RU2810360C1 - Способ подбора частоты инжектируемого тока для персонализации мониторинга на основе многочастотной ЭИТ - Google Patents

Способ подбора частоты инжектируемого тока для персонализации мониторинга на основе многочастотной ЭИТ Download PDF

Info

Publication number
RU2810360C1
RU2810360C1 RU2023114807A RU2023114807A RU2810360C1 RU 2810360 C1 RU2810360 C1 RU 2810360C1 RU 2023114807 A RU2023114807 A RU 2023114807A RU 2023114807 A RU2023114807 A RU 2023114807A RU 2810360 C1 RU2810360 C1 RU 2810360C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
current
conductivity field
field
injected current
Prior art date
Application number
RU2023114807A
Other languages
English (en)
Inventor
Грайр Каренович Алексанян
Николай Иванович Горбатенко
Мария Александровна Конько
Original Assignee
Грайр Каренович Алексанян
Filing date
Publication date
Application filed by Грайр Каренович Алексанян filed Critical Грайр Каренович Алексанян
Application granted granted Critical
Publication of RU2810360C1 publication Critical patent/RU2810360C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к медицине, а именно к способу подбора частоты инжектируемого тока для персонализации мониторинга на основе многочастотной ЭИТ. При этом на поверхности грудной клетки человека располагают электродную систему. Последовательно подключают источник тока к парам электродов. Инжектируют высокочастотный ток малой амплитуды через тело исследуемого человека. Рассчитывают разность потенциалов между электродами за интервал времени Δt на заданной фиксированной частоте с последующим автоматическим переключением на следующую по порядку частоту в диапазоне от f1 до fi с шагом Δf при заданном неизменном параметре тока. Реконструируют изменение поля проводимости Ω для каждой фиксированной частоты. Усредняют значения поля проводимости Ωср для каждой частоты инжектируемого тока. Сравнивают все усредненные значения поля проводимости Ωср для определения той частоты инжектируемого тока, начиная с которой наблюдается наименьшая скорость изменения усредненных значений поля проводимости Ωср. Определяют требуемую частоту инжектируемого тока по критерию минимального отклонения среднего значения поля проводимости Ωср, который рассчитывают как разность средних значений поля проводимости Ωср, за интервал времени Δt в диапазоне от f1 до fi с шагом Δf. Достигается повышение чувствительности метода ЭИТ к визуализации внутренних структур исследуемого живого биологического объекта за счет сравнения средних значений реконструированного поля проводимости по критерию минимального отклонения среднего значения реконструированного поля проводимости для всего диапазона частот и выбора требуемой частоты инжектируемого тока. 2 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к способам персонализации мониторинга, и может быть использовано для повышения чувствительности метода электроимпедансной томографии (ЭИТ) к исследуемому объекту для персонализации ЭИТ.
Электроимпедансная томография (ЭИТ) - это метод визуализации внутренних структур исследуемого объекта, основанный на оценке изменения поля проводимости в плоскости наложения электродной системы (ЭС) при инжектировании через объект высокочастотного тока малой амплитуды (по заданному алгоритму) при одновременной регистрации возникающих разностей потенциалов.
ЭИТ-исследование состоит из трех основных этапов: получение измерительных данных, реконструкция поля проводимости, визуализация результатов реконструкции.
Известен способ исследования тела путем измерения электрического импеданса в широком диапазоне частот [Патент Великобритании N 2272526 (В), кл. А61В 5/05; А61В 5/053, 30.10.1996].
В известном способе на тело человека надевают массив электродов (электродную систему), подают электрические сигналы разной частоты для получения изображения изменений удельного сопротивления или импеданса тканей. Измерение проводят на семи частотах фактически одновременно, путем двух записей. Первая запись используется для измерения импеданса и амплитуды сердечных изменений при задержке дыхания на 10 секунд. Вторая запись используется для измерения импеданса и амплитуды сердечных изменений при задержке дыхания на 10 секунд, а затем при нормальном дыхании в течение 30 секунд. Измерения амплитуд производятся путем печати осциллограмм, а затем измерением пиковой амплитуды сигналов ручным методом. Предварительно осциллограммы отфильтрованы в цифровом формате нижних частот при частоте 10 Гц, чтобы уменьшить шум. Основываясь на настоящем изобретении, путем проведения многочастотных измерений, можно идентифицировать ткани на основе спектра импеданса и спектра изменений импеданса. Данный способ может быть применим в исследовании легких.
