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Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Messverfahren für die Elektroimpedanz-Tomografie [EIT] mit aktivem Bezugspotenzial zur Bestimmung der Körperimpedanz an Patienten.
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Die EIT ist ein Messverfahren in der medizinischen Diagnostik, bei dem ein bekannter, sehr geringer Wechselstrom in den menschlichen Körper eingespeist wird, und die entstandenen Potenziale an verschiedenen Stellen bestimmt werden. Dazu werden die resultierenden Potenziale mittels Elektroden, die am Patienten angebracht sind und mittels einer Signalauswerteeinheit ermittelt.
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Zur Bestimmung der unbekannten Körperimpedanz wird an einer Körperstelle ein Messstrom in Form eines Wechselstromes eingeleitet, der nur eine sehr geringe Stärke aufweist. Parallel werden der abfließende Strom und die Randspannungen gegen eine aktive Referenz über Elektroden gemessen. Die Anzahl der Elektroden schwankt in der Praxis meist von 16 bis 64 Elektroden pro Ebene; im Mittel etwa 32 Stück.
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Durch eine Rotation der Stromeinspeiseorte um den Körper herum bei gleichzeitiger Messung der Potenziale lässt sieh mittels einer räumlichen Matrix und Verrechnung der gemessenen Spannungspotenziale über ein Ersatzschaltbild – erstellt aus den relevanten elektrischen Parameter Patient/Übergangswider-stand/Elektroden – eine zwei- oder dimensionale Impedanzverteilung des vermessenen Patienten ermitteln.
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Aus den gemessenen elektrischen Transferimpedanzen eines Patienten lassen sich zum Beispiel Rückschlüsse auf die Ventilationsfähigkeit der Lunge und der fluiden Blut- und Serumverschiebungen bestimmen, welche mit Herzschlag, Atmung und Stoffwechsel variieren.
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Zum Stand der Technik für die Elektrodenverteilung am Patienten sowie für die Vorgehensweise der Messwertgewinnung und -auswertung wird die Offenlegungsschrift
DE 103 15 863 A1 genannt. Die Nachteile beim Stand der Technik bestehen in einer großen Anzahl von Elektroden, um ein möglichst engmaschiges Schnittbild zu erhalten, in den Streukapazitäten für die Elektrodenzuführungen und in einer sehr großen Anzahl von Multiplexern, beziehungsweise Multiplexeingängen, wenn die Elektrodenzahl hoch ist.
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Es ist augenscheinlich, dass mit steigender Elektrodenanzahl im System das Multiplexing aufwendiger wird. In der Praxis werden daher die möglichen Kombinationen deutlich eingeschränkt, was zu einer Reduzierung der unabhängigen Messungen und einer Vergröberung des Iso-Linienbildes für die Darstellung der Transferimpedanz führt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in einer Methode die Anzahl der unabhängigen Messungen zu erhöhen ohne das Multiplexing zu verkomplizieren, sowie die Anzahl der Kabel, die vom Patienten zur Messwertauswertungseinheit führen, zu reduzieren – bei möglicher Senkung der Streukapazitäten des Messaufbaus.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruches; die Nebenansprüche geben bevorzugte Ausführungen der Erfindung wieder.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Messvorrichtung für die EIT mit einer Mindestanzahl aktiver Elektroden zur Positionierung am Patienten, wobei eine aktive Elektrode (3) die Zustände Stromquelle (7), Bezugspotenzial (5) und Spannungsmesspunkt (6) annehmen kann.
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Ein weiteres erfinderisches Merkmal für die Messvorrichtung für die EIT besteht darin, dass jede der einzelnen aktiven Elektroden (3) während des Messvorganges in einen der Zustände Stromquelle (7), Bezugspotenzial (5) und Spannungsmesspunkt (6) konfigurierbar ist.
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Ebenfalls besteht ein Merkmal für die Messvorrichtung für die EIT darin, dass die Höhe zur Festlegung der elektrischen Größe des Spannungsmesspunktes (6) gegen ein getriebenes aktives Referenzsignal erfolgt.
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Weiterhin besteht ein Merkmal für die Messvorrichtung für die EIT darin, dass das abgeleitete Spannungssignal über einen Differenzverstärker mit einer bekannten, aktiven Referenz verglichen wird.
