УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ ПРИ ЗАМОРАЖИВАНИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ

Настоящая полезная модель относится к медицинской технике, а именно к средствам, применяемым в криохирургии, и может использоваться для проведения операций с целью криодеструкции биологических тканей.
Криодеструкция кожных патологий, тканей слизистых оболочек и криодеструкция органов при открытой хирургии (печени, поджелудочной железы, мозга и др.) осуществляется при широком спектре заболеваний. Возможность частично визуально наблюдать процесс замораживания по формированию ореола льда вокруг области внешнего контакта криоаппликатора и ткани приводит к уверенности, что такой контроль в совокупности с опытом хирурга достаточен для получения запланированного результата. Тем не менее, контроль глубины промораживания при криодеструкции кожных патологий и тканей слизистых оболочек и органов не менее важен. Из-за сложной структуры этих тканей, недостаточное промораживание на заданную глубину вызовет рецидив заболевания, а чрезмерно интенсивное переохлаждение приведет к повреждению здоровых тканей, худшему заживлению и плохому косметическому эффекту.
Для криодеструкции патологий внутренних органов контроль размера зоны промораживания чрезвычайно важен и прецизионно осуществим при применении дорогостоящих методик визуализации магниторезонансной и компьютерной томографией. Существенно меньшую точностью обеспечивает визуализация криодеструкции с использованием ультразвукового исследования из-за наличия теневой области, создаваемой зоной замораживания [Abramovits, W. (2016). Monitorization Instrumentation with Ultrasound. Dermatological Cryosurgery and Cryotherapy, 137–138].
Известно устройство управления измерениями, хранения и отображения информации [патент RU 2719911 C1, опубл. 23.04.2020] при замораживании биологических тканей с применением спектроскопии рассеяния. Из описания не ясно, что входит в состав устройства, однако недостатком применения спектроскопии рассеяния является низкая точность определения границ и глубины криодеструкции.
Известно устройство управления процессом электроимпедансной томографии при замораживании биологических тканей [Edd J. F. et al. Imaging cryosurgery with EIT: tracking the ice front and post-thaw tissue viability //Physiological measurement. – 2008. – Т. 29. – №. 8. – С. 899.], принятое в качестве прототипа, состоящее из синхронного усилителя (Signal Recovery, Oak Ridge, TN; 7280BFP), блокирующего усилителя, измерительного оборудования, электрода сравнения, а также управляемой компьютером четырехэлектродной схемы измерения импеданса, которая может быть подключена к любым четырем из шестидесяти электродов в матрице с помощью аналогового мультиплексора 4:60. Синхронный усилитель генерирует синусоидальное напряжение (1 кГц), которое затем преобразуется в постоянный ток. Этот ток затем подается на любую пару электродов. Для выборки полученного в результате распределения потенциала внутри тела разность напряжений между двумя другими электродами усиливается и возвращается в блокирующий усилитель, который демодулирует его по отношению к приложенному току для получения разности напряжений. Измерительное оборудование измеряет полное сопротивление между любым электродом и электродом сравнения, определяя качество контакта электродов с биологической тканью. Недостатком устройства является низкая точность определения границ и глубины криодеструкции.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании устройства для управления процессом электроимпедансной томографии при замораживании биологических тканей с повышенной помехозащищенностью, а также точностью визуализации криодеструкции.
Технический результат, достигаемый при осуществлении полезной модели, заключается в расширении арсенала технических средств аналогичного назначения.
Технический результат достигается тем, что устройство управления процессом электроимпедансной томографии при замораживании биологических тканей содержит два блока управления, к управляющему выходу первого блока управления подключен первый вход аналогового мультиплексора, второй вход которого через последовательно соединенные сигнальный трансформатор и цифро-аналоговый преобразователь подключен к выходу первого блока управления. Аналоговый мультиплексор через последовательно соединенные дифференциальный усилитель и аналого-цифровой преобразователь соединен с вторым блоком управления. Оба блока управления подключены к системе визуализации через последовательно соединенные преобразователь интерфейса и блок гальванической развязки.
Рекомендуется в качестве преобразователя интерфейса использовать RS232-USB.
Гальваническая развязка, осуществляемая заявляемым техническим решением, обеспечивает защиту от внешних помех, также перекодирование сигнала блоком управления с целью увеличения помехозащищенности и формирование синхронизирующих сигналов повышает точность передачи данных и точность визуализации криодеструкции.
Для лучшего понимания сущности предлагаемого технического решения ниже представлены неограничивающие сущность графические материалы, где:
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства управления процессом электроимпедансной томографии при замораживании биологических тканей.
На фиг. 2 представлен общий вид устройства в работе.
На фиг. 3 показано устройство с подключенными электродами к объекту исследования.
1
n
Устройство (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) состоит из двух блоков управления (в состав которых входят микроконтроллеры) 1 (фиг. 1) и 2, к управляющим выходам блока управления 1 подключены цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 3 и цифровой вход аналогового мультиплексора 4.  К управляющему выходу ЦАП 3 подключен сигнальный трансформатор 