專利名稱：用于電阻抗斷層成像的傳感器裝置、電阻抗斷層成像裝置和電阻抗斷層成像方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于電阻抗斷層成像(electrical impedance tomography,EIT)的包括用于測量阻抗分布的電極陣列的傳感器裝置、可連接包括電極陣列的傳感器裝置的EIT成像裝置、用于測量阻抗分布和調整所述的測量的阻抗分布的EIT成像方法。
背景技術：
電阻抗斷層成像(EIT)技術是一種用于研究和檢測人類和動物中區(qū)域肺通氣和灌注(血液流動)的非侵入性成像技術。與常規(guī)方法相反，EIT不需要患者通過管道或傳感器呼吸，不應用電離X射線，并且可以用于長時間，例如24小時或甚至更長時間。因此，EIT可以連續(xù)使用，因此適合于實時和長期監(jiān)測治療效果。EIT于1983年首次用于監(jiān)測呼吸功能，并保持允許肺容積、血流量和心臟活動的區(qū)域變化的連續(xù)的、非侵入性檢測的唯一的床邊方法。該技術的更多細節(jié)可以在“Electrical impedance tomography〃by Costa E.L., LimaR.G., and Amato Μ.B.1n Curr Opin Crit Care, Feb.2009, 15(1)，p.18-24 中找到。在EIT中，如美國專利US5626146所披露的，多個電極，通常從8到32個，設置在要檢查的身體的表面上。控制單元確保電信號，例如電流施加在皮膚上的一對或多對電極以形成電場，其反過來由其它電極檢測。用于施加電流的電極稱為“電流注入電極”，盡管其中一個可能作為基準電位，例如接地。通常情況下，3至IOmA RMS在0.1-1OOOkHz的頻率范圍內注入。采用剩余的電極，檢測所產生的電壓(形成“EIT數(shù)據(jù)向量”或“掃描幀”)并隨后用于估計身體中電阻抗的分布。具體的算法得到開發(fā)以將一組電壓轉換成圖像。這些轉換經受兩個主要挑戰(zhàn):第一是數(shù)學問題是不適定的和非線性的，第二是由于放大器和電流源的變化導致的測量電壓的不準確。為了克服阻抗估計的不適定性質，大多數(shù)EIT成像算法使用另外的假設、限制或約束。現(xiàn)有技術中已知的典型方法是使用關于介質的內部結構的先驗知識和正則化以選擇特定的方案。先驗知識的例子包括解剖結構、器官的功能、組織的物理特性像電導率、血流量、心臟收縮時間等等。在呼吸功能監(jiān)測的情況下，先驗知識可以來自，例如，在氣道開口處的流量或體積測量、胸部X射線圖像或更優(yōu)選地CT掃描，給予患者胸部的輪廓和主要結構。正則化方法能夠在競爭的方案之間算法決定，產生胸內真實阻抗分布的合理估計的圖像。解剖和生理知識，以及物理定律形成本領域已知的正則化方法的基礎。例如，在胸內阻抗分布中的突然變化通常作為非生理的而丟棄。重力影響血量和血流的分布，因此阻抗的分布。根據(jù)姿勢、患者的疾病和阻抗分布的胸內位置，重力對測量信號具有重大影響。已知機械通氣的重癥監(jiān)護患者在仰臥位置時在肺的背部區(qū)域中遭受區(qū)域肺萎縮。這種萎縮可以導致或加重急性肺損傷。姿勢變化，例如轉動患者至側面，或在其前面上(俯臥位)可能扭轉萎縮，因此可以產生有益療效。三區(qū)域模型可以使用用于證明重力的影響(He-denstierna G.et al.Pulmonarydensities during anaesthesia.An experimental study on lung morphology and gasexchange.Eur Respir J.1989Jun; 2 (6): 528)。這種模型的三個區(qū)域為:區(qū)域1:打開和良好充氣肺泡；區(qū)域2:不穩(wěn)定肺泡，其中它們的打開和閉合發(fā)生在呼吸循環(huán)過程中；區(qū)域3:萎縮肺泡。例如作為患者躺在其背面上(仰臥位置)或在他們的胃上(俯臥位置)的結果，這些區(qū)域形成。在健康對象中，區(qū)域通常在直立的位置消失。在肺中區(qū)域顯示的程度或水平可能相對于重力向量而變化。但在與重力向量正交的平面上區(qū)域顯示的程度或水平通常保持不變。由于肺單位的循環(huán)打開和閉合導致的通氣誘導的肺損傷假設主要發(fā)生在區(qū)域2中。低氧血癥由通過非充氣區(qū)域3的血液分流導致。在患者中消除那兩個區(qū)域是治療目標。