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Ein bevorzugtes Ausführungsmerkmal für die Messvorrichtung für die FIT besteht darin, dass das Differenzsignal in ein Bit-Wort umgesetzt wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Figuren weitergehend erläutert. Dabei bedeuten:
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1 Aufteilung der aktiven Elektroden am Patienten, und
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2 Zustandsmöglichkeiten einer aktiven Elektrode.
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In Vorbereitung der Messungen werden Elektroden – vorzugsweise sogenannte Compound-Elektroden – am Patienten (1) angebracht. Die einzelnen Elektroden sind über Kabel mit einem Multiplexer verbunden, der die Stromquelle und -senke sowie die Spannungsmesspunkte (6) mit den Elektroden verschaltet. Je nach System kann es mehr als eine Stromquelle/-senke und mehrere Spannungsmesspunkte (6) geben.
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Die Zuordnung von Spannungsmesspunkten (6) und Stromquellen (7) wird während des Zeitraums der Messung verändert. Optimiert ist das Messsystem dann, wenn alle möglichen Kombinationen von Messpunkten gewährleistet sind. Zur Maximierung der unabhängigen Messungen sollte ein optimales System jede mögliche Kombination aus Stromquelle/-senke und Spannungsmessung ermöglichen.
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Die aktiven Elektroden (3) sind mit einem Patienten (1) über Übergangswiderstände (2) – wie in 1 dargestellt – verbunden. Eine aktive Elektrode (3) nimmt einen von drei möglichen Zuständen – wie in 2 dargestellt – an. Diese Zustände sind: Stromquelle (7), Spannungsmesspunkt (6), Bezugspotenzialbildung (5 bzw. 4).
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Die Konfiguration der aktiven Elektroden (3) erfolgt durch die Steuerung der Multiplexer nach einem Algorithmus für optimale Messerergebnisse. Derartige Algorithmen sind bekannt und gehören zum Standardwissen eines Fachmanns. Die Differenzbildung der abgeleiteten Potenziale erfolgt gegen das Bezugspotenzial (5), welches sich von der Systemmasse (4) unterscheidet. Der Zustand der einzelnen aktiven Elektroden (3) ist auch während des Messvorgangs konfigurierbar – so wie in 2 dargestellt. Der Messvorgang umfasst eine vorgegebene Kombination von Spannungsmessungen – je nach Zielstellung der Untersuchung – welche mittels Permutation errechnet wird.
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In der EIP bildet die Anordnung Patient, Übergangswiderstand, Elektrode eine sehr hochohmige Quelle, sodass das abzuleitende Spannungssignal von den Elektroden über einen Impedanzwandler [auch als Spannungsfolger bezeichnet] erfolgt, der diese hochohmigen Signalquelle entkoppelt. Das abgeleitete Spannungssignal wird über einen Differenzverstärker mit einer bekannten, aktiven Referenz verglichen. Das Differenzsignal, vorliegend als Differenzspannung, wird mit einem geeignetem Analog/Digital-Konverter [ADC] in ein Bit-Wort umgesetzt. Dieses umgesetzte digitale Signal wird derart aufbereitet, dass es über ein digitales Interface übertragen werden kann. Diese Übertragung kann sowohl drahtlos, als auch drahtgebunden erfolgen.
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Wird die aktive Elektrode mittels einer Steuerungsvorrichtung über das digitale Interface als Stromquelle beziehungsweise als Stromsenke konfiguriert, wird mittels eines Multiplexer unterschieden, ob die Elektrode als Stromquelle und Stromsenke fungiert.
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Im Falle des Stromsenken-Betriebs wird das Signal der Stromelektrode – wieder mittels Multiplexer – über einen Shuntwiderstand geleitet. Am Shuntwiderstand kann der abgeleitete Strom in eine seiner Stromstärke entsprechend konvergierte Spannung gemessen werden. Dieses analoge Spannungssignal wird ebenfalls mittels eines ADC in ein Bit-Wort überführt, das dem analogen Spannungswert in digitaler Form entspricht. Dieses digitale Spannungssignal wird ebenfalls von einer Steuerungseinheit aufbereitet und über ein digitales Interface übertragen.
