RU2749298C1

RU2749298C1 - Способ визуализации поля вентиляции легких на основе электроимпедансной томографии

Info

Publication number: RU2749298C1
Application number: RU2020132139A
Authority: RU
Inventors: Грайр Каренович Алексанян; Николай Иванович Горбатенко; Артем Игоревич Кучер; Андрей Александрович Кацупеев; Иван Дмитриевич Щербаков
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2021-06-08

Abstract

Изобретение относится к медицине, а именно к медицинской технике, и может быть использовано для мониторинга поля вентиляции легких. Осуществляют непрерывные измерения напряжений между электродами на поверхности грудной клетки во время последовательного подключения источника тока к парам электродов на поверхности грудной клетки. Осуществляют реконструкцию поля изменения проводимости грудной полости, фильтрацию и визуализацию составляющей поля изменения проводимости грудной полости, вызванной вентиляцией легких. При этом перед реконструкцией поля изменения проводимости грудной полости осуществляют фильтрацию измеренных напряжений между электродами на поверхности грудной клетки. Причем значение частоты среза фильтра нижних частот подбирают в соответствии с условием: FЧДД<Fс<FЧСС, где Fc- частота среза фильтра нижних частот, FЧСС- частота сердечных сокращений, FЧДД- частота дыхательных движений. Визуализацию составляющей поля изменения проводимости грудной полости, вызванной вентиляцией легких, осуществляют после реконструкции поля изменения проводимости грудной полости. Способ обеспечивает повышение достоверности визуализации поля вентиляции легких на основе электроимпедансной томографии в условиях высоких шумов измеренных напряжений между электродами на поверхности грудной клетки за счет фильтрации измеренных напряжений между электродами на поверхности грудной клетки. 2 ил.

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к способам мониторинга вентиляции легких и может быть использовано в устройствах электроимпедансной томографии грудной полости как отдельно, так и совместно с аппаратами искусственной вентиляции легких.

Известен способ получения томографического изображения тела для диагностики в медицине, основанный на использовании электрического тока в качестве средства, зондирующего исследуемый объект - электроимпедансная томография (Патент Великобритании N 2119520 А, кл. А61В 5/05, 1983 г.) В известном способе на поверхности тела пациента располагают серию контактных электродов, последовательно подключают источник тока к парам электродов, производят измерения разностей потенциалов (напряжения) между каждой парой остальных электродов, возникающих из-за протекания тока через объект, определяют опорные значения напряжений в предположении об однородности электрической проводимости объекта или измеряют их на том же объекте в другой момент времени, если проводимость объекта меняется, и производят реконструкцию изображения пространственного распределения проводимости тела или измерений его проводимости, произошедших между двумя измерениями путем обратного проецирования относительных разностей измеренных и опорных напряжений вдоль эквипотенциалей электрического поля. При исследовании грудной полости данным способом полученное изображение поля изменения проводимости грудной полости позволяет судить о поле вентиляции грудной полости.

Недостатком данного подхода является присутствие на изображении поля изменения проводимости грудной полости составляющей изменения проводимости грудной полости, вызванного перфузией тканей грудной полости, а также артефактов реконструкции из-за шумов измерительных данных.

Известен способ мониторинга вентиляционной функции легких человека на основе электроимпедансной томографии [Кучер А.И. Метод и система мониторинга вентиляционной функции легких человека на основе электроимпедансной томографии: дис. …канд. тех. наук: 05.11.17. - Новочеркасск, 2018.]. Для реализации мониторинга вентиляционной функции легких человека непрерывно производят измерения разностей потенциалов (напряжения) между электродами на поверхности грудной клетки во время последовательного подключения источника тока к парам электродов на поверхности грудной клетки. В результате каждые Δt секунд формируют вектор напряжений ΔФ(t_i), формируя массив напряжений ΔФ(t). Строки массива напряжений ΔФ(t) хранят изменение во времени каждого напряжения между электродами на поверхности грудной клетки, а столбцы - наборы напряжений для реконструкции поля изменения проводимости грудной полости в различные моменты времени. Для каждого момента времени t_i на основании ΔФ(t) определяют интегральный параметр Ф(t) путем расчета среднего значения напряжений по столбцам массива ΔФ(t). На основании параметра Ф(t) определят момент глубочайшего выдоха, относительно которого производится реконструкция поля изменения проводимости грудной полости. Поле изменения проводимости грудной полости представлено вектором ΔΩ(t_i), элементы Δσ(t_i) которого хранят значения изменения проводимости грудной полости в различных точках грудной полости. Из векторов ΔΩ(t_i) формируют массив полей изменения проводимости грудной полости ΔΩ(t), строки которого хранят изменение проводимости во времени элементов грудной полости, а столбцы - поле изменения проводимости грудной полости в отдельные моменты времени. Для каждого элемента поля изменения проводимости грудной полости рассчитывают коэффициент линейной регрессии между Δσ(t) и Ψ(t) и формируют поле регионарной вентиляции RV грудной полости. На основании RV формируют поле коэффициентов регионарной вентиляции KRV грудной полости путем бинаризации RV по среднему. Визуализацию поля изменения проводимости грудной полости формируют с учетом KRV.