在機械通氣患者中，氧合作用可以通過改變患者的體位進行改善。這種改進的機制是萎縮肺空間，上面描述為區(qū)域3，正在新的體位中打開，因此氧合作用得到改善。旋轉機械通氣患者的身體至限定的側臥位以改善肺功能在現(xiàn)有技術中是已知的，如披露在國際申請 TO2005/094369 中。基于以上的知識，使用EIT監(jiān)測肺的運作以檢測功能紊亂如肺萎縮和這種萎縮的逆轉，可能看起來很明顯。然而，在實踐中，如果不是不可能在EIT圖像上看到，萎縮區(qū)域是困難的。為了克服在電阻抗斷層成像方法中測量電壓的不準確，已知使用時間差分圖像，即關于在時間上某個之前特定時間點拍攝的圖像計算的圖像。這種時間差分圖像形成于阻抗相對于基線或參考條件的變化。這種相對或差分方法取消了系統(tǒng)測量誤差以及與關于胸部形狀、身體組成和接觸阻抗的不正確假設相關的一些錯誤，因為該同樣的錯誤假設以成比例方式存在所有圖像中。按順序迅速繪制，類似一部電影，這些圖像形成進出每個肺部區(qū)域的氣體和血流量的可視化表示，允許醫(yī)生實時評估肺功能。因此，可以監(jiān)測器官功能如心臟跳動和肺呼吸的動力學。用于穩(wěn)定的時間差分圖像的先決條件是聲音差分圖像。為此目的，經常使用掃描幀(復合EIT信號或體積描記圖)的所有值的總和或平均值。假定出現(xiàn)呼吸(吸氣開始)對應復合EIT信號的局部最小值，因此參考圖像就在這個點拍攝。但是，在具有小呼吸容量和低信噪比的患者中，例如在重癥監(jiān)護患者中，復合EIT信號是微弱的，吸氣開始的精確測定是幾乎不可能的。采用目前可獲得的EIT儀器，偽假象非常容易形成虛假信號，引入錯誤和偏離，最終導致錯誤的臨床決策。文獻W02006/121469A1描述一種EEG系統(tǒng)，包括帶電極的帽蓋和和運動傳感器。電極記錄EEG信號。運動傳感器獲得運動數(shù)據(jù)，其可能包括與患者運動、患者內的血液流動和心臟沖擊運動相關的噪聲信號。數(shù)據(jù)進行處理，以減少EEG信號中的運動噪聲。一些最近公開的EIT方法如下所示:文獻W000/33733A1涉及用于基于呼吸壓力區(qū)域確定肺泡打開和閉合的方法，其中采用電阻抗斷層成像方法，基于呼吸壓力在至少一個肺區(qū)域測量阻抗信號。文獻W02009/035965A1披露用于評估由患者攝取的區(qū)域氧的裝置和方法。為實現(xiàn)這一目標，在不同時間測量的兩個電阻抗斷層成像圖像進行比較。一個圖像在吸氣不久后獲取，第二圖像在屏住呼吸一段時間后獲取。在肺容積中的區(qū)域差異解釋為與耗氧量相關。文獻US2004/034307A1涉及使用波場能量如超聲波的反射斷層成像。此方法在浸沒在充液容器中的身體上進行。傳感器和接收器離身體一段距離放置。.
在 Brunner et al.，titlecTlmaging of local lung ventilation underdifferent gravitational conditions with electrical impedance tomography", inACTA Astronautica, Pergamon Press, Elmsford, GB, Bol.60n0.4-7 (2007)的科學論文中，指的是在不同重力條件下肺通氣的EIT成像。區(qū)域肺通氣取決于施加的重力的量和方向。重力的影響根據(jù)測試者的位置和方向而變化。文章描述了歸于感興趣的四個區(qū)域的參數(shù)如何根據(jù)測試者的傾斜角度而變化。以上科學論文證明在肺灌注和肺通氣上的重力影響。區(qū)域差異的存在在現(xiàn)有技術中是已知的，暴露這些差異的方法由引用的出版物和其它出版物所披露。但是，迄今為止披露的方法都不允許補償重力影響和偽假象。對改進的EIT裝置和分析方法存在需要，其允許監(jiān)測肺功能和直接治療。特別是長期EIT觀察期望以改善診斷和后續(xù)治療。例如，由于連續(xù)EIT監(jiān)測，可以評價區(qū)域肺通氣和區(qū)域肺萎縮，評估肺損傷的可能性，和開始救生治療選項，例如肺復張。尤其重癥監(jiān)護患者能夠大大得益于改進的電阻抗斷層成像技術和EIT的連續(xù)監(jiān)測。

發(fā)明內容