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Im Falle der Konfiguration als Stromquelle erzeugt eine Steuereinheit eine frei konfigurierbare Anregungsfunktion, die über einen Digital/Analog-Konverter [DAC] in ein analoges Spannungssignal gewandelt wird. Das Spannungssignal wird mittels eines Spannung/Strom-Wandler in einen proportionalen Strom gewandelt. Möglich ist auch die Schaltungsvariante mit einem DAC mit Stromausgang, denn ein Strom/Strom-Wandler für die weitere Signalverarbeitung nachzuschalten wäre. Der Strom wird über den Multiplexer und die Elektrode in den Patienten geleitet. Die aktive Elektrode kann auch als Treiber einer getriebenen [aktiven] Referenz genutzt werden.
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Das aktive Referenzsignal, der Takt-Bus sowie die Spannungsversorgung sind mit allen anderen aktiven Elektroden verbunden. Die Spannungsversorgung besteht aus der Betriebsspannung – vorzugsweise symmetrisch – und einem festen Bezugspotential, der Masse. Der Taktgeber liefert den Referenztakt für alle digitalen Komponenten, um eine gleichzeitige Verarbeitung in allen aktiven Elektroden zu gewährleisten.
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Der Taktgeber kann sowohl im Taktgeber-Modus wie auch als Taktnehmer-Modus arbeiten. Im Taktgeber-Modus treibt der Taktgeber den Takt-Bus, im Taktnehmer-Modus synchronisiert er sich mit dem Takt-Bus. Der Takt-Bus ist mit allen anderen aktiven Elektroden verbunden. Die Entscheidung, wer Taktgeber und wer Taktnehmer ist, wird nach der geometrischen Anordnung der aktiven Elektroden festgelegt und von einer Steuereinheit verwaltet.
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In einer alternativen Ausführung kann der Takt-Bus zusammen mit der getrieben, aktiven Referenz über eine gemeinsame Leitung übertragen werden, was zur Kabeleinsparung führt. In diesem Fall muss das Taktsignal in geeigneter Weise vom Referenzsignal, zum Beispiel mittels eines Frequenz-Multiplexers, getrennt werden.
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In einer weiteren alternativen Ausführung kann die getriebene, aktive Referenz über einen Digital/Analog-Konverter [DAC] unmittelbar und direkt auf der aktiven Elektrode erzeugt werden, um eine weitere Signalleitung einzusparen. Alle Signale die mit den anderen aktiven Elektroden geteilt werden, werden über einen Kabelbaum geführt. Der Kabelbaum kann in einen, die Elektroden haltenden EIT-Gürtel, wie in der Offenlegungsschrift
DE 103 15 863 A1 beschrieben, integriert werden. Die einzelnen Elektroden werden über einen Barcode individuell erkannt und zugeordnet. Die Messanordnung ist vorranging dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Stelle ein Strom eingespeist wird und an mindestens zwei anderen Stellen Spannungen abgeleitet werden. Die Stelle der Stromeinspeisung kann beliebig verschoben werden, bevorzugt nach einem Rotationsprinzip.
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Es ist weiterhin möglich, mehrere ggf. kodierte Ströme gleichzeitig einzuspeisen. Die Messanordnung der so entstandenen digitalen aktiven Elektroden mit der Eigenschaft einer digitalen Messwerterfassung, bezogen auf eine Referenzspannung, erlaubt eine sehr hohe Gleichtaktunterdrückung. Eine Erweiterung auf mehrere Ebenen ist möglich.
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Besonders das wechselweise Vertauschen der Einrichtungen Stromquelle 7, Bezugspotenzialanschluss 5 und Spannungsmesspunkt 6, indem ein sequentielles Vertauschen der Ankopplungen der Elektroden an eine der Einrichtungen eine schrittweise örtliche Verschiebung der Einspeise- und Messorte schafft, ist vorteilhaft, da man so einen Algorithmus schaffen kann, der es den Rechnermitteln erlaubt, aus den von einem Spannungsumwandler verstärkten Strom- und Spannungssignalen an den Elektroden eine Impedanzverteilung im Körper des Patienten zu bestimmen. Dabei ist eine rotatorische Verschiebung der Einspeise- und Messorte eine bevorzugte Variante.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Patient
- 2
- Übergangswiderstand
- 3
- aktive Elektrode
- 4
- Systemmasse
- 5
- Bezugspotenzial
- 6
- Spannungsmesspunkt
- 7
- Stromquelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10315863 A1 [0006, 0029]
