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专利名称：用于电阻抗成像扫描装置的电极和电阻抗成像扫描装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求I的前序所述的用于电阻抗成像(electricalimpedance tomography (EIT))扫描装置的电极组件、包括多个所述电极组件的带状装置以及根据权利要求24的前序所述的检测电阻抗成像图像的方法。
背景技术：
电阻抗成像(EIT)技术是ー种用于研究和检测不透明体包括生物物种的组成和功能的非侵入性成像技木。最近，EIT已经成功地应用于患者。对于重症监护医生、胸腔科医师和理疗医师来说，电阻抗成像(EIT)技术是ー种可提供区域肺通气和灌注(血液流动)的实时信息的成像方法。与常规方法相反，EIT不需要患者通过传感器呼吸，不应用电离X射线，并且可以用于长时间，例如24小时或甚至更长时间。因此，EIT可以连续使用，因此适合于实时和长期监测治疗效果。EIT于1983年首次用于监测呼吸功能，并保持允许肺容积、 血流量和心脏活动的区域变化的连续的、非侵入性检测的唯一的床边方法。该技术的更多细节可以在 Costa EL, Lima RG, Amato MB. in Curr Opin Crit Care. 2009Feb; 15 (I) : 18 24上发表的文章“Electrical impedance tomography”中找到，其在此通过參考引入。在EIT中，如美国专利US5626146所披露的，多个电极，通常从8到32个，设置在对象的胸部的周围。控制单元确保电信号，例如电流施加在皮肤上的ー对或多对电极以形成电场，其反过来由其它电极检测。用于施加电流的电极称为“电流注入电极”，尽管其中一个可能作为基准电位，例如接地。通常情况下，3至IOmA在50 200kHz注入。采用剩余的电极，检测所产生的电压井随后用于估计胸部中电阻抗的分布。具体的算法得到开发以将电压转换成图像。为了克服阻抗估计的不适定性质，大多数EIT成像算法使用另外的假设，称为先验信息和正则化。先验信息可以是，例如，有关对象胸部的几何信息。典型的正则化假设是，胸内阻抗分布将没有突然的变化。另ー个假设是，所有电极正确地连接到患者皮肤。由此产生的图像提供胸部中真实的阻抗分布的合理的估计。为了对于用户例如临床医生是有用的，计算得到的阻抗分布图像转换成显示空气存在，空气缺失，或空气含量变化，血液含量变化和/或肌肉偏移进身体空间的图像。代替空气，任何可呼吸的气体混合物可以使用在EIT中。按顺序迅速绘制的，毎秒几次和类似ー部电影，这些图像形成进出每个肺部区域的气体和血流量的可视化表示，允许医生实时评估肺功能和/或心脏功能。广泛使用EIT的当前主要障碍是可靠性差和成本高。电极可以很容易断开，与皮肤的电气接触可能会有数量级的不同，从高达500欧姆至10000欧姆。由于电源电压限制，连接不良的电极不能注入必需的预定的电流。因此，所产生的图像往往包含由于非均匀的电流注入导致的伪假象。这些伪假象可以被误认为是生理信号，并可能导致错误诊断和不恰当的治疗。由于电极接触不好导致的伪假象的ー个例子在图6b中给出。即使用户可能知道电极接触不良，但是他/她可能不知道可以进行何种适当的纠正措施。Rigaud 等在 又-早 Experimental acquisition system for impedancetomography with active electrode approach"(in Med Biol Eng&Comput, Nov1993,31:593 599)中描述了ー种实验EIT检测系统，包括含有多个所谓的“有源电极”的采集系统以及含有參考电压源和采集电路的控制单元。每个有源电极包括ー个电压缓冲器，一组开关和一个开关逻辑单元，由采集系统控制。邻近电扱，电流源、电压缓冲器和开关组连接。通过这些装置，电极成为多功能的。在Rigaud的文章中，电极的开关逻辑单元与数据线并联连接。因此，每个电极需要适当的寻址、数字存储和同歩。由于每个电极必须有ー个唯一的地址，可编程的微芯片或专门的硬线寻址必须用于此目的。这使得用于电极的控制电路的制造是昂贵的。由Rigaud提出的方案假定所有电极一直运作良好。在他们的文章中，也没有披露规定去检查电极的正常功能。此外，也没有提及鉴别没有与皮肤接触良好的电极的方法。然而，非正常运行的电极或与皮肤接触不好的电极对结果有不利的影响，因此需要消除。在Rigaud的文章中，两个电极的差分电压通过随后的低通滤波器硬线连接到硬 件解调器。这具有解调迅速的优点。其缺点是模拟解调器的硬件实现是昂贵的和不够灵活的。由Rigaud所披露的装置包含如电极那么多的电流源。这些电流源通过中央计算机接通和关断。理论上和实践上，多于ー个电流源可以同时激活的从而注入可能危及生命的电流水平。Rigaud没有披露防止在它们分布的电极布置中同时注入电流的任何方法。在用于监测压カ过滤过程中进展情况目的的本质安全的EIT的一个实施中，如 York 等在 An Intrinsically Safe Electrical Tomography System , Industria丄Electronics,2003，ISIE 1 03, 2003IEEE International Symposium on9-llJune, 2003, vol. 2, pages 946 951，和/或在"Towards Process Tomography forMonitoring Pressure Filtration , IEEE Sensors Journal, vol. 5, no. 2, April 2005 中披露的，多个电极，通常在16和24之间，布置在感兴趣的对象的周围，在这种情况下，所述感兴趣的对象是用于在化工厂中从固相分离液体的加压过滤的容器。