Недостатком данного подхода является влияние геометрии тела на реконструированные данные. В разных областях поперечного сечения грудной клетки человека имеется разный объем крови, поэтому при наложении массива электродов возникают изменения в получаемых данных и, соответственно, изображениях. Измерение амплитуд происходит вручную.
Известен способ персонализированного мониторинга на основе многочастотной электроимпедансной томографии, принятый за прототип [Алексанян Г.К. Разработка алгоритма подбора требуемой частоты инжектируемого тока для многочастотной электроимпедансной томографии в задачах предоперационного мониторинга функции легких человека: Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2021. Т. 3. №5 - 111. С. 25-38], заключающийся в том, что пользователь задает систему отведений ЭИТ, она определяет n-количество и конфигурацию электродов ELn (инжектирующих и измерительных). При подключении источника тока к электродам ELn и инжектировании высокочастотного тока малой амплитуды через тело исследуемого биологического объекта производится регистрация значений набора потенциалов ϕn, образующих измерительный кадр Ф на поверхности биологического объекта с помощью электродов ELn.
Выполняется получение измерительных данных в виде значений набора потенциалов ϕn, образующих измерительный кадр Ф, производится расчет среднего значения измерительного кадра Фср при фиксированной частоте fi с сохранением данных. Описанный процесс измерения выполняется для каждой анализируемой частоты fi (где i - порядковый номер анализируемой частоты) в диапазоне частот от 50 кГц до 400 кГц, причем в каждом случае параметр тока I остается неизменным. Выполнение процедуры ЭИТ происходит с автоматическим переключением на следующую по порядку частоту, где интервал переключения составляет 15 секунд. Затем выполняется сравнение всех Фср по критерию поиска минимального отклонения средних значений регистрируемой разности потенциалов Hi для всего диапазона частот, с целью определения требуемой частоты инжектируемого тока. По результатам исследований выполняется определение и оценка той граничной частоты, при которой дальнейшее ее увеличение не приводит к повышению чувствительности метода ЭИТ к специфике исследуемого биологического объекта, на этой выбранной частоте далее запускается этап реконструкции поля проводимости.
Недостатком данного способа является снижение чувствительности метода ЭИТ к визуализации внутренних структур исследуемого биологического объекта за счет обработки измерительной информации без учета этапа реконструкции поля проводимости, который является обязательной стадией метода ЭИТ.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности метода ЭИТ к визуализации внутренних структур исследуемого живого биологического объекта за счет сравнения средних значений реконструированного поля проводимости по критерию минимального отклонения среднего значения реконструированного поля проводимости для всего диапазона частот и выбора требуемой частоты инжектируемого тока.
