksignalen eine symmetrische Wechselstromquelle verwendet wird.
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Ein messtechnisches Problem bei der Elektroimpedanztomographie besteht darin, dass das für die Berechnung der bildlichen Darstellung verwendete Nutzsignal ausreichend größer als jegliche Störungen sein muss. Die einfache Erhöhung des Messstroms hat Grenzen, da die gemäß Norm zulässigen Ströme (frequenzabhängig) begrenzt sind. Man ist also darauf angewiesen, die Störsignale zu reduzieren. Zudem bestehen die Störsignale zum Teil aus selbsterzeugten Störungen, wie z. B. das Übersprechen oder aus dem sogenannten Gleichtaktsignal (Common-Mode-Signal), die proportional mit der Erhöhung des Stromes wachsen. Eine Erhöhung des Messstroms kann allenfalls den Abstand zu den externen Störungen verbessern.
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Die elektrische Impedanztomographie (EIT) ist ein Verfahren zur Rekonstruktion von Impedanzverteilungen, bzw. bei der funktionalen EIT von Impedanzänderungen bezüglich einer Referenzverteilung, in elektrisch leitfähigen Körpern. Hierfür wird an der leitfähigen Oberfläche des untersuchten Körpers eine Vielzahl von Elektroden angebracht, wobei die Steuereinheit, in der Regel ein digitaler Signalprozessor, dafür sorgt, dass aufeinanderfolgend jeweils ein Paar (vorzugsweise) benachbarter Elektroden mit einem elektrischen Wechselstrom versorgt wird (zum Beispiel 5 mA bei 50 kHz) und die elektrischen Spannungen an den verbleibenden Elektroden als Messelektroden erfasst und an die Steuereinheit geleitet werden. Durch die Kombination der Spannungsmesswerte bei den aufeinanderfolgenden umlaufenden Stromeinspeisungen kann mit geeigneten Algorithmen die Impedanzverteilung, bzw. bei der funktionalen Elektroimpedanztomographie deren Änderung gegenüber einer Referenzverteilung, rekonstruiert werden. In typischen Fällen wird eine ringförmige äquidistante Anordnung von 16 Elektroden verwendet, die zum Beispiel mit einem Gurt um den Körper eines Patienten gelegt werden können. Es wird jeweils in zwei benachbarte Elektroden Wechselstrom eingespeist und zwischen den verbleibenden stromlosen Elektrodenpaaren als Messelektroden die Spannungen gemessen und von der Steuereinheit aufgenommen. Durch Rotation der Stromeinspeisungspunkte erhält man eine Vielzahl von Spannungsmesswerten, aus denen ein zweidimensionales Schnittbild der Impedanzverteilung bezüglich einer Referenz in der Elektrodenebene rekonstruiert werden kann.
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In der Medizin sind solche Schnittbilder von Interesse, da die Impedanzen biologischen Zustand der Organe (zum Beispiel vom Atemzustand der Lunge) und/oder von der Stromfrequenz abhängen. Es werden daher sowohl zustandsdifferente Messungen bei einer gegebenen Einspeisefrequenz und verschiedenen biologischen Zuständen (zum Beispiel Beobachtung der Atemzyklen) als auch frequenzdifferente Messungen bei verschiedenen Einspeisungsfrequenzen und gleichem biologischen Zustand durchgeführt, um Aussagen über die entsprechenden Impedanzänderungen zu erhalten. Ein wichtiger Anwendungsfall ist, wie schon erwähnt, die funktionelle Impedanztomographie der Lunge, bei der die Elektroden des EIT-Gerätes um den Thorax des Patienten angebracht werden.
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Eine der messtechnisch auftretenden Störungen bei der Impedanztomographie ist die letztlich unvermeidlich auftretende Rest-Unsymmetrie der Wechselstromeinspeisung am Körper, die auch bei Verwendung einer symmetrischen Wechselstromquelle auftritt, was durch die unterschiedlichen Kabelwege zu den verschiedenen Elektroden, durch verschiedene Übergangswiderstände etc. bedingt ist.