發(fā)明目的因此，本發(fā)明的一個目的是提供能夠測量和計算可靠的EIT差分圖象的裝置和方法。另一個目的是提供允許準確實時監(jiān)測肺功能的裝置和方法。此外，形成改進的差分圖像和改進EIT技術的實用性和易用性是一個目的。此外，改進正則化方法是一個目的。發(fā)明概述以上目的通過提供和使用空間信息以形成改進的EIT圖像來實現(xiàn)?？臻g信息包括描述身體或身體部分的體位和/或方向即空間方向的數(shù)據(jù)。例如標準正則化方法通過在EIT分析期間集成空間信息即關于身體部分例如像胸部的方向和位置的信息而擴展。詳細地，以上目的采用發(fā)明的傳感器裝置、發(fā)明的EIT成像裝置和EIT成像方法而實現(xiàn)。用于EIT成像的發(fā)明的傳感器裝置，包括用于測量阻抗分布的電極陣列，其特征在于，用于采集空間信息(即用于確定測試者的空間方向)的至少一個傳感器連接至電極陣列?？臻g信息包括關于傳感器的方向和/或位置的信息。例如傳感器可以附著在電極陣列自身，或可以相對于電極陣列以及因此相對于測試的身體部分以限定關系放置。因此，空間信息包括關于測試對象(測試者)尤其測試的身體部分的方向和/或位置的信息。在實踐中有利的，所述空間信息描述附著至測試對象的電極陣列的空間方向和/或位置。傳感器的位置和/或方向的數(shù)據(jù)可以轉換為限定測試的身體部分相對于重力向量即相對于重力向量的方向的方向的數(shù)據(jù)。因此，例如當測量胸部(或另一個身體部分)的阻抗時，采集的空間信息描述胸腔和因此肺部(或所述其它身體部分)相對于重力的方向。關于測試者特別是電阻抗測試身體部分的方向和位置的空間信息是用于相對于重力影響調整阻抗分布測量數(shù)據(jù)的先決條件。優(yōu)選地，用于確定測試對象的空間方向的至少一個傳感器連接至電極陣列。據(jù)此，例如，確定測試對象的空間方向與重力向量的方向有關。

描述的額外的空間信息是非常有用于形成臨床上可用的圖像和影片。能夠提供取決于體位的可靠的EIT差分圖像的裝置以前沒有描述過。有利地，用于確定測試者的空間方向的至少一個傳感器包括空間數(shù)據(jù)傳感器，如三維加速度傳感器，也稱為三軸加速度傳感器或重力傳感器。此傳感器使用用于有利地確定相對于重力向量的位置或方向。簡單加速度傳感器，例如單軸加速度傳感器，只能夠檢測運動，但不能夠測量位置或方向，不滿足上述目的。方便地，電極陣列形成在觀察平面內限定觀察區(qū)域的電極的陣列。有利地，電極陣列的電極設置在帶狀結構中和/或上。這允許快速而容易地處理電極以及容易定位和安裝電極到身體部分上。當用于確定測試者的空間方向的傳感器集成到或固定地所述帶狀結構時、傳感器裝置的處理、定位和安裝變得特別容易。優(yōu)選地，電極陣列，特別是帶狀結構，是有 彈性的，例如包括彈性元件。彈性陣列或帶狀結構至少在其縱向延伸中是可伸縮的。陣列或帶狀結構的彈性的特征允許電極陣列緊緊安裝在身體上，同時身體部分的運動，如例如胸部的呼吸運動，不受陣列或帶狀結構的約束。在呼吸期間，彈性陣列或帶狀結構有節(jié)奏地擴大和縮短長度。有利地，用于采集電活動信息的至少一個傳感器連接至電極陣列。電活動最明顯由心臟運動，即心臟活動所誘導。因此，此傳感器允許采集有關心臟活動的信息。方便地，用于采集電活動信息的至少一個傳感器包括心電圖傳感器，優(yōu)選可連接至心電圖儀。有利地，用于采集聲活動信息的至少一個傳感器連接至電極陣列。聲活動最明顯由心臟收縮和其閥門的打開和閉合即心臟活動所誘導。因此，此傳感器允許采集有關心臟活動的信息。方便地，用于采集聲活動信息的至少一個傳感器包括麥克風或心音圖傳感器，優(yōu)選可連接至心音圖儀。有利地，用于采集吸氣期間電極陣列的周長或擴張變化信息的至少一個傳感器集成或連接至電極陣列。此傳感器允許采集與測試者的呼吸活動相關的數(shù)據(jù)。方便地，用于采集擴張信息的至少一個傳感器包括應變儀。優(yōu)選地，用于采集擴張信息的傳感器檢測吸氣期間身體部分特別是胸部的擴張。當使用在帶狀結構中和/或上的電極陣列時，所述傳感器可能檢測身體部分的周長的變化。有利地，集成或連接至帶狀結構的應變儀用于采集帶狀結構的擴張以及因此身體部分的周長的變化的數(shù)據(jù)。發(fā)明的EIT成像裝置是可連接到用于確定測試者的空間方向的傳感器的，可選地，此外發(fā)明的EIT成像裝置是可連接到用于采集電和/或聲活動信息的傳感器和/或用于采集擴張信息的傳感器的。根據(jù)本發(fā)明，所述EIT成像裝置其特征在于計算裝置連接其上或集成其中用于基于空間數(shù)據(jù)(即空間方向數(shù)據(jù))，和可選地，此外基于擴張數(shù)據(jù)和/或電和/或活動數(shù)據(jù)，調整阻抗數(shù)據(jù)的目的?？臻g數(shù)據(jù)有利地描述測試對象的空間方向(例如，通過檢測用于確定測試者的空間方向的傳感器的方向，更具體地通過檢測連接至所述傳感器的電極陣列的方向)。有利地，提到的空間數(shù)據(jù)描述關于重力向量的方向的空間方向。計算裝置包括用于分析所述空間數(shù)據(jù)和調整阻抗數(shù)據(jù)的調試程序。