Заявленный технический результат достигается за счет использования способа персонализированного мониторинга на основе многочастотной электроимпедансной томографии, заключающегося в том, что на поверхности грудной клетки живого биологического объекта располагают электродную систему, затем последовательно подключают источник тока к парам электродов и инжектируют высокочастотный ток малой амплитуды через тело исследуемого живого биологического объекта, причем количество и конфигурация инжектирующих и измерительных электродов задается пользователем. ЭИТ-исследование выполняют с возможностью осуществления расчета разности потенциалов между электродами, рассчитанных за интервал времени Δt, на заданной фиксированной частоте с последующим автоматическим переключением на следующую по порядку частоту в диапазоне от f1 до fi с шагом Δf при заданном неизменном параметре тока с последующей реконструкцией поля проводимости Ω для каждой фиксированной частоты, а также последующего усреднения значений реконструированного поля проводимости Ωср для каждой частоты инжектируемого тока, сравнения всех усредненных значений реконструированного поля проводимости Ωср за интервал времени Δt, для определения той частоты инжектируемого тока, начиная с которой наблюдается наименьшая скорость изменения усредненных значений реконструированного поля проводимости Ωcp, определения требуемой частоты инжектируемого тока по критерию минимального отклонения среднего значения реконструированного поля проводимости Gi, который рассчитывается как разность средних значений реконструированных полей проводимостей, рассчитанных за интервал времени Δt в диапазоне от f1 до fi с шагом Δf, по следующей математической формуле:
где
Gi - критерий минимального отклонения среднего значения реконструированного поля проводимости, рассчитанный за интервал времени Δt в диапазоне от f1 до fi с шагом Δf;
- среднее значение реконструированного поля проводимости частоты fi;
- среднее значение реконструированного поля проводимости частоты fi-1 предшествующей fi,
и возможностью последующего сравнения всех средних значений реконструированных полей проводимостей по критерию минимального отклонения среднего значения реконструированного поля проводимости для всего диапазона частот от f1 до fi с шагом Δf и выбора требуемой частоты инжектируемого тока.
На фиг. 1 приведен график экспериментальных исследований средних значений реконструированного поля проводимости (Ωср) для каждого диапазона частот от 50 кГц до 400 кГц, с шагом Δf=50 кГц, рассчитанных за интервал времени Δt, для живых биологических объектов P1, Р2, Р3, Р4.
На фиг. 2 приведена зависимость критерия минимального отклонения регистрируемых данных (Gi) от диапазона частот от 50 кГц до 400 кГц, с шагом Δf=50 кГц, рассчитанных за интервал времени Δt, для живых биологических объектов P1, Р2, Р3, Р4.
В таблице 1 приведены стоп-кадры мониторинга воздухонаполнения легких живых биологических объектов P1, Р2, Р3, Р4 в диапазоне частот инжектируемого тока от 50 кГц до 400 кГц, с шагом 50 кГц, для стадии максимального вдоха при спокойном дыхании.
В таблице 2 приведены сводные данные подбора требуемой частоты инжектируемого тока для персонализации ЭИТ на основе многочастотной ЭИТ.
Рассмотрим пример реализации способа подбора требуемой частоты инжектируемого тока для персонализации ЭИТ на основе многочастотной ЭИТ.
Как известно, ЭИТ-исследование состоит из трех основных этапов: получение измерительных данных, реконструкция поля проводимости, визуализация результатов реконструкции.
Для проведения ЭИТ-исследования предлагаемым способом, на поверхности грудной клетки живого биологического объекта располагают электродную систему, затем последовательно подключают источник тока к парам электродов и инжектируют высокочастотный ток малой амплитуды через тело исследуемого живого биологического объекта. Количество и конфигурация токовых (инжектирующих) и измерительных электродов задается пользователем.
ЭИТ-исследование выполняют с возможностью осуществления расчета разности потенциалов между электродами за интервал времени Δt на заданной фиксированной частоте с последующим автоматическим переключением (перебором) на следующую по порядку частоту в диапазоне от f1 до fi с шагом Δf при заданном неизменном параметре тока с последующей их реконструкцией для получения значений поля проводимости Ω для каждой фиксированной частоты.
После перебора всех частот из заданного диапазона от f1 до fi, с шагом Δf, осуществляется усреднение значений реконструированного поля проводимости Ω с получением величины Ωср для каждой частоты инжектируемого тока. Затем выполняется сравнение всех Ωср с целью определения той частоты инжектируемого тока, начиная с которой наблюдается наименьшая скорость изменения Ωср.
Определение требуемой частоты инжектируемого тока выполняется по критерию минимального отклонения среднего значения реконструированного поля проводимости Ωср, который рассчитывается как разность средних значений реконструированного поля проводимости, за интервал времени Δt в диапазоне от f1 до fi с шагом Δf, по следующей математической формуле:
где
Gi - критерий минимального отклонения среднего значения реконструированного поля проводимости, рассчитанный за интервал времени Δt в диапазоне от f1 до fi с шагом Δf;
- среднее значение реконструированного поля проводимости частоты fi;
- среднее значение реконструированного поля проводимости частоты fi-1 предшествующей fi.