在根据York等的该装置中，四个继电器专用于控制任何给定的电极的电信号，一个连接电极至电流源的正极线，一个连接到电流源的负极线，一个连接到电压表的正极线，以及一个连接到电压表的负极线。这4个继电器的控制是通过将它们设置作为菊花链系列串(daisy chain)中的ー个单比特(single-bit)移位寄存器并用连接的PC控制菊花链系列串(daisy chain)来进行的。上面提到的检测缓慢，即每分钟约I 2幅图像的速度，表示对于监测加压过滤过程的目的没有缺点。虽然指出除了监测加压过滤期间的进展外，由York等人所描述的EIT系统可以很容易地应用于其它目的，但是如果所述系统应用于医疗目的，将出现许多问题。其中ー些原因如下(a)用于检测电压的放大器和电极之间的巨大的距离，通常为50米，形成干扰和噪声方面的问题，(b)低图像速率是不能接受的，因为在活体中的变化以快得多的速度发生(例如，呼吸或心跳速率);和(c)由于零件的机械使用，由York所使用的机电继电器的寿命是有限的，通常为5万次循环，这对于医疗检测是不能接受的。美国专利申请US2005/0059901 Al披露ー种改善在频域中检测的可靠性的方法。该方法提出捜索提供最佳信噪比的注入电流的频率。它不考虑电极可能不能与皮肤接触。如果电极不与皮肤接触，所述公开的方法因此将不工作。已知接触阻抗可以计算为检测的电压和电流的商数。然而，这种检测不利于确定何时电极进行充分的接触以获得可靠的EIT图像。与预期的阻抗比较也没有帮助，因为电流注入装置可能超出其操作范围，从而导致检测的伪假象。已经有人建议在图形用户界面上显示故障电极和/或触发报警声以使用户知道情况。这些措施都没有防止可能的误导性的图像的计算。目前的EIT系统的另一个缺点是成本高。EIT系统分别检测每个电极的电压以平均检测中固有的噪声。这种实施是相当昂贵的，因为它需要如电极那么多的检测通道。一个便宜得多的实施将是一个一个检测胸部周围的电压，即采用复用技术。这种技术是本领域中已知的，并允许共享重要资源，如昂贵的差分放大器和快速模拟-数字转换器。然而，在检测中存在可通过平均消除的显著的噪音。出于这个原因，将检测时间最大化是有利的。例如，如果其中一个电极故障时，为这样的故障电极所分配的时间完全浪费掉了。具有一种从检测顺序中排除无功能的电极以最大化用于有功能的电极的时间的方法将是很大的优势。一种在非接触电极存在下能够提供可靠的EIT图像的装置还没有被描述过，因此 是目前不可获得的。基于上述原因，显然需要这样强大的装置以避免误解图像和不适当的治疗。

发明内容
本发明的目的因此，本发明的一个目的是提供一种可靠的电极组件，其可以以低成本制造。另一个目的是提供一种用于电极的组装电路，其不需要事先寻址和昂贵的电子零件。一个进一步的目的是提出一种装置和方法，通过它们，无功能的电极可以从检测顺序中排除出去。另一个目的是提供一种在由于无功能的或功能差的电极导致的错误的数据存在下形成可靠的EIT图像的装置和方法。另一个目的是提供一种用于尤其是肺和心脏的医疗检查目的形成可靠的EIT图像的装置和方法。另一个目的是增加EIT方法的多功能性，特别是用于医疗检查。此外，另一目的是独立地控制电流注入的方式和电压读出的方式。本发明的描述上述目的通过根据权利要求I和权利要求13所述的发明的电极以及根据权利要求16所述的带状装置和根据权利要求25所述的方法得到解决。用于EIT扫描装置的发明的电极组件包括-电极，-电流供给单元，-电压缓冲单元，-开关逻辑单元，-用于将电流供给单元和电压缓冲单元与电极连接的线路，-用于将电流供给单元和电压缓冲单元与开关逻辑单元连接的线路，以及-开关逻辑单元与用于根据即基于从开关逻辑单元接收到的数据来驱动电流供给单元和电压缓冲单元的开关相接触，其特征在于，开关逻辑单元包括第一移位寄存器的至少一个元件和第二移位寄存器的至少一个元件。有利的，该电极组件结构允许多个电极的顺序驱动，电极例如在带状结构上对齐。不需要提供每个电极一个特定的地址，通过该地址电极由微处理器寻址。没有单独的地址，电极驱动器的制造成本可保持在低水平。因此，造成一次性电极和带状结构的生产是可能的。采用至少两个移位寄存器元件，其中一个元件是第一移位寄存器(即第一菊花链系列串(daisy chain))的一部分，一个元件是第二移位寄存器(即第二菊花链系列串(daisy chain))的一部分，开关逻辑单元允许在不同的时间间隔推进两种不同的命令结构。这导致有利的情况，即根据本发明，第一电流注入命令结构在第一时间间隔触发，第二检测命令结构在第二优选更快时间间隔触发，使得在特定的电流应用配置中许多检测成为可能。人体中感兴趣的不同区域的监测可能需要不同的电流注入和电压读出方式。例如，要监测位于接近前胸壁的心脏，主要应用电流注入到心脏附近，而不是在背侧部分注入 电流，是有利的。同时，由此产生的电压应使用所有电极进行检测。因为具有至少两个移位寄存器的电极组件的设计，这是可能的。相比较而言，只有一种方式的电流注入和电压读取可以通过一个单一移位寄存器(即通过一个菊花链系列串(daisy chain))移动。双移位寄存器的设置使得检测的时间效率更高，其中故障电极存在。