有利地，計算裝置關聯(lián)空間數(shù)據(jù)和同時(即接近同時)測量的阻抗數(shù)據(jù)。計算裝置使用通?？傻貌⑼ǔＲ呀洶ㄔ跇藴蔈IT成像儀器中的微處理器和內存。具有集成功能以測量和分析空間信息的EIT成像儀器比現(xiàn)有技術EIT成像儀器更通用。此外，由于新功能的集成，發(fā)明的EIT成像儀器將容易操作。用于測量阻抗分布和調整測量的阻抗分布的發(fā)明的EIT成像方法包括步驟(i)通過使用包括電極陣列的阻抗分布測量裝置測量阻抗分布和(ii)將測量的阻抗分布轉換成EIT圖像。根據(jù)本發(fā)明，所述EIT成像方法其特征在于測量的阻抗分布的值因為重力影響得到調整，例如增強和/或修改。更詳細地，所述EIT成像方法其特征在于測試對象的空間方向得到確定(特別是通過測量電極陣列的空間方向)以及為了消除重力影響，測量的阻抗分布的值基于所述空間方向得到調整。根據(jù)重力影響的調整可能受到影響，因為測量的阻抗分布的值因為重力影響得到增強和/或修改。用于重力影響的描述的調整允許形成視覺增強的以及因此臨床上更有意義的圖像和影片。電極陣列的空間方向與測試的身體部分的方向和/或位置相關聯(lián)。有利地，電極陣列與測試對象的皮膚接觸，并優(yōu)選附著在要測試的身體部分上。有利地，這種重力影響的可視化基于阻抗分布測量裝置的空間方向的測量，特別是電極陣列的空間方向。因為電極陣列連接到測試者的身體，電極陣列的方向關聯(lián)或者更確切地說取決于測試者的位置，特別是測試的身體部分的位置。在阻抗分布的測量過程中，通過檢測阻抗分布測量 裝置特別是電極陣列的方向，根據(jù)重力影響的調整成為可能?？臻g信息，例如基于身體的位置和方向，允許計算臨床上可用的圖像和影片。新方法允許接近實時計算并如有必要使得能夠立即診斷和救生治療。優(yōu)選地，重力向量用于描述電極陣列以及因此測試者的空間方向。因此，測試對象或電極陣列的空間方向相對于重力向量的方向進行測量。優(yōu)選地，測試對象的空間方向，特別是例如重力向量，在阻抗分布的測量期間進行測量。更優(yōu)選地，測試對象的空間方向，特別是例如重力向量，和阻抗分布接近同時進行測量。有利地，測試對象的阻抗分布和空間方向的值，特別是例如重力向量，在I秒內、優(yōu)選在500毫秒內、更優(yōu)選在100毫秒內以及最優(yōu)選在10毫秒內進行測量。對于成功的調整，在方向例如重力向量上的空間信息的測量和阻抗分布的測量之間的延遲應不超過幾毫秒。有利地，阻抗分布測量裝置包括至少一個電極陣列；優(yōu)選地所述電極陣列設置在帶狀結構中。有利地，測量的阻抗分布此外與心臟的電活動同步。優(yōu)選地，電活動信息使用心電圖傳感器測量。有利地，測量的阻抗分布此外與心臟的聲活動同步。優(yōu)選地，聲活動信息使用麥克風或更優(yōu)選地心音圖傳感器測量。有利地，測量的阻抗分布額外根據(jù)觀察區(qū)域即觀察的身體部分的周長或擴張進行調整，其中觀察區(qū)域如由電極陣列限定。更具體地，電極陣列在身體部分上的位置限定觀察區(qū)域。優(yōu)選地，周長或擴張中的變化的信息使用應變儀進行測量。應變儀例如設置在阻抗分布測量裝置上，即帶狀電極陣列上。當設置在身體部分(例如測試者的胸部)周圍時在阻抗分布測量裝置的周長或擴張中的檢測到的變化允許記錄由于呼吸活動導致的胸圍的時間變化。胸部運動的信息可以可選擇地使用加速度傳感器進行測量。為了測量運動，例如簡單的單軸加速度傳感器就足夠了。但是，如果使用三軸加速度傳感器，與運動和方向相關的數(shù)據(jù)可以采用相同的傳感器進行檢測。


以下通過參考

本發(fā)明。它們顯示:圖1:在隨機的空間位置的測試者。圖2:測試者在相對于重力向量的三個不同方向的胸部切割以及位置依賴的區(qū)域分布，(a)仰臥位置，(b)背倚位置，(C)直立位置。圖3:測試者在相對重力向量的二個不同方向的胸部切割以及位置依賴的區(qū)域分布，(a)完全仰臥位置，(b)側翻仰臥位置。圖4:基于觀察平面相對于重力向量的空間方向的u-h軸系統(tǒng)和U’ -h’軸系統(tǒng)。濾波器的例子顯示在圖片的右側。圖5:測量的和各自的濾波的應變儀信號。圖6:用于網格的單一節(jié)點的像素化脈沖圖像的形成的示意圖。圖7:矩陣P的形成的示意圖。圖8:在空間頻率域中濾波方法的示意圖。

圖9:矩陣R.的形成的示意圖。說明:11測試者；13帶狀結構；15觀察平面；17主體軸(也稱為縱軸或前后軸)；19從腹部到后背的體軸(也稱為腹背軸)；21 胸部；23 右肺；25 左肺；31 區(qū)域 I;32 區(qū)域 2 ；33 區(qū)域 3。