Затем выполняется сравнение всех Ωср по критерию минимального отклонения среднего значения реконструированного поля проводимости - Gi для всего диапазона частот. Выбирается требуемая частота, после которой Gi является минимальным. Далее выполняется определение и оценка той требуемой частоты из диапазона частот от f1 до fi, при которой дальнейшее ее увеличение не приводит к повышению чувствительности метода ЭИТ (практически не изменяется с ростом частоты), исходя из анатомических и физиологических особенностей живого биологического объекта (индивидуальных особенностей живого биологического объекта).
Для осуществления способа выбран диапазон частот от 50 кГц до 400 кГц, с шагом Δf=50 кГц, интервал времени расчета разности потенциалов между электродами на заданной фиксированной частоте с последующим автоматическим переключением на следующую по порядку частоту составляет 15 секунд. Пример осуществления способа подтверждается экспериментальными исследованиями, результаты которых приведены ниже.
Анализируя сведения, приведенные на фиг.1, можно сделать следующие выводы:
- значения Ωcp каждого живого биологического объекта P1, Р2, Р3, Р4 обратно пропорциональны частоте тока инжектирования;
- каждого живого биологического объекта P1, Р2, Р3, Р4 можно охарактеризовать собственной зависимостью Ωcp от частоты тока инжектирования fi.
Значения Gi для четырех живых биологических объектов P1, Р2, Р3, Р4 рассчитаны по математической формуле, приведенной ранее. На фиг. 2 приведена зависимость Gi от диапазона частот от 50 кГц до 400 кГц, с шагом Δf=50 кГц, для живых биологических объектов P1, Р2, Р3, Р4 из которой определяют требуемую частоту тока инжектирования, при которой дальнейшее ее увеличение не приводит к повышению чувствительности метода ЭИТ исходя из индивидуальных особенностей живого биологического объекта. Как видно из приведенной зависимости на фиг. 2 для P1, Р2, Р3 и Р4 не следует выполнять ЭИТ на частоте тока 50 кГц и 100 кГц, а у Р4 высокая волатильность Gi даже на конце частотного диапазона, что свидетельствует о необходимости увеличить частоту инжектирования на величину, большую 400 кГц.
В качестве примера визуализации процесса дыхания в таблице 1 представлены стоп-кадры мониторинга воздухонаполнения легких живых биологических объектов P1, Р2, Р3, Р4 в диапазоне частот инжектируемого тока от 50 кГц до 400 кГц, с шагом 50 кГц, для стадии максимального вдоха при спокойном дыхании.
Анализируя данные из таблицы 1, можно сделать вывод, что чувствительность метода ЭИТ к визуализации процесса дыхания зависит от частоты инжектируемого тока. Причем у каждого из живых биологических объектов наблюдается такой диапазон частоты, при котором воздухонаполнение визуализируется максимально четко относительно других частот (вне диапазона). Также видно, что на частотах 50 кГц и 100 кГц качество визуализации вентиляции является нестабильным и неудовлетворительным, наблюдаются артефакты.
Применив способ подбора требуемой частоты инжектируемого тока для персонализации ЭИТ на основе многочастотной ЭИТ к анатомическим и физиологическим особенностям живых биологических объектов P1, Р2, Р3, Р4, были получены сводные данные, приведенные в таблице 2.
Таким образом, показано, что чувствительность метода ЭИТ к визуализации внутренних структур исследуемого живого биологического объекта зависит от выбора требуемой частоты инжектируемого тока. Требуемая частота инжектируемого тока определяется путем сравнения средних значений реконструированного поля проводимости по критерию минимального отклонения среднего значения реконструированного поля проводимости для всего диапазона частот. При этом учитываются изменения электрических свойств тканей при различных частотах инжектируемого тока, что позволяет учитывать индивидуальные анатомические и физиологические особенности живого биологического объекта. Предлагаемый способ подбора требуемой частоты инжектируемого тока позволяет сформулировать для конкретного человека начальные условия при запуске ЭИТ-исследования, что важно при реализации технологии мониторинга функции легких.