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Die Stromquelle liefert zur Messung einen Wechselstrom wahlweise zwischen 20 kHz und mehreren MHz. Zur Beurteilung der Entstehungsursachen der Unsymmetrie der Stromeinspeisung müssen also nicht nur störende Unterschiede der Ohmschen Widerstände, sondern auch die der Wechselstromimpedanzen herangezogen werden. Die Verwendung von Wechselstrom ist aus medizinischen Gründen notwendig. Bei Gleichstrom wären die zulässigen Messströme noch um Größenordnungen kleiner. Zudem gestattet die Wechselstrommessung eine driftarme, frequenzselektive Demodulation der Messströme und Aussagen darüber, wie sich die Impedanzen des Oberkörpers mit der Frequenz ändern.
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In 3 ist ein Prinzipschaltbild eines Elektroimpedanztomographie-Gerätes der eingangs genannten Art gezeigt, das eine symmetrische Wechselstromquelle durch Zwischenschaltung eines Übertragers oder Trenntransformators 40 zwischen die Wechselstromquelle 22 und den Umschalter (Multiplexer) 60 realisiert. Der Primärkreis dieses Trenntransformators 10 hat schaltungsmäßig deutliche Bezüge und damit meist Asymmetrien zur Masse (dem messtechnischen Referenzpunkt des Gerätes). Damit sich die Unsymmetrie über Streukapazitäten möglichst wenig auf die Sekundärseite überträgt, liegt zwischen beiden Wicklungen eine Schirmwicklung, die auf Masse gelegt wird. Will man keine unsymmetrischen Streukapazitäten der Sekundärseite gegenüber dieser Schirmwicklung, so muss die Sekundärwicklung symmetrisch gegenüber der Schirmwicklung aufgebaut sein. Dieser symmetrische Aufbau hat natürlich Grenzen, so dass von beiden Seiten der Sekundärwicklung in einem Ersatzschaltbild unterschiedliche Streukapazitäten gegenüber der Masse angenommen werden müssen.
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Das ist nur ein Beispiel, wie man weitgehende Symmetrie der Wechselstromeinspeisung zu erreichen versucht.
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4 zeigt ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung der bei dem Gerät aus 3 auftretenden Asymmetrien des angelegeten Wechselstromsignals. Asymmetrien in der Stromquelle sind nur ein Teil der im Messstromkreis auftretenden Unsymmetrien. Weitere Ursachen sind der Multiplexer oder Umschalter 60, der für beide Anschlüsse unterschiedliche Durchlasswiderstände RML und RMR (je nach benutztem Kanal) besitzt und wiederum unterschiedliche Streukapazitäten CML und CMR gegenüber der elektrischen Umgebung hat. Nach dem Multiplexer 60 kommt die abgeschirmte Anschlussleitung, so dass die kapazitiven Unterschiede bei CLR und CLL gegenüber der Masse der beiden Anschlussleitungen zu den Elektroden in Ansatz zu bringen sind. Die induktiven und resistiven Leitungsimpedanzen ZLL und ZLR sind besonders bei unterschiedlicher Länge der Anschlussleitungen und höheren Messstromfrequenzen weitere Quellen für Unsymmetrien.
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Schließlich sind die Übergangsimpedanzen der Elektroden gegenüber der Hautoberfläche endlich und unterschiedlich, was ebenfalls zu berücksichtigen ist. Zudem sind sie komplex, d. h. sie setzen sich hauptsächlich aus Übergangswiderstand REL und RER und der Übergangskapazität CEL und CER zusammen.
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Alle Unsymmetrien zusammen bewirken, dass es unterschiedliche Abflüsse von Messströmen von beiden Leitungen über die Streukapazitäten gegenüber der Masse und unterschiedliche Spannungsabfälle an den Längsimpedanzen und damit Unterschiede im Stromfluss zwischen beiden Speiseanschlüssen gibt, weil vorher mehr oder weniger unterschiedliche Stromanteile nun zu der Masse abgeflossen sind und der Differenzstrom über den Körperwiderstand und die Übergangsimpedanz der Referenz-Masseelektrode nach Masse abfließt und damit ein Gleichtaktsignal auf dem Körper und damit an den Messelektroden erzeugt. Dieses Gleichtaktsignal oder Common-Mode-Signal ist für alle angesteuerten Elektrodenpositionen sowohl wegen der Unterschiede in den Kanälen des Multiplexers 60 sowie der externen Leitungen als auch der Elektroden-Übergangsimpedanzen unterschiedlich und erzeugt an dem Messverstärker zusammen mit der Größe und den Unterschieden der Übergangsimpedanzen der jeweils gewählten (vom Multiplexer 60 durchgeschalteten) Messelektroden mit der daraus resultierenden endlichen Common-Mode-Reduzierung Fehlersignale, die die Nutzsignale überdecken können.