如果一个电极故障，快速循环通过该故障电极是有利的，从而有效地跳过它并且将检测移动到下一个电极而不切换电流注入电极。采用根据本发明的两个移位寄存器的设置，这成为可能。此夕卜，与如上所引用的York等人所述的已知的装置相反，整个扫描方式必须一次又一次重新加载。同时，更多检测值是有错误的。发明的电极组件的双移位寄存器的设置比使用机电继电器的传统系统快得多(通�？烨П�)，对于16-电极系统典型地每30秒产生一幅图像帧。优选地，所述的第一移位寄存器的至少一个元件和所述的第二移位寄存器的至少一个元件(即移位寄存器的元件)由两个不同的时钟、时钟速率和/或时钟线控制。优选地，所述的第一移位寄存器的至少一个元件和所述的第二移位寄存器的至少一个元件位于电极附近，优选离开不超过I厘米，更优选直接位于电极上。优选地，所述的移位寄存器的至少一个元件是一个触发器。更优选地，所述的移位寄存器的至少一个元件是一个2比特触发器。2比特触发器允许在命令结构中分配多达4种不同的设置。有利的，2比特触发器由两个平行的触发器尤其是两个边沿触发的D-触发器或两个主从的D-触发器组成。优选地，开关逻辑单元包括第一移位寄存器的至少一个元件，例如一个触发器，用于通过至少一个第一开关连接电极和电流供给单元，和第二移位寄存器的至少一个元件，例如一个触发器，用于通过至少一个第二开关连接电压缓冲单元和模拟线Al及A2。优选地，设置一个由第一移位寄存器的至少一个元件控制的第三开关，用于连接电极与参考电位例如接地或认为是必要的并且由装置所提供的任何其它的电压水平。该接地不必须是一个恒定电压。它也可以，例如，是一个交流电压。优选地，第一移位寄存器的至少一个元件(例如，一个2比特触发器)与第一和第三开关连接。由此，注入电流电路可以在注入源和参考电压例如接地之间在任何选定的电极对上实现闭合。优选地，电压缓冲单元包括第一和第二电压缓冲器、所述第二开关和用于将第一和第二电压缓冲器之一或两者连接各自的第一和第二模拟线Al及A2的第四开关。以此方式，可以在任何选定的电极对之间检测电压差以及因此电压。优选地，第二移位寄存器的至少一个元件(例如，一个2比特触发器)与第二和第四开关连接。单独开关驱动具有可以实施不同检测方式的优点。一种优选的方式是顺时针或逆时针方式检测电极对之间的电压降。优选地，当从检测平面的圆心以角度检测时所述电极对彼此分开至少60度。在任何情况下，电极对可以是例如相邻电极对。能够选择可能不同于电压读出顺序的电流注入方式是特别有利的。一个重要用途是从检测排除故障电极和重新分配节省的时间用于在正常运转的电极上检测。发明的 组件的另一种用途是集中分析某些器官，例如心脏。电流注入集中在靠近心脏的电极上，而所有电极的检测都考虑在内。另一个用途是以一种给定的电流注入方式在随后的扫描中检测不同的电压起伏。这种第二检测扫描产生基本独立的一套检测，有助于在分析的后面阶段中的降噪程序。优选地，进一步的或第五开关设置用于将基准信号线，通常是正弦波(Sinusrave)，与电流供给单元连接。第五开关的设置(其实际上对应于第一开关的设置)确定是否正弦波施加到所选择的电极上。正弦波确定注入电流的振幅和频率。正弦波的频率构成电压检测的选择频率。优选地，电流供给单元、电压缓冲单元、第一移位寄存器的至少一个元件、第二移位寄存器的至少一个元件和/或开关集成在集成电路中，即设计成集成电路。优选地，移位寄存器的元件(即第一移位寄存器的至少一个元件和第二移位寄存器的至少一个元件)集成在集成电路中。这种集成电路是足够小的以致安装在各电极上或在各电极附近。优选地，集成电路设置在或连接至电极。这允许包括多个电极组件的带状设置的最佳的紧凑设计。有利的，具有安全保护单元，例如比较器电路，与第二电流源连接，设置用于检测通过所述第二电流源的电压降。安全保护电路具有控制功能，允许防止下列情况，注入电流(即通过测试样品或身体的所有电流的总和)增加到预定的最大阈值水平之上。从而避免危险的高注入电流水平。优选地，安全保护单元包括至少一个电阻和开关，开关与开关逻辑单元接触，每当电极作为注入电极时，开关可控制地通过电阻将第二电流源接地。优选地，检测的电压在解调之前转换为数字格式。因此，A/D转换发生在解调之前。这具有的优点是检测的信号在解调之前可以直接进行分析和评价，而无需加以修改。用于EIT扫描装置的可选择的发明的电极组件包括-电极，-电流供给单元，-电压缓冲单元，-开关逻辑单元，-用于将电流供给单元和电压缓冲单元与电极连接的线路，
-用于将电流供给单元和电压缓冲单元与开关逻辑单元连接的线路，以及-开关逻辑单元与用于根据从开关逻辑单元接收到的数据来驱动电流供给单元和电压缓冲单元的开关相接触，其特征在于安全保护单元，例如比较器电路，与第二电流源连接，设置用于检测通过所述第二电流源的电压降。 有利的，该电极组件当与许多相同的电极组件组合使用时采用一次仅通过一个注入电极注入电流允许EIT检测的安全执行。如果由于某种错误，几个电极作为注入电极，患者暴露于电流的风险变得过高。在这种情况下，通过第二电流源的电压降降低到预定的阈值水平以下。在这个时刻。安全保护电路的开关驱动，作为预防措施，所有的电流注入停止。优选地，开关逻辑单元包括第一移位寄存器的至少一个元件，例如一个触发器，和第二移位寄存器的至少一个元件，例如一个触发器。