具體實施例方式雖然本發(fā)明允許采用許多不同形式的具體實施例，但是本發(fā)明的優(yōu)選的具體實施例顯示在附圖中并將在這里進行詳細描述，理解到本說明書視為本發(fā)明的原理的示例，并不旨在限制本發(fā)明的廣泛方面至所示的具體實施例。如在本領域中已知的，EIT數(shù)據(jù)通過放置在測試者11的胸部周圍的許多電極獲得，如在圖1中所描繪的。在本發(fā)明中，電極優(yōu)選安裝在帶狀結構13上，其將它們保持在相對于測試者11的身體部分的幾何限定位置。在實踐中，觀察平面15可以通過將組裝有許多電極的陣列的帶狀結構13放置在身體部分的周圍進行選擇。電極的精確設置對于本發(fā)明并不重要。如圖1所示的優(yōu)選的設置是這樣的以便電極的位置限定觀察平面15(也稱為電極平面)，例如測試者11的胸圍的周圍。在這種設置中，觀察平面15，如例如由EIT帶13限定的，垂直于頭尾主體軸17 (前后軸或軀干的矢狀軸)。角度a (alpha)由體軸相對于重力向量g的位置限定。因此，α是主體軸17和重力向量g之間的角度。向量g可以分解為兩個分量，這些分量的其中一個(g。)位于垂直體軸的平面內，例如由EIT帶限定的觀察平面，如在圖1所示的。如本領域已知的，使用第一對電極用于注入電流或施加電壓(激勵信號)，以形成電場。激勵信號的施加導致的電壓或電流隨后在每個剩余電極測量。激勵信號然后移動到下一對電極并重復測量順序。例如，在32個電極的設置中，每個測量回路產生32x32次測量。每個回路的測量有時稱為〃掃描幀〃或"EIT數(shù)據(jù)向量"。根據(jù)本發(fā)明，除了關于所述的形成的電場的信息外，還采集測試者的方向的空間信息。例如，為了使得空間信息和電場信息的同時測量成為可能，三維加速度傳感器(例如博世BMA150傳感器集成電路)機械連接帶狀結構。加速度傳感器測量重力向量。隱含地，測量重力向量g和電極平面15之間的角度(即圖1中的角度α )，因為加速度傳感器和帶狀結構機械連接。正則化，例如通過空間濾波器F (請參見下面的例子)，此后得到優(yōu)化以重視在垂直于重力向量分量g。的水平面中顯示均勻性的解。重量，此處稱為k，也是重力向量相對于觀察平面的角度α和確定期望對比度的用戶限定因子c和d的函數(shù)。在優(yōu)選的具體實施例中，k和α之間的關系是正弦函數(shù)。因此角度α、重量k和因子c和d之間的關系可以由下面公式表示。因此α是體軸和重力向量g之間的角度(α的限定描繪在圖1和2中):k = C * Y(ff) + d，其中Y可以是α的線性函數(shù)或正弦函數(shù)，以允許平滑過渡。優(yōu)選地，加速度傳感器機械連接到包含電極的帶狀結構13。其測量傳感器帶狀結構相對于重力向量g的方向，優(yōu)選地如在空間中以度或弧度的角度α。在圖2中，胸部切割顯示處于相對于重力向量g的不同方向。在胸腔21中，兩個肺23和25位于左和右側。為了說明，在合適的地方，3區(qū)域模型(如上面介紹的)的區(qū)域在每個肺中顯示在三個不同的陰影。根據(jù)模型，區(qū)域通常延伸在垂直于重力向量的層中。第一區(qū)域31以淺灰色標記，第二區(qū)域32以灰色標記，第三區(qū)域33以深灰色標記。根據(jù)模型，肺泡充氣在區(qū)域2中減少，并由于肺泡萎縮進一步在區(qū)域3中減少或甚至沒有。如果重力向量在(即平行于)觀察平面內，那么區(qū)域1、2和3最大限度地顯示(圖2a)。換句話說，如果重力向量g垂直于主體軸17，三個區(qū)域是清楚可區(qū)別的。圖2a以仰臥位置顯示這種情況，其中主體軸(顯示為白色圓圈中的黑點)垂直于繪圖平面。如果身體傾斜，重力向量移動至觀察平面的外側，區(qū)域變得沒有那么明顯(圖2b)。在直立位置(圖2c)，角度α約為零，區(qū)域幾乎完全消失。從圖2a至2c，隨著觀察平面相對于重力向量進一步傾斜，區(qū)域顯示變得更弱。如果重力向量g在觀察平面15內，那么三區(qū)域模型的區(qū)域最大限度地顯示，如圖2a中所示。對于任何體位，其中重力向量g在觀 察平面外，即α不同于90度，區(qū)域仍然保持顯示-雖然以更小程度(圖2a和2b)，因為總是有重力向量g的分量gc位于觀察平面內，除了當α等于零(α=0)時以外。隨著減小的角度α，從90度開始，區(qū)域變得不那么明顯并在約O度完全消失(圖2c)。通常，這種關系表示為正弦函數(shù)。但是，可以使用其它函數(shù)。在直立患者(圖2c)中，重力向量沿著人的體軸，區(qū)域I到3沿著從肺尖(尖端)至橫膈膜。在這個位置，區(qū)域I到3將不在橫截面EIT圖像上顯現(xiàn)自身。