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Auch wenn der Messverstärker hinter dem Multiplexer ideal wäre, so erzeugten die Elektroden der jeweils durchgeschalteten Messleitungen in umgekehrter Weise wie beim Stromweg über die parasitären Impedanzen und deren von Messkanal zu Messkanal unterschiedlichen Größen wiederum Asymmetrie und dann nur eine endliche Gleichtaktsignalunterdrückung.
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Eine Möglichkeit, dieses Gleichtaktsignal so klein wie möglich zu machen, ist eine Referenz-Masseelektrode mit sehr kleiner Übergangsimpedanz. Die Größe und Handhabbarkeit der möglichen Referenz-Masseelektroden ist begrenzt und erzeugt ab einer bestimmten Größe Bewegungsartefakte, die von der bei Bewegung des Patienten auftretenden Veränderungen der Übergangsimpedanz herrühren. Diese Maßnahme ist daher nur begrenzt wirksam.
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US 6 236 886 B1 beschreibt ein Elektroimpedanztomographie-Gerät mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1, bei dem zur Unterdrückung von Gleichtaktsignalanteilen weiterhin Folgendes vorgesehen ist. Der Messverstärker, der die Messsignale von jeweils einem Paar von Elektroden aufnimmt, gibt neben seiner eigentlichen Ausgabe, die der Spannungsdifferenz an seinen Eingängen entspricht, ein den Gleichtaktsignalanteil der Eingänge des Messverstärkers entsprechendes Signal aus, das über einen Operationsverstärker, als negative Rückkopplung den Anregungssignalen für das anregende Elektrodenpaar überlagert wird. Dieses Gerät arbeitet im Messbetrieb also mit einer analogen Rückkopplungsschaltung, um die Gleichtaktsignalanteile zu unterdrücken. Rückkopplungsschaltungen können jedoch Stabilitätsprobleme mit sich bringen, da sie zum Aufschaukeln von Störungen und Schwingungen neigen können.
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US 2004/0158167 A1 beschreibt ein Elektroimpedanztomographie-Gerät, bei dem zur Unterdrückung von Gleichtaktsignalen eine Messstufe zum Messen der Gleichtaktspannung der empfangenen Spannungen vorgesehen ist. Eine Steuer- und Auswerteeinheit ist dazu vorgesehen, auf Grundlage der empfangenen Spannungen und der Anregespannungen Impedanzwerte zu berechnen. Für einen gegebenen berechneten Impedanzwert, umfasst der Gleichtaktkalibrationsschritt die Erfassung der gemessenen Gleichtaktspannung bei einer vorgegebenen Messfrequenz nach Amplitude und Phase und die Korrektur des berechneten Impedanzwerts durch Subtraktion einer gewichteten Version der gemessenen Gleichtaktspannung von dem berechneten Impedanzwert, wobei die Gewichtung durch die Gleichtaktunterdrückung der Signalverarbeitungseinheit bestimmt wird. Bei diesem Verfahren werden also die verbleibenden Gleichtaktanteile an den berechneten Impedanzwerten rein rechnerisch, nach der Berechnung der Impedanzwerte, durch Subtraktion eines geschätzten Gleichtaktsignalwertes numerisch korrigiert.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elektroimpedanztomographie-Gerät anzugeben, bei dem Störungen der Messsignale durch Gleichtaktsignale ohne Rückkopplungen, die die Schaltungsstabilität beinträchtigen können, unterdrückt werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, vorab in einem Abgleich-Betriebsmodus ein zusätzliches Gleichtaktsignal an einem Ausgang bereitzustellen. Dieses zusätzliche Gleichtaktsignal wird über am Körper anbringbare Gleichtaktsignal-Elektroden auf den Körper geleitet. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist nun weiter dazu eingerichtet, den Messverstärker für jedes Elektrodenpaar nach Betrag und Phase so abzugleichen, dass das Gleichtaktsignal am Ausgang des Messverstärkers minimiert wird, und die Abgleichparameter für jedes Elektrodenpaar zu speichern.