Недостатком данного способа являются высокие требования к вычислительной мощности вычислительного блока электроимпедансного томографа для формирования изображений изменения проводимости грудной полости в режиме реального времени.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ функциональной электроим-педансной томографии с фильтрацией изображений в частотной области [Zadehkoochak М., Blott В.Н., Hames Т.K., George R.F. Pulmonary perfusion and ventricular ejection imaging by frequency domain filtering of EIT (electrical impedance tomography) images. Clin Phys Physiol Meas. 1992; 13 Suppl A: 191-6.].

Для реализации способа непрерывно производят измерения разностей потенциалов (напряжения) между электродами на поверхности грудной клетки во время последовательного подключения источника тока к парам электродов на поверхности грудной клетки. На основании измеренных напряжений непрерывно реконструируют поле изменения проводимости грудной полости, сохраняя историю его изменения во времени. Для каждого элемента поля изменения проводимости грудной полости производят фильтрацию, выделяя перфузионную и вентиляционную составляющие изменения проводимости грудной полости.

Недостатком данного подхода является высокая чувствительно к шумам измерительных данных ввиду усиления шумов во время реконструкции поля изменения проводимости грудной полости.

Таким образом, в настоящее время стоит проблема достоверной визуализации поля вентиляции легких на основе электроимпедансной томографии в условиях высокого уровня шумов измерительных данных без значительного увеличения числа вычислений.

Техническим результатом изобретения является повышение достоверности визуализации поля вентиляции легких на основе электроимпедансной томографии в условиях высоких шумов измеренных напряжений между электродами на поверхности грудной клетки при сохранении невысоких требований к вычислительной мощности вычислительного блока устройства мониторинга поля вентиляции легких.

Заявленный технический результат достигается путем фильтрации измеренных разностей потенциалов (напряжений) между электродами на поверхности грудной клетки с учетом истории их изменения.

Способ включает непрерывные измерения напряжений между электродами на поверхности грудной клетки во время последовательного подключения источника тока к парам электродов на поверхности грудной клетки, реконструкцию поля изменения проводимости грудной полости, фильтрацию и визуализацию составляющей поля изменения проводимости грудной полости, вызванной вентиляцией легких, при этом перед реконструкцией поля изменения проводимости грудной полости осуществляют фильтрацию измеренных напряжений между электродами на поверхности грудной полости, причем значение частоты среза фильтра нижних частот подбирают в соответствии с условием:

F_ЧДД<F_c<F_ЧСС,

где F_c - частота среза фильтра нижних частот, F_ЧСС - частота сердечных сокращений, F_ЧДД - частота дыхательных движений, а визуализацию составляющей поля изменения проводимости грудной полости, вызванной вентиляцией легких, осуществляют после реконструкции поля изменения проводимости грудной клетки.

Проведенный поиск среди способов того же назначения, что и заявляемое, не выявил тождественных технических решений в отношении всей совокупности существенных признаков предполагаемого изобретения. Это позволяет сделать вывод о соответствии его критерию «новизна».