优选地，这种可选择的电极组件包括关于任何其它电极组件的在这里披露的单独任一优选特征或组合。发明的带状装置包括许多所述的电极组件，以间隔开的关系设置在支撑带元件上，所述支撑带元件还包括用于将电极组件的电流供给单元、电压缓冲单元和开关逻辑单元与控制电路连接的连接线。这种带状装置可以廉价地进行制造。因此可以用作一次性装置。优选地，相邻的电极组件的开关逻辑单元彼此串联连接。优选地，不同的电极组件的电流供给单元和电压缓冲单元彼此并联连接。优选地。带状装置设置有连接第二电流源和所有电极的安全保护连接线，用于通过多个注入电流源检测同时发生的电流注入。该安全保护线具有控制功能，允许防止以下情况，注入电流增加到预定的最大阈值水平之上。从而避免危险的高注入电流水平。优选地，设置的控制电路包括扫描单元、检测单元、支撑功能单元和计算单元，所述单元通过连接线与电极接触。优选地，检测单元包括第一和第二差分放大器以及连接至所述第一和第二差分放大器的第一和第二 A/D转换器。以此方式一个放大器能够准确检测小的电压差，其它放大器能够准确检测高电压差。由于被检查的样品即身体的相对良好的导电性，通常预期小的电压差，并例如用第一放大器检测，其例如具有相对较高的增益。然而，如果一对的一个或两个电极是有缺陷的，预期的电压差是高的，能够由第二放大器可靠地确定，其例如具有相对低的增益。优选地，所述第一和第二差分放大器包括两个不同的增益，优选第一放大器具有100至1000的范围内的增益，所述第二放大器具有在I至100范围内的增益。优选地，扫描单元设计用于提供用于控制第一移位寄存器的至少一个元件和第二移位寄存器的至少一个元件的数据信号，以及用于计时第一移位寄存器的至少一个元件和第二移位寄存器的至少一个元件的时钟信号。优选地，第一移位寄存器的至少一个元件和第二移位寄存器的至少一个元件在两个不同的时间间隔进行计时。因此，开关逻辑单元可以在不同的时间间隔触发两个不同的命令结构。优选地，支撑功能单元设计用于提供电源电压和参考信号给注入电流源。
更优选地，支撑功能单元设计用于提供电源电压、参考信号和激励信号给注入电流源。优选地，计算单元连接至检测单元，设计成用于使用从检测单元接收到的数据计算期望的EIT扫描图像。发明的EIT扫描系统包括如上描述的带状装置和连接至控制电路的图像计算装置。检测EIT图像的发明的方法包括使用以间隔开的关系设置的多个电极组件，每个电极组件包括-电极，
-电流供给单元，-电压缓冲单元，-开关逻辑单元，-用于将电流供给单元和电压缓冲单元与电极连接的线路，-用于将电流供给单元和电压缓冲单元与开关逻辑单元连接的线路，以及-开关逻辑单元与用于根据从开关逻辑单元接收到的数据来驱动电流供给单元和电压缓冲单元的开关相接触，电极组件通过用于将电流供给单元、电压缓冲单元和开关逻辑单元与控制电路连接的连接线进行连接，其特征在于，开关逻辑用第一移位寄存器(27)的至少一个元件和第二移位寄存器(29)的至少一个元件进行控制。可选地，所述方法的特征还在于，由电极进行的电流注入由用于防止一次经一个以上电极同时发生电流注入的安全保护电路进行控制。根据可选择的具体实施例，检测EIT图像的发明的方法包括使用以间隔开的关系设置的多个电极组件，每个电极组件包括-电极，-电流供给单元，-电压缓冲单元，-开关逻辑单元，-用于将电流供给单元和电压缓冲单元与电极连接的线路，-用于将电流供给单元和电压缓冲单元与开关逻辑单元连接的线路，以及-开关逻辑单元与用于根据从开关逻辑单元接收到的数据来驱动电流供给单元和电压缓冲单元的开关相接触，电极组件通过用于将电流供给单元、电压缓冲单元和开关逻辑单元与控制电路连接的连接线进行连接，其特征在于，由电极进行的电流注入由用于防止一次经一个以上电极同时发生电流注入的安全保护电路进行控制。可选地，所述方法的特征还在于，开关逻辑用第一移位寄存器(27)的至少一个元件和第二移位寄存器(29)的至少一个元件进行控制。两种所述方法使得EIT检测的安全和可靠的应用成为可能。开关逻辑允许以一次单一电极作为注入电极的方式控制检测。安全保护电路提供一种额外保障以确保如果由于故障电极组件或控制电路导致一个以上的电极同时作为电流注入电极，所有的电流注入停止。
优选地，所述第一移位寄存器(27)和所述第二移位寄存器(29)每个是由不同的时钟、不同的时钟速率或不同的时钟线控制的。优选地，所述安全保护电路包括如上所述的安全保护单元(22)。优选地，安全保护单元包括至少一个电阻和开关，开关与开关逻辑单元接触，每当电极作为注入电极时，开关可控制地通过电阻将第二电流源接地。本发明的详细描述如在任何常规的EIT系统中，电流注入以形成电�。�该电场随后由放置在胸部周围的多个电极进行检测。为了获得最大的灵活性，每个电极可以用于注入电流。在8个电极的布置中，例如，这导致8个不同的电流注入的位置和用于每个电流注入位置的8个检测。通常情况下，共8x 8=64个检测将产生，在下面的章节中称为检测向量b。或者，采用其它扫描方式，可以导致更多或更少的检测。 在本发明中，多个电极布置在患者的胸部的周围的带状结构上。这样一种带状物的两端连接在一个连接器中，处于固定的或可变的长度。优选地，连接器例如用应变仪检测带状物的伸长。带状结构的拉伸力随后有利地与关于任何接触不良的电极的信息一起提供给用户。后者如下检测安装在患者的胸部的周围的相同的带状结构上的多个电流源施加交流电流在I和IOmARMS之间，优选为5和IOmA RMS之间，在50kHz和200kHz之间的频率。注入电流源是电压控制的高输出阻抗电流源。其中一个电极作为接地电极、参考电位或电流吸收器。为了通过电极与皮肤之间的可变接触阻抗驱动电流，每个电流源工作在闭环控制模式。其结果是，输出电压会发生变化，以适应不同的和随时间变化的电极-皮肤阻抗。在正常操作中，该电压通常将低于电源电压的50 %。