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Dieses Gerät ist also in der Lage, während einer Abgleichphase ein zusätzliches Gleichtaktsignal zielgerichtet über Gleichtaktsignal-Elektroden auf den Körper aufzubringen. Dieses gezielt aufgebrachte Gleichtaktsignal pflanzt sich für jedes durchgeschaltete Elektrodenpaar bis in den Messverstärker fort. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist, z. B. durch Programmierung und dadurch gesteuerte Abgleichschaltungen am Messverstärker, so eingerichtet, um den Messverstärker jeweils so abzugleichen, dass das auf den Körper aufgebrachte und über das jeweilige Elektrodenpaar und den Umschalter auch im Messverstärker auftauchende Gleichtaktsignal am Ausgang des Messverstärkers minimiert ist. Nach diesem Abgleich lässt sich der Messverstärker auch während einer EIT-Messung mit den für jedes Elektrodenpaar gespeicherten Abgleichparametern abgleichen und wird dadurch während der Messung auftauchende Gleichtaktsignale nur noch minimal an seinem Ausgang ausgeben.
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Vorzugsweise erfolgt die Aufbringung des zusätzlichen Gleichtaktsignals mittels einer analogen Regelkreisschaltung. Die analoge Regelkreisschaltung hat einen Differenzverstärker, dessen einer Eingang mit dem Ausgang einer am Körper des Patienten anbringbaren Gleichtaktsignal-Elektrode und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang für das zusätzlich erzeugte Gleichtaktsignal verbunden ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers ist mit einer am Körper anbringbaren Gleichtaktsignal-Elektrode verbunden. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist dazu vorbereitet, im Messbetrieb den Ausgang für das zusätzliche Gleichtaktsignal auf Masse zu legen. Dadurch wird während des Messbetriebs eine Regelschaltung mit aktiver Masseelektrode (die mit dem Ausgang des Differenzverstärkers verbundene Gleichtaktsignal-Elektrode) realisiert.
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Es ist bevorzugt, wenn die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, das zusätzliche Gleichtaktsignal mit der gleichen Frequenz wie die der symmetrischen Wechselstromquelle bereitzustellen, so dass das zu Abgleichzwecken extra aufgebrachte Gleichtaktsignal die gleiche Frequenz wie im Messbetrieb auftauchende Gleichtaktsignale hat.
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Der Abgleich des Messverstärkers kann z. B. dadurch ermöglicht werden, dass ein Zweig des Messverstärkers einerseits über einen ohmschen Widestand und einen Transistor mit Masse und andererseits über einen Kondensator und einen Transistor mit Masse verbunden ist. Die Steuer- und Auswerteeinheit steuert die Transistoren jeweils über einen Digital-Analog-Wandler an, um die Ankopplung des ohmschen Widerstandes und des Kondensators durch Steuerung der Leitfähigkeit der Transistoren zu variieren, bis dadurch eine Unterdrückung des Gleichtaktsignals nach Betrag und Phase erreicht ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Elektroimpedanztomographie-Gerätes zeigt;
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2 ein Blockschaltbild des Messverstärkers aus dem Elektroimpedanztomographie-Gerät aus 1 zeigt;
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3 ein Blockschaltbild eines Elektroimpedanztomographie-Gerätes aus dem Stand der Technik zeigt,
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4 ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung der auftretenden Asymmetrie bei dem Gerät in 3 ist.