如果患者在仰臥位置，區(qū)域3位于背面(依賴區(qū)域)上，而區(qū)域I位于朝向胸部(獨立區(qū)域)。在仰臥位置(圖2a)，區(qū)域I到3在觀察平面內，從而影響EIT圖像。如果患者位于俯臥位置，區(qū)域I到3仍在觀察平面內，但處于相反順序。上面描述的體位包括從仰臥位置到直立位置的所有位置。然而，仍然沒有考慮身體側翻或側扭的位置。翻轉的體位可以通過穿透由主體軸17和重力向量g限定的平面的腹背軸19進行描述。腹背軸19限定為垂直于主體軸17 (如圖1所示)。翻轉位置可以是相關的或重要的，即使當進行簡短檢查時，因為在EIT測量期間患者可能會被建議采取某種姿勢。因此，最大可能的位置應該解釋為，包括，但不限于，側翻位置。在圖3a和3b中，顯示在各種躺姿中胸腔的區(qū)域分布。在所述附圖中，胸腔在中性仰臥位置的區(qū)域分布(圖3a)與胸腔在側翻仰臥位置的區(qū)域分布(圖3b)進行比較。在側翻仰臥位置，根據(jù)圖3b，角度β由腹背軸19相對于重力向量g的位置限定。如上和圖1c描述的，在躺姿中，重力向量g等于重力向量分量g。。因此通常，在躺姿中，如在仰臥或側翻仰臥位置，β是腹背軸和重力向量分量g。之間的角度。還當測試者采用仰臥位置和直立位置之間的位置，并另外轉 向一側時，β是腹背軸19和重力向量分量g。之間的角度。區(qū)域形成對繞患者的縱軸17的旋轉的依賴反映在兩個肺中區(qū)域分布的不對稱。區(qū)域以垂直于重力向量g的層堆放。如果身體以角度β轉向一側，區(qū)域仍然沿著重力，如圖3b中所示。在此例子中，重力向量g相對于體軸的角度α保持不變在90度。換句話說,重力向量位于觀察平面內，區(qū)域最大限度地顯示。在側翻位置，坐落較低的機械通氣的肺(即圖3b中的右肺)可能經受廣泛充氣減少，而另外的肺(即左肺)幾乎不受影響。在圖4中，左側，患者(胸腔示意圖)的各種位置相對于重力向量g進行描繪。在右側顯示各自的角度α和β，通過它們，兩個坐標系u/h和u’/h’彼此相關。兩個坐標系具有相同的原點。再次，α表示主體軸17和重力向量g之間的角度，β表示腹背軸19和重力向量分量g。之間的角度。在圖4的最初三個位置中給出的方向中，重力向量分量g。等于重力向量(gc=g)，角度β限定u/h軸系統(tǒng)和u’/h’軸系統(tǒng)之間的旋轉角度。在底部例子(直立位置)中，未限定角度β (gc=0)，但不要緊，因為幾乎沒有任何區(qū)域顯示。向量Cou’和
來自u’/h’軸系統(tǒng)相對u/h軸系統(tǒng)的各自的旋轉，并限定空間濾波的旋轉變量。在進一步的具體實施例中，本發(fā)明結合空間傳感器數(shù)據(jù)(其優(yōu)選用三軸加速度傳感器測量，用于確定方向)和時間傳感器數(shù)據(jù)(其例如用擴張傳感器、另外的加速度傳感器和/或電或聲活動傳感器測量)以改善通過EIT獲得的圖像和相關的信息。在一個具體實施例中，帶狀結構或帶狀結構的部分的偏移(即擴張或膨脹)通過，例如應變儀進行測量。信號處理器從局部最小值計算偏差，隨后及時投射吸氣開始。在那個投射點及時測量的數(shù)據(jù)向量采用作為〃呼吸參考向量〃。由于此過程涉及到圖像處理的一定延遲，實施的目標是找到精度和時間之間的平衡。因為在成人中呼吸在遠遠高于每分鐘3次呼吸和遠遠低于每分鐘50次呼吸的頻率進行，可以忍受幾百毫秒的延遲并應該足夠及時可靠產生參考點。事實上，肺功能測試往往依賴稱為〃閉塞測試〃的測試以測量患者的呼吸驅動。這種測試在成人和兒童中在100毫秒中進行。最后，〃呼吸參考向量〃從每個EIT數(shù)據(jù)向量中減去，使得由呼吸活動和通風導致的阻抗變化可見。在其優(yōu)選的具體實施例中，擴張傳感器(也稱為呼吸傳感器)通過應變儀測量帶狀結構上的力量，通過3D加速度傳感器測量身體位置。用戶可以輸入兩個參數(shù)c和d來調整相對于區(qū)域1、2和3的圖像。隨著患者吸氣或呼吸機向患者提供呼吸，帶狀結構擴張，應變儀測量這種擴張。傳感器信號轉換為數(shù)字格式，通常在每秒50到100樣本，優(yōu)選進行數(shù)字分析。分析可能包括簡單的低通濾波器和隨后的最小力的確定?？蛇x擇地，分析可以如在圖5中那樣進行，其示出應變儀信號的分析以在重大信號漂移存在的情況下找到EIT參考向量。應變儀(實線)的任意單元及其衍生物(例如RC=0.1秒的高通濾波器，虛線)在呼吸期間繪制，而肺容積正在不斷變化。應變儀的局部最小值(實線箭頭)在通過其高通濾波衍生物(虛線箭頭)的每個零之前是0.1秒左右。傳感器數(shù)據(jù)，通常來自應變儀，首先由截止頻率20Hz的低通濾波器濾波。此后，采用具有截止頻率0.1Hz的高通濾波器。