如果电流源不能驱动预先设定的电流通过人体，它会输出一个接近电源电压的电压，通常高于电源电压的80 %。根据本发明的一个方面，所有电极上的电压优选在所有电极的第一完整扫描中进行检测。为了这个目的，可以使用放置在电极上的电压缓冲器。它们输送检测的电压至模拟检测单元，其根据所检测的电压确定特定电极是否正常运转。例如，如果8个电极放置胸部的周围，将需要8个检测评估各电极的接触质量。如果电极不是与皮肤充分接触，相应的电流源不能驱动设定电流通过人体，所述电极处的电压将接近电源电压。如果相应的电流吸收器(参考电位)电极没有形成良好接触，同样适用。因此，如果检测的电压高于某一阈值，通常为80%的电源电压，通过给定的电极对，两个电极中的一个可以定为无功能的。所述阈值是独立于要检查的人体的。它是独立于电极对皮肤的阻抗的，仅是电源供应能力的函数。由于不清楚两个电极中的哪一个，或可能两个电极，造成高电压检测并因此没有形成良好接触，评估过程必须对连接到独立的电极的两个电极进行重复。这样一种程序是隐含在典型的EIT扫描中的，即其中两个电流注入电极以循环方式绕身体周围移动，要么是相邻的电极，或跳过要检测的两电极之间的任何数量的电极。因此，在EIT检测开始时区分出所有的非正常运转的电极，是可能的。导致两次接触不良的每个电极可以安全地定为“无功能的”。在下一步骤中，用无功能的电极检测的所有值从进一步的分析中排除。为了防止通过多个电流源意外注入交流电流，实施了一个可选的安全保护连接。这种安全保护连接是由一个通常2毫安(比较图7)的单独的DC或AC电流源提供的。在各电极上，用于控制板载AC电流源的开关可以连接用于连接例如I千欧电阻的另一开关至安全保护线(图5)。如果电极的功能是注入AC电流，该第二开关连接电阻至安全保护连接，从而漏掉所有的DC电流。如果，偶然的，同时第二电极将尝试注入AC电流，DC电流也可以由该第二电极转移。其结果是，安全保护连接的电压将下降50%，例如从2伏至I伏。中央控制单元优选地设计成用来检查这个电压，如果电压下降到I伏或更低，切断所有电极的电源，从而防止危险的高AC电流的注入。重建人体部分的阻抗图的问题优选通过采用一种本领域公知的技术有限元法(Finite Element Method, FEM)得到解决。FEM使用三角形的网状物描述感兴趣的空间或表面，然后问题的物理学应用于网状物，问题通过使用一定的边界条件(即，因 为延伸网状物至无限的空间是不可能的，必须限制网状物至感兴趣的所研究的介质并描述网状物的边界发生的情况)得到解决。对于一组给定的电流注入电极和一个给定的导电率分布，EIT的正问题是计算在电压检测电极处的电位。通常情况下，重建问题通过Y(s)*V=C得到解决用于EIT的正问题，其中Y是电导矩阵，依赖于电导率s，V是一组电压分布，和C是一组施加电流。假定只能检测在给定的地方(即在电极处)在介质边界处的电压，引入算子D。它返回对应给定的系统和扫描方式的电压检测的一个向量，v=D(V)=Y-1*C。然后，上述正问题相对于参考电导率Stl使用泰勒展开进行线性化，Δ v=S Δ σ ,
Svl其中，S是灵敏度矩阵’Λ σ 是 S — S。Δ V 是 V _ ν0。对于检测中给定的变化Λ V，我们由此得到电导率的变化Λ σ。在图像重建过程中,这个想法是从检测中给定的变化Λ V找到电导率的变化Λ σ。为了计算Λ σ，人们必须逆转矩阵S。此操作通常是非平凡的，并且不能使用矩阵的经典逆转来进行。这一类问题已知在文献中具有逆不适定问题。这意味着该问题比方程式具有更多的未知。尽管不适定性质，一种计算解的方法是使用正则化技术，其意味着对感兴趣的介质进行一些假设。在EIT中的想法本质上是找到问题的最小二乘解Λ σ(Il SA σ-Δν||2)0由于问题是不适定的，增加正则化项，得到以下的成本函数(参见，例如，Adler 和 Guardo, 1996)Φ = 1|SA cr — Δν| +~||jPA<7| j其中，λ是正则化项的加权项，F是空间高通滤波器矩阵。人们可以注意到欧几里得范数(平方)的使用不是强制的，也可用于另一个范数。然后，想法是尽量最小化这个成本函数，找到Λ σ的解。在这里，人们可以利用奇异值分解(Singular Value Decomposition, SVD)方法来解决问题。用于上述给出的成本函数的正则解在(Hansen, Rank-deficient and discrete ill-posed problems, 1998, SIAM, ISBN-978-0-898714-03-6,第 72 页)中给出标准形式。我们首先将我们的成本函数转换获得标准形式表达式φ = -||/Ιχ-6|2+ |χ|| (方程式 I)
2 2其中x=FAo，b=A V。伪逆用于计算Λ σ Δσ = Ffx = [FrFj^i FTx = Lx,(方程式 11)
然后重写成本函数如下
刚 φ = 告Il然后A 是 SL。
, SLA = ......I·==
ψ\ \\fr<>bemmA 的 SVD 是A = U Σ VT,其中UUT=I，VVt=I以及S是含有奇异值的对角矩阵。Hansen给我们用于这种正则化问题的解X = VO [ Σ τ Σ Γ1 Σ TUTb。可以重写上面的表达式X = VEUTb,其中，Si是奇异值。因此，通过使用方程式II，Δ σ的正则解成为Δ ο = MEDAv,其中
IVM=' Hsl