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Das in 1 dargestellte Elektroimpedanztomographie-Gerät hat eine Steuer- und Auswerteeinheit 20, die über einen Digital-Analog-Wandler 21 mit einer Wechselstromquelle 22 zu deren Steuerung verbunden ist. Der Wechselstrom der Stromquelle 22 ist über einen Trenntransformator oder Übertrager 40 galvanisch von dem Umschalter 60 getrennt. Der Umschalter oder Multiplexer 60 legt das Wechselstromsignal mit Kabel 2 an jeweils zwei Elektroden 1 (nur eine von den insgesamt 16 Elektroden ist mit Bezugszeichen versehen). Die übrigen Elektroden dienen dann paarweise aufeinanderfolgend als Messelektroden. Die Spannungssignale der Messelektroden werden über den Multiplexer 60 und einen Differenzverstärker 62 und einen Analog-Digital-Wandler 64 der Steuer- und Auswerteeinheit 20 zugeführt. Die Einspeiseelektrodenpaare 1 laufen dabei gesteuert von der Steuer- und Auswerteeinheit 20 und dem Multiplexer 60 am Körper des Patienten um, und aus dieser Sequenz wird in der Steuer- und Auswerteeinheit 20 ein Elektroimpedanztomographie-Bild erzeugt.
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Bei dem in 1 dargestellten EIT-Gerät ist die Steuer- und Auswerteeinheit 20 ferner mit einem Digital-Analog-Wandler 24 versehen, über den ein Gleichtaktsignal, vorzugsweise mit der gleichen Frequenz wie derjenigen der Wechselstromquelle 22, an einen Spannungsteiler ausgegeben wird. Der Ausgang des Spannungsteilers mit dem zusätzlichen Gleichtaktsignal ist mit einem der beiden Eingänge eines Differenzverstärkers 70 einer Regelkreisschaltung verbunden. Der andere Eingang des Differenzverstärkers 70 ist mit einer am Körper des Patienten anbringbaren Gleichtaktsignal-Elektrode 4 verbunden. Der Ausgang des Differenzverstärkers 70 ist mit einer weiteren am Körper anbringbaren aktiven Gleichtaktsignal-Elektrode 90 verbunden. Auf diese Weise wird durch die analoge Regelschaltung mit dem Differenzverstärker 70 ein dem zusätzlichen Gleichtaktsignal entsprechendes Gleichtaktsignal am Körper erzeugt. Dieses Gleichtaktsignal pflanzt sich auch über die Elektroden 1 und den Umschalter 60 bis zum Messverstärker 62 fort. Dieser Messverstärker 62 ist detaillierter in 2 dargestellt.
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Die Steuer- und Auswerteeinheit 20 ist nun weiter dazu vorbereitet, den Messverstärker 62 abzugleichen, so dass das Gleichtaktsignal an seinem Ausgang minimiert wird. In dem Ausführungsbeispiel nach 2 ist dazu vorgesehen, dass ein Zweig des Messverstärkers 62 zum einen über einen Ohmschen Widerstand und einen Steuertransistor 82 mit Masse verbunden und zum anderen über einen Kondensator 84 und einen Steuertransistor 86 mit Masse verbunden ist. Diese Transistoren 82, 86 werden über Digital-Analog-Wandler 88, 90 von der Steuer- und Auswerteeinheit angesteuert. Auf diese Weise ist es möglich, dass die Steuer- und Auswerteeinheit 20 mit einem darin programmierten Abgleich-Algorithmus die Leitfähigkeit der Transistoren 82 und 86 variiert und diese Variation so lange durchführt, bis am Ausgang des Messverstärkers 62 über den Analog-Digital-Wandler 64 ein minimales Gleichtaktsignal übrig bleibt. Auf diese Weise ist es möglich, während einer Abgleichphase des EIT-Geräts ein extra erzeugtes Gleichtaktsignal auf den Körper aufzubringen, wobei dieses Gleichtaktsignal dann den gleichen Weg durch die Elektronik bis in den Messverstärker nimmt, wie im späteren tatsächlichen Messbetrieb die eigentlichen Messsignale. Wenn der Differenzverstärker 70 nun in der Abgleichphase für jedes Elektrodenpaar so abgeglichen wird, dass das ”künstliche” zusätzliche Gleichtaktsignal an seinem Ausgang minimiert ist, und die Abgleichparameter jeweils gespeichert werden, so werden auch im Messbetrieb auftretende Gleichtaktsignale durch den Abgleich des Differenzverstärkers 70 mit den jeweiligen Abgleichparametern minimiert.