Анализ уровня техники позволил установить, что присущий предлагаемому изобретению отличительный признак применение фильтра нижних частот к измеренным напряжениям между электродами на поверхности грудной клетки с учетом истории их изменения до реконструкции поля изменения проводимости грудной клетки, при этом значение частоты среза фильтра нижних частот подбирают в соответствии с условием:

F_ЧДД<F_c<F_ЧСС,

где F_c - частота среза фильтра нижних частот, F_ЧСС - частота сердечных сокращений, F_ЧДД - частота дыхательных движений, что позволяет достоверно оценить поле изменения проводимости грудной полости, вызванное вентиляцией легких в условиях высоких шумов измеренных напряжений между электродами на поверхности грудной клетки без повышения требования в вычислительной мощности в реальном времени. Это позволяет сделать положительный вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».

На фиг. 1 представлен пример изображений поля вентиляции легких, полученные с фильтрацией измеренных напряжений между электродами на поверхности грудной клетки в условиях высокого уровня шумов измеренных напряжений на поверхности грудной клетки, а также график средних значений Ψ(t) векторов измеренных напряжений ΔФ(t_i) между электродами на поверхности грудной клетки, коррелирующий с общей вентиляцией легких.

На фиг. 2 представлен пример изображений поля вентиляции легких, полученные без фильтрации измеренных напряжений между электродами на поверхности грудной клетки в условиях высокого уровня шумов измеренных напряжений на поверхности грудной клетки, а также график средних значений Ψ(t) векторов измеренных напряжений ΔФ(t_i) между электродами на поверхности грудной клетки, коррелирующий с общей вентиляцией легких.

Рассмотрим пример последовательности действий для реализации предложенного с способа. Сперва производят подготовку к мониторингу поля изменения проводимости грудной полости способом электроимпедансной томографии - наложение электродной системы, настройка параметров подключения источника тока и измерения напряжений. Далее непрерывно формируют векторы напряжений ΔФ(t_i) путем измерения разностей потенциалов (напряжений) между электродами на поверхности грудной клетки во время последовательного подключения источника тока к парам электродов на поверхности грудной клетки для формирования одного электроимпедансного изображения. Путем добавления нового столбца с данными из вектора ΔФ(t_i) формируют массив напряжений на поверхности грудной клетки ΔФ(t), на основе которого определяют частоту дыхательных движений F_ЧДД и частоту сердечных сокращений F_ЧСС. Определяют частоту среза F_c фильтра нижних частот исходя из условия:

F_ЧДД<F_c<F_ЧСС,

Для этого может быть использована, например, формула:

F_c= F_ЧДД + ( F_ЧСС - F_ЧДД)/2.

Формируют массив фильтрованных напряжений между электродами на поверхности грудной клетки ΔФ_Ф(t) путем фильтрации значений массива ΔФ(t) по строкам с помощью фильтра нижних частот с частотой среза, определенной ранее. При этом снижается уровень шумов измеренных напряжений между электродами на поверхности грудной клетки и исключается перфузионная составляющая изменения напряжений между электродами на поверхности грудной клетки. На основании сформированного массива ΔФ_Ф(t) производят реконструкцию поля изменения проводимости грудной полости. Благодаря фильтрации полученное поле изменения проводимости грудной полости содержит лишь составляющую, вызванную вентиляцией легких. Благодаря тому, что длинна вектора, описывающего поле изменения проводимости грудной полости значительно меньше длинны вектора, хранящего напряжения между электродами на поверхности грудной клетки, удается сохранить невысокие требования к вычислительной мощности вычислительного блока устройства. Затем визуализируют реконструированное ранее поле изменения проводимости грудной полости, вызванное вентиляцией легких.

Claims

Способ мониторинга поля вентиляции легких, включающий непрерывные измерения напряжений между электродами на поверхности грудной клетки во время последовательного подключения источника тока к парам электродов на поверхности грудной клетки, реконструкцию поля изменения проводимости грудной полости, фильтрацию и визуализацию составляющей поля изменения проводимости грудной полости, вызванной вентиляцией легких, отличающийся тем, что перед реконструкцией поля изменения проводимости грудной полости осуществляют фильтрацию измеренных напряжений между электродами на поверхности грудной клетки, причем значение частоты среза фильтра нижних частот подбирают в соответствии с условием:
F_ЧДД<F_с<F_ЧСС,
где F_c - частота среза фильтра нижних частот, F_ЧСС - частота сердечных сокращений, F_ЧДД - частота дыхательных движений, а визуализацию составляющей поля изменения проводимости грудной полости, вызванной вентиляцией легких, осуществляют после реконструкции поля изменения проводимости грудной полости.