ψ\ It fmb�mmD = UT,眺=泰在这个阶段，几乎在传输过程中，通过3个基础矩阵M，E和D相乘并在E中改变正则化λ因子，可以计算重构矩阵MED。这允许EIT系统适应正则化项以得到所需的图像质量。找到最佳λ因子的一种方法可以是如描述在(Hansen, 1998)中的L-曲线法。根据一优选的具体实施例，排除来自给定的例如是无功能性的或错误的电极子集的数据是有利的。为了这个目的，通过重新启动在方程式I处的计算过程以及通过去除对应排除的电极的电压检测的b和A的矩阵线，重复上述计算。程序的其余部分是完全如上面所述一样的。


本发明在下文中参考附图进行描述。它们显示在图I中示意性地，发明的EIT扫描系统，包括通过包含数据和模拟线的总线系统彼此连接的32个单个电极，和控制电路，其可以是传感器带的一部分或可移除连接其上，以及连接至控制电路的图像计算装置。图2中示意性地，电极驱动单元，包括电流供给单元、电压缓冲单元和开关逻辑单
J Li ο图3中电流供给单元带有用于连接电极和电流供给单元或基准电位的一组命令开关。
图4中电压缓冲单元带有第一和第二电压缓冲器以及用于连接电压缓冲器和模拟采样线Al和A2的命令开关。图5a中示意性地，开关逻辑单元，包括用于控制电流供给单元和电压缓冲单元的开关的两对触发器。图5b示意性地，开关逻辑单元，包括用于控制电流供给单元和电压缓冲单元的开关的两对触发器；此外，示意性地，与开关逻辑有关的安全保护单元。图6a为所有电极正常工作的原EIT图像，图6b中电极I、10和24是无功能的，电极I位于Χ=1、γ=0和电极数目逆时针增加的图像结果，图6c为根据本发明，校正的图像。图7中处于更详细的图I的控制电路，显示其主要部件，即扫描单元、检测单元、支撑功能单元和计算单元。图8处于更详细的图7的检测单元。IIEIT扫描系统；13传感器带；15电极；17电流供给单元；19电压缓冲单元；21开关逻辑单元；22安全保护单元；23扫描单元；25总线系统；27第一移位寄存器的元件，这里例如2比特触发器(触发器I) ；29第二移位寄存器的元件，这里例如2比特触发器(触发器M) ；30控制电路；31电极驱动器(电极组件)；33集成电子元件，即集成电路(IC) ；34模拟开关；35支撑功能单元；36电阻(具有例如I千欧电阻);37模拟检测单元；39计算单元；41附加电流源，用于安全保护连接的电流源；43图像计算装置；45，47带端
具体实施例方式图I的EIT扫描系统11包括多个电极15，通常在8到32之间，其可以布置在要进行检查的人体例如人的胸部的表面上。每个电极15优选地安装在带状物13上，以便用户可以方便地放置电极15在患者的胸部周围。如图2中所示的，在每个电极I附近，放置有注入电流供给单元17、电压缓冲单元19，和开关逻辑单元21以及可选的安全保护单元22。由此，电极15、电流供给单元17、电压缓冲单元19和开关逻辑单元21的组件构成电极驱动器或组件31。电极驱动器31优选地设计成带有集成电子元件33即集成电路的电极15。电极驱动器31由外部控制电路30控制(图I和图2)。注入电流供给单元17优选地基于电压控制的高输出阻抗电流源。电流供给单元17施加电流在5和IOmA RMS之间，在通常50千赫和200千赫之间的频率。较高或较低的频率也是可能的。电压缓冲单元19直接检测在每个电极15上的电压，并将该电压输送至总线系统25，其放置在对象即患者胸部周围并连接所述电极驱动器31和控制电路30。如在图2中所示的，外部控制电路30与每个电极15和其集成电子元件33通过由数字通信数据线10、11、M0和Ml以及模拟信号线Al、A2组成的复合总线25通信。控制电路30还可以包含传感器以检测带状物所施加的力(图中未示出)。优选地，该传感器是应变计，其机械地连接到连接至控制电路箱30的传感器带13的两个臂或两端45、47。图I示出了用于32个电极布置的其具体实施例的原理设计。所有的电极通过数据总线10、11、M0和Ml以及模拟总线Al和A2连接。通过由所述的总线传输的数据，可以确定每个电极的功能。在优选的具体实施例中，数据总线实施为从一个电极到下一个电极运行的菊花链系列串(daisy chain)。图5a示出了使用数字触发器的本发明的开关逻辑单元的优选实施。优选地，两个2比特触发器27、29来实现，一个2比特触发器27确定电极15的电流注入功能，另一个2 比特触发器29确定检测功能。两个时钟，时钟I用于电流注入功能和时钟M用于检测功能，以不同的速率驱动扫描程序(图5)。时钟I可以比时钟M慢得多，例如在32个电极的布置中慢32倍。采用16个工作电极，时钟I可以比时钟M慢16倍。在32个电极中η个电极不工作的情况下，例如由于与皮肤接触不良，因此在检测循环中跳过，时钟I的频率可以比时钟M慢(32-η)倍。但是，对于特定的扫描程序，在很短的期间比方说秒的一部分，两个时钟可以运行在相同的速度或时钟I甚至可以比时钟M快。通常情况下，电极驱动器31的逻辑单元21的第一 2比特触发器，如第一 2比特触发器27，串联至位于随后的电极驱动器上的第二 2比特触发器，从而第一 2比特触发器的输出连接至第二2比特触发器的输入。然后，第一2比特触发器的输出用作用于第一给定的电极驱动器的逻辑信号，第二 2比特触发器的输出用作用于随后的第二电极驱动器的逻辑信号。这样，一系列的2比特触发器是菊花链系列串(daisy chain)式地通过带状物以形成一个大的移位寄存器。可选择的，I比特触发器，代替2比特触发器，可以用于形成更简单的级联菊花链系列串(daisy chain)数据传输电路。在进一步的可选择方案中,可以使用更高比特触发器。锁存器，代替2比特触发器也可用于形成级联菊花链系列串(daisychain)数据传输电路。