如果這樣濾波的曲線相交從低力至高力(虛線箭頭)走向的零線，胸部開始擴張，因此這一點采用作為〃吸氣開始"。在這個點及時測量的EIT數(shù)據(jù)向量，或更早的預定的提前期，通常更早的高通濾波器的時間常數(shù)，采用作為用于隨后差分EIT成像的參考向量。此過程將在圖像順序上稍有延遲，但是，是臨床上無關的?？蛇x擇地，呼吸活動由第二加速度傳感器(如替換上文所述的應變式傳感器)測量。因為胸部隨每一次呼吸移動，第二加速度傳感器可以感應到這種運動并將它轉換成信號，可以使用于顯示吸氣開始并如上文所述確定參考向量。另外可選擇地，相同的加速度傳感器測量呼吸活動和重力向量相對于觀察平面的方向(即orientation)。為此目的,可以使用3D加速度傳感器。在另一個具體實施例中，時間數(shù)據(jù)傳感器是一種電活動傳感器，例如使用在心電圖(electrocardiogra phy, ECG)中的傳感器，即心電圖傳感器。這種傳感器可以用于形成與心臟收縮開始相關的參考圖像，從而形成〃心臟參考數(shù)據(jù)向量"。此后，〃心臟參考數(shù)據(jù)向量"從每個EIT數(shù)據(jù)中減去，使得由心臟活動導致的阻抗變化可見。在另一個具體實施例中，時間數(shù)據(jù)傳感器是一種聲活動傳感器或麥克風，例如使用在心音圖(phonocardiography, PCG)中的傳感器，即心音圖傳感器。這種傳感器可以用于形成與心臟收縮開始相關的參考圖像，從而形成〃心臟參考數(shù)據(jù)向量"。此后，〃心臟參考數(shù)據(jù)向量"從每個EIT數(shù)據(jù)中減去，使得由心臟活動導致的阻抗變化可見。在另一個具體實施例中，至少兩個時間數(shù)據(jù)傳感結合空間數(shù)據(jù)傳感器。例如，電或聲活動傳感器，如分別使用在心電圖和心音圖中的傳感器，和擴張傳感器，如應變式傳感器，結合3D加速度傳感器(空間數(shù)據(jù)傳感器)。這允許測量觀察平面相對于重力的方向，以及同時由于呼吸導致的電極帶的擴張和由于心臟活動導致的電活動。本發(fā)明的使用說明本發(fā)明可以用于在獨立監(jiān)視器中和在機械呼吸機和麻醉機中增強EIT裝置的圖像品質。這種改進可以通過形成增強圖像或通過在圖像上直接繪制重力向量或相對于重力向量自動旋轉圖像從而向用戶提供方向來進行。這種改進的EIT圖像的一種特定用途是啟動特定的療法，如復張、理療、或姿勢的變化，和測量治療干預的有效性。根據(jù)本發(fā)明的用于EIT成像的傳感器裝置、EIT成像裝置和EIT成像方法的一個典型用途是在機械通氣的重癥監(jiān)護患者中。這些患者的約15%遭受急性肺損傷，這些的30%以上死亡。估計這些患者中約有一半能夠通過適當?shù)闹委熗炀取＿@種治療包括肺復張以有效地減小區(qū)域2和3。然而，肺復張帶來風險。因此僅當肺損傷已經變得明顯時，臨床醫(yī)生才通常使用肺復張。不幸的是，這常常是太晚了。采用披露的發(fā)明，保健提供者將有辦法在疾病早期判斷肺復張的需要和成功，拯救生命，并降低保健費用。在另一種用途中，上下文有關的EIT可以用于優(yōu)化患者關于肺功能的體位。例子下面描述根據(jù)本發(fā)明通過使用有限元方法和相對于患者的位置和方向調整原始EIT數(shù)據(jù)從而重建EIT圖像的例子。重建問題通過使用有限元方法(finite-element method,FEM)解決。FEM使用由節(jié)點限定的三角形元的網格，以離散化感興趣的空間或表面。然后物理問題應用在網格上，問題通過使用給定的邊界條件得到解決。為EIT這樣做，將得到
權利要求
1.一種用于EIT成像的傳感器裝置，包括: 用于測量阻抗分布的電極陣列， 其特征在于， 用于確定測試者的空間方向的至少一個傳感器連接至電極陣列。
2.根據(jù)前述權利要求所述的傳感器裝置，其特征在于，用于確定空間方向的傳感器確定相對于重力向量的方向的所述空間方向。
3.根據(jù)前述權利要求任一項所述的傳感器裝置，其特點在于，用于確定空間方向的至少一個傳感器包括三維加速度傳感器。
4.根據(jù)前述權利要求任一項所述的傳感器裝置，其特征在于，電極陣列的電極設置在帶狀結構(13)上。
5.根據(jù)前述權利要求任一項所述的傳感器裝置，其特征在于，用于采集電活動信息的至少一個傳感器連接至電極陣列。
6.根據(jù)權利要求5所述的傳感器裝置，其特征在于，用于采集電活動信息的至少一個傳感器包括心電圖傳感器。
7.根據(jù)前述權利要求任一項所述的傳感器裝置，其特征在于，用于采集聲活動信息的至少一個傳感器連接至電極陣列 。
8.根據(jù)權利要求7所述的傳感器裝置，其特征在于，用于采集聲活動信息的至少一個傳感器包括麥克風或心音圖傳感器。