Результаты обработки и анализа измерительной информации, полученной при экспериментальных исследованиях на живых биологических объектах, позволяют сделать вывод, что предложенный способ подбора требуемой частоты инжектируемого тока может быть применен в составе медико-технических средств электроимпедансной томографии. Он позволяет учесть анатомические и физиологические особенности исследуемого живого биологического объекта, что, в конечном счете, оказывает положительной влияние на повышение чувствительности метода ЭИТ.

Claims (5)

  1. Способ подбора частоты инжектируемого тока для персонализации мониторинга на основе многочастотной ЭИТ, заключающийся в том, что на поверхности грудной клетки человека располагают электродную систему, затем последовательно подключают источник тока к парам электродов и инжектируют высокочастотный ток малой амплитуды через тело исследуемого человека, причем количество и конфигурация инжектирующих и измерительных электродов задается пользователем, отличающийся тем, что рассчитывают разность потенциалов между электродами за интервал времени Δt на заданной фиксированной частоте с последующим автоматическим переключением на следующую по порядку частоту в диапазоне от f1 до fi с шагом Δf при заданном неизменном параметре тока с последующей реконструкцией изменения поля проводимости Ω для каждой фиксированной частоты, усредняют значения поля проводимости Ωср для каждой частоты инжектируемого тока, сравнивают все усредненные значения поля проводимости Ωср для определения той частоты инжектируемого тока, начиная с которой наблюдается наименьшая скорость изменения усредненных значений поля проводимости Ωср, определяют требуемую частоту инжектируемого тока по критерию минимального отклонения среднего значения поля проводимости Ωср, который рассчитывают как разность средних значений поля проводимости Ωср, за интервал времени Δt в диапазоне от f1 до fi с шагом Δf, по следующей математической формуле:
  2. , где:
  3. Gi - критерий минимального отклонения среднего значения поля проводимости, рассчитанный за интервал времени Δt в диапазоне от f1 до fi с шагом Δf;
  4. - среднее значение поля проводимости частоты fi;
  5. - среднее значение поля проводимости частоты fi-1 предшествующей fi.
RU2023114807A 2023-06-06 Способ подбора частоты инжектируемого тока для персонализации мониторинга на основе многочастотной ЭИТ RU2810360C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2810360C1 true RU2810360C1 (ru) 2023-12-27

Family

ID=

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2127075C1 (ru) * 1996-12-11 1999-03-10 Корженевский Александр Владимирович Способ получения томографического изображения тела и электроимпедансный томограф
RU2387373C2 (ru) * 2008-03-04 2010-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенская государственная технологическая академия" Способ получения томографического изображения тела
RU2590321C2 (ru) * 2011-06-30 2016-07-10 Дженерал Электрик Компани Система и способ реконструкции с использованием "мягкого поля"
CN111281385A (zh) * 2020-03-06 2020-06-16 中国人民解放军第四军医大学 一种基于组织空间分布特征和阻抗随频率变化特性的电阻抗成像方法
CN112754456A (zh) * 2021-01-20 2021-05-07 北京航空航天大学 一种基于深度学习的三维电阻抗成像系统
EP3861932A1 (de) * 2020-02-07 2021-08-11 Löwenstein Medical Technology S.A. Verfahren und vorrichtung zur bestimmung einer regionalen compliance einer lunge bei spontanatmung
WO2022037598A1 (zh) * 2020-08-21 2022-02-24 北京华睿博视医学影像技术有限公司 激励响应测量方法、电阻抗成像方法及存储介质
CN115530792A (zh) * 2022-12-02 2022-12-30 中国医学科学院北京协和医院 基于盐水造影的右心衰图像分析方法、系统及设备