一般来说，代替触发器，使用锁存器是本领域中已知的。与其它可能的使用移位寄存器的实施相反，这里只需要一个时钟循环以从一个电极传输代码到另一个电极。在每个电极中每个代码比特一个触发器，串联至下一个，使本发明简单和可靠。在另一个具体实施例中，锁存器用于从电极到电极传输代码。优选地,如在图5a中所不的,可以使用两个不同的时钟循环,一个用于注入模式(时钟I)和另一个用于检测模式(时钟M)。因此，电极驱动器31上的逻辑单元21的两个2比特触发器，即第一 2比特触发器27和第二 2比特触发器29，串联至随后的电极驱动器上的第三2比特触发器和第四2比特触发器，从而第一 2比特触发器的输出连接第三2比特触发器的输入，第二 2比特触发器的输出连接第四2比特触发器的输入。然后，第一和第二 2比特触发器的输出用作用于第一给定的电极驱动器的逻辑信号，第三和第四2比特触发器的输出用作用于随后的第二电极驱动器的逻辑信号。这样，带有两个不同时钟循环的两个系列的2比特触发器是菊花链系列串(daisy chain)式地通过带状物以形成移位寄存器。同样在这里可以使用其它类型的触发器或锁存器代替触发器以形成菊花链系列串(daisychain)数据传输电路。有利的，使用的触发器类型是边沿触发D-触发器和/或主从D-触发器。从图I和图7可以看出，控制电路30驱动互连电极驱动器31的总线25。支撑功能单元35提供所有的电源电压(S卩，在本示例性具体实施例中由两根电源电 压输送线和两根地线组成)和基准正弦波以控制电流供给单元17，其在各电极15上作为单独的注入电流源进行操作。线路“安全保护”由另外的电流源(41)驱动。如果电极驱动器31的其中一个打开其板载注入电流源，“安全保护”线路切换到一个电阻36 (例如，如在图5b所示的I千欧)。开关34和电阻36—起形成一个安全保护单元22，其是电极驱动器31的集成电子元件33的一部分。如果，偶然的，几个电极驱动器31将其板载的注入电流源同时打开，“安全保护”线路上的电流将通过几个各自的电阻分流，因此“安全保护”线路上的电压将下降到阈值以下。这样的情况由显示在图7中的支撑功能单元35检测，结果，切断电源线以防止过量的电流注入。在一个优选的具体实施例中，每个电极驱动器31可以具有不同的功能，如表I和表2中示出的。电极驱动器31可以作为一个注入电流源，作为基准电位，连接电极与模拟总线Al或A2,或结合所有这些功能。在图3中显示了电流供给单元17的优选的实施。该电流供给单元17包括一组命令开关用于连接电极与注入电流供给或基准电位(例如接地)。图3中所示的示例性的电流供给单元17包括10千欧(如用IOk表示的)或82欧姆(如用82R表示的)电阻元件和具有100毫微法(由IOOn表示的)电容的电容器。在图4中显示了电压缓冲单元19的优选实施。该电压缓冲单元19包括第一和第二电压缓冲器以及分别用于连接电极缓冲器与模拟采样线Al和A2的两个各自的命令开关。可选择的，切换电极驱动器31以便电极是无源的，即电极与所有模拟信号线(即Al和A2)和电极断开连接。如描述在图7中的，在本发明的一个优选具体实施例中，电极驱动器31由包含四个功能块一个扫描单元23，一个模拟检测单元37，一个支撑功能单元35，和一个计算单元39的控制电路30控制。扫描单元23作出用于每个电极驱动器31的两个2比特命令。I个2比特命令限定电极驱动器31的电流注入功能，另一个2比特命令限定它的检测功能，如表I和表2中所不的。表I :AC电流注入命令结构。NOP意思是“没有操作”，即没有连接到电极
功能 Γ ~ΓΤΙ~ 开关I I开关3 j开关5 NOPO O断开断开断开
电流源 i ο ISWm~
参考电位 ο i WW 11表2检测命令结构
权利要求
1.用于EIT扫描装置(11)的电极组件包括 -电极(15), -电流供给单元(17)， -电压缓冲单元(19)， -开关逻辑单元(21)， -用于将电流供给单元(17)和电压缓冲单元(19)与电极(15)连接的线路， -用于将电流供给单元(17)和电压缓冲单元(19)与开关逻辑单元(21)连接的线路，以及 -开关逻辑单元(21)与用于根据从开关逻辑单元(21)接收到的数据来驱动电流供给単元(17)和电压缓冲单元(19)的开关相接触， 其特征在干， 开关逻辑单元(21)包括第一移位寄存器(27)的至少ー个元件和第二移位寄存器(29)的至少ー个元件。
2.根据权利要求I所述的电极组件，其特征在于，移位寄存器(27，29)的元件由两个不同的时钟、时钟速率和/或时钟线控制。
3.根据前述权利要求任一所述的电极组件，其特征在于，移位寄存器(27，29)的元件位于电极附近。
4.根据前述权利要求任一所述的电极组件，其特征在于，所述的第一移位寄存器(27)的至少ー个元件和/或所述的第二移位寄存器(29)的至少ー个元件是触发器，优选2比特触发器。
5.根据前述权利要求任一所述的电极组件，其特征在于，开关逻辑单元(21)包括用于通过至少ー个第一开关连接电流供给单元(17)和电极(15)的第一移位寄存器的至少ー个元件，和用于通过至少ー个第二开关连接电压缓冲单元(19)和模拟线Al及A2的第二移位寄存器(29)的至少ー个元件。
6.根据权利要求5所述的电极组件，其特征在于，设置ー个由第一移位寄存器(27)的ー个元件控制的第三开关，用于连接电极(15)与參考电位。
7.根据前述权利要求任一所述的电极组件，其特征在于，第一移位寄存器(27)的至少一个元件与第一及第三开关连接。