9.根據(jù)前述權利要求任一項所述的傳感器裝置，其特征在于，用于采集電極陣列的擴張變化信息的至少一個傳感器集成在或連接至電極陣列。
10.根據(jù)權利要求9所述的傳感器裝置，其特征在于，用于采集擴張變化信息的至少一個傳感器包括應變儀。
11.一種EIT成像裝置，可連接到用于確定測試者的空間方向的傳感器，并可選地可連接到用于采集電和/或聲活動信息的傳感器和/或用于采集擴張信息的傳感器， 其特征在于，連接或集成計算裝置用于基于空間數(shù)據(jù)調整阻抗數(shù)據(jù)，其中空間數(shù)據(jù)描述測試對象的空間方向。
12.根據(jù)前述權利要求所述的EIT成像裝置，其特征在于，所述空間數(shù)據(jù)描述相對于重力向量的方向的測試對象的空間方向。
13.根據(jù)前述權利要求11和12任一項所述的EIT成像裝置，其特征在于，連接或集成計算裝置用于基于擴張數(shù)據(jù)、聲活動數(shù)據(jù)和/或電活動數(shù)據(jù)調整阻抗數(shù)據(jù)。
14.一種用于測量阻抗分布和調整所述的測量的阻抗分布的EIT成像方法，包括下列步驟 通過使用包括電機陣列的阻抗分布測量裝置測量阻抗分布，和 將測量的阻抗分布轉換成EIT圖像， 其特征在于， 確定測試對象的空間方向，和 根據(jù)所述空間方向調整測量的阻抗分布的值，以消除重力影響。
15.根據(jù)前述權利要求14所述的EIT成像方法，其特征在于，測試對象的空間方向通過測量阻抗分布測量裝置的空間方向進行確定，特別地，測試對象的空間方向通過測量電極陣列的空間方向進行確定。
16.根據(jù)前述權利要求14-15任一項所述的EIT成像方法，其特征在于，測試對象的空間方向相對于重力向量的方向進行確定。
17.根據(jù)前述權利要求14-16任一項所述的EIT成像方法，其特征在于，測試對象的空間方向在測量阻抗分布期間進行測量。
18.根據(jù)前述權利要求14-17任一項所述的EIT成像方法，其特征在于，考測試對象的空間方向幾乎與阻抗分布同時進行測量。
19.根據(jù)前述權利要求14-18任一項所述的EIT成像方法，其特征在于，阻抗分布的值和測試對象的空間方向在I秒內、優(yōu)選在500毫秒內、更優(yōu)選在100毫秒內、最優(yōu)選在10毫秒內測量。
20.根據(jù)前述權利要求14-19任一項所述的EIT成像方法，其特征在于，電極陣列的電極設置在帶狀結構(13)中。
21.根據(jù)前述權利要求14-20任一項所述的EIT成像方法，其特征在于，測量的阻抗分布根據(jù)電活動額外進行調整。
22.根據(jù)前述權利要求21所述的EIT成像方法，其特征在于，電活動信息使用心電圖傳感器進行測量。
23.根據(jù)前述權利要求14-22任一項所述的EIT成像方法，其特征在于，測量的阻抗分布根據(jù)聲活動額外進行調整。
24.根據(jù)前述權利要求23所述的EIT成像方法，其特征在于，聲活動信息使用麥克風或心音圖傳感器進行測量。
25.根據(jù)前述權利要求14-24任一項所述的EIT成像方法，其特征在于，測量的阻抗分布根據(jù)觀察區(qū)域的擴張，優(yōu)選根據(jù)電極陣列的擴張額外進行調整。
26.根據(jù)前述權利要 求14-25任一項所述的EIT成像方法，其特征在于，擴張信息使用應變儀進行測量。
全文摘要
一種用于EIT成像的傳感器裝置，包括用于測量阻抗分布的電極陣列，其特征在于，用于確定測試者的空間方向的至少一個傳感器連接至電極陣列。一種EIT成像裝置，可連接到用于確定測試者的空間方向的傳感器，并可選地可連接到用于采集電和/或聲活動信息的傳感器和/或用于采集擴張信息的傳感器，其特征在于，連接或集成計算裝置用于基于空間數(shù)據(jù)調整阻抗數(shù)據(jù)，其中空間數(shù)據(jù)描述測試對象的空間方向。一種用于測量阻抗分布和調整所述的測量的阻抗分布的EIT成像方法，包括下列步驟通過使用包括電機陣列的阻抗分布測量裝置測量阻抗分布，和將測量的阻抗分布轉換成EIT圖像，其特征在于，重力影響通過測量測試對象的空間方向進行確定，和測量的阻抗分布的值根據(jù)所述空間方向進行調整，以消除重力影響。
文檔編號A61B5/053GK103153180SQ201180048483
公開日2013年6月12日 申請日期2011年10月4日 優(yōu)先權日2010年10月7日
發(fā)明者約瑟夫克斯·X·布倫納, 帕斯卡爾·奧利維爾·加格羅, 尼古拉斯·羅比塔耶 申請人:斯威斯托姆公開股份有限公司