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2127075C1 (ru) * 1996-12-11 1999-03-10 Корженевский Александр Владимирович Способ получения томографического изображения тела и электроимпедансный томограф
RU2387373C2 (ru) * 2008-03-04 2010-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенская государственная технологическая академия" Способ получения томографического изображения тела
RU2590321C2 (ru) * 2011-06-30 2016-07-10 Дженерал Электрик Компани Система и способ реконструкции с использованием "мягкого поля"
EP3861932A1 (de) * 2020-02-07 2021-08-11 Löwenstein Medical Technology S.A. Verfahren und vorrichtung zur bestimmung einer regionalen compliance einer lunge bei spontanatmung
CN111281385A (zh) * 2020-03-06 2020-06-16 中国人民解放军第四军医大学 一种基于组织空间分布特征和阻抗随频率变化特性的电阻抗成像方法
WO2022037598A1 (zh) * 2020-08-21 2022-02-24 北京华睿博视医学影像技术有限公司 激励响应测量方法、电阻抗成像方法及存储介质
CN112754456A (zh) * 2021-01-20 2021-05-07 北京航空航天大学 一种基于深度学习的三维电阻抗成像系统
CN115530792A (zh) * 2022-12-02 2022-12-30 中国医学科学院北京协和医院 基于盐水造影的右心衰图像分析方法、系统及设备

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ШЕРИНА Е.С. и др. Численный метод реконструкции распределения электрического импеданса внутри биологических объектов по измерениям тока на границе // Вестн. Том. гос. ун-та. Математика и механика. 2012. No 4 (20). *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0669822B1 (en) Investigation of a body
Frerichs Electrical impedance tomography (EIT) in applications related to lung and ventilation: a review of experimental and clinical activities
JP2875137B2 (ja) 心肺のパラメーターを決定する非侵入的医学的装置
Smith et al. Application of impedance cardiography to study of postural stress
Tankanag et al. Application of the adaptive wavelet transform for analysis of blood flow oscillations in the human skin
US20160135715A1 (en) Method for respiratory measurement
JP2006501903A (ja) 高分解能生体インピーダンス装置
CN111449657B (zh) 图像监测系统和肺栓塞诊断系统
CN108597336B (zh) 心电波形仿真方法
Hinz et al. Regional filling characteristics of the lungs in mechanically ventilated patients with acute lung injury
US20140094664A1 (en) Method for Determining non-invasively a Heart-Lung Interaction
JP2008513073A (ja) 心調律信号のシリーズ(rr)を処理するための方法、及び心調律の変動性を分析するための、特に生物の痛み又はストレスを評価するためのその使用
CASTOR et al. Determination of cardiac output during positive endexpiratory pressure—Noninvasive electrical bioimpedance compared with standard thermodilution
Smallwood et al. A comparison of neonatal and adult lung impedances derived from EIT images
RU2810360C1 (ru) Способ подбора частоты инжектируемого тока для персонализации мониторинга на основе многочастотной ЭИТ
CN115530792B (zh) 基于盐水造影的右心衰图像分析方法、系统及设备
WO2022199619A1 (en) Electrical impedance tomography based lung assessment
Haryadi et al. Evaluation of a new advanced thoracic bioimpedance device for estimation of cardiac output
RU2748900C1 (ru) Способ визуализации поля перфузии тканей грудной полости на основе электроимпедансной томографии
RU2749298C1 (ru) Способ визуализации поля вентиляции легких на основе электроимпедансной томографии
Stowe et al. Using esophageal electrodes for increased sensitivity to cardiac-frequency impedance changes
Cabreriza et al. Electrical Isolation of the Heart Stabilizing Parallel Conductance for Left Ventricular Volume Measurement
Koldova et al. THE EFFECT OF FRAME RATE AND CALIBRATION ON LUNG MONITORING WITH ELECTRICAL IMPEDANCE TOMOGRAPHY
Escalona et al. Cardiac contractility assessment from arm impedance plethysmography (IPG)
Kapoor et al. Changes in optic nerve sheath diameter in response to various levels of end-tidal carbon dioxide in healthy patients under general anesthesia