8.根据权利要求5 7任一所述的电极组件，其特征在干，电压缓冲单元(19)包括第一和第二电压缓冲器、所述第二开关和用于将第一和第二电压缓冲器之一或两者连接各自的第一和第二模拟线Al及A2的第四开关。
9.根据权利要求8所述的电极组件，其特征在于，第二移位寄存器(29)的至少ー个元件与第二及第四开关连接。
10.根据前述权利要求任一所述的电极组件，其特征在干，进ー步的或第五开关设置用于将基准信号线，通常是正弦波，与电流供给单元(17)连接。
11.根据前述权利要求任一所述的电极组件，其特征在干，电流供给单元(17)、电压缓冲单元(19)、移位寄存器(27，29)的元件和开关集成在集成电路(33)中。
12.根据权利要求11所述的电极组件，其特征在于，集成电路(33)设置在电极(15)上或连接电极(15)。
13.根据前述权利要求任一所述的电极组件，其特征在于，具有安全保护单元(22)，例如比较器电路，与第二电流源(41)连接，设置用于检测通过所述第二电流源(41)的电压降。
14.根据权利要求13所述的电极组件，其特征在于，安全保护单元(22)包括至少ー个电阻和开关，开关与开关逻辑单元(21)接触，每当电极(15)作为注入电极时，开关可控制地将第二电流源(41)连接至电阻。
15.帯状装置(13)包括多个根据权利要求I 14所述的电极组件(31)，以间隔开的关系设置在支撑带元件上，所述支撑带元件还包括用于将电极组件(31)的电流供给单元(17),电压缓冲单元(19)和开关逻辑单元(21)与控制电路(30)连接的连接线(25)。
16.根据权利要求15所述的带状装置，其特征在于，相邻的电极组件(31)的开关逻辑单元(21)彼此串联连接。
17.根据权利要求15和16任一所述的带状装置，其特征在于，不同的电极组件(31)的电流供给单元(17)和电压缓冲单元(19)彼此并联连接。
18.根据权利要求15 17任一所述的带状装置，其特征在于，设置有连接第二电流源(41)和所有电极(15)的安全保护连接线，用于通过多个注入电流源(17)检测同时发生的电流注入。
19.根据权利要求15 20任一所述的带状装置，其特征在于，设置了控制电路(30)，包括 扫描单元(23)， 检测单元(37)， 支撑功能单元(35)，和 计算单元(39)， 所述单元通过连接线(25)与电极组件(31)接触。
20.根据权利要求19所述的带状装置，其特征在干，检测单元包括第一和第二差分放大器以及连接至所述第一和第二差分放大器的第一和第二 A/D转换器。
21.根据权利要求20所述的带状装置，其特征在于，所述第一和第二差分放大器包括两个不同的増益。
22.根据权利要求19 21任一所述的带状装置，其特征在干，扫描单元(23)设计用于提供用于控制第一移位寄存器(27)的至少ー个元件和第二移位寄存器(29)的至少ー个元件的数据信号，以及用于计时第一移位寄存器(27)的至少ー个元件和第二移位寄存器(29)的至少ー个元件的时钟信号。
23.根据权利要求19 22任一所述的带状装置，其特征在于，支撑功能単元(35)设计用于提供电源电压和參考信号给注入电流源(17 )。
24.通过使用以间隔开的关系设置的多个电极组件(31)检测EIT图像的方法，每个电极组件包括 -电极(15), -电流供给单元(17)， -电压缓冲单元(19)， -开关逻辑单元(21)，-用于将电流供给单元(17)和电压缓冲单元(19)与电极(15)连接的线路， -用于将电流供给单元(17)和电压缓冲单元(19)与开关逻辑单元(21)连接的线路，以及 -开关逻辑单元(21)与用于根据从开关逻辑单元(21)接收到的数据来驱动电流供给単元(17)和电压缓冲单元(19)的开关相接触， 电极组件通过用于将电流供给单元(17)、电压缓冲单元(19)和开关逻辑单元(21)与控制电路(30)连接的连接线(25)进行连接， 其特征在干，开关逻辑用第一移位寄存器(27)的至少ー个元件和第二移位寄存器(29)的至少ー个元件进行控制。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述第一移位寄存器(27)和所述第二移位寄存器(29)每个由不同的时钟、不同的时钟速率和/或不同的时钟线控制。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其特征在于，由电极进行的电流注入由用于防止一次经ー个以上电极(15)同时发生电流注入的安全保护单元(22)进行控制。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，安全保护单元(22)包括至少ー个电阻和开关，开关与开关逻辑单元(21)接触，每当电极(15)作为注入电极时，开关可控制地将第二电流源(41)连接至电阻。
全文摘要
用于EIT扫描装置(11)的电极组件包括电极(15)、电流供给单元(17)、电压缓冲单元(19)、开关逻辑单元(21)、以及用于连接不同元件的线路，其中开关逻辑单元(21)包括第一移位寄存器(27)的至少一个元件和第二移位寄存器(29)的至少一个元件。带状装置包括多个所述电极组件。用于检测EIT图像的方法使用这种优选布置在这样一种带状装置中的电极组件。
文档编号G01N27/04GK102821684SQ201180013816
公开日2012年12月12日 申请日期2011年3月15日 优先权日2010年3月16日
发明者约瑟夫克斯·布伦纳, 尼古拉斯·罗比塔耶, 帕斯卡尔·奥利维尔·加格罗 申请人:斯威斯托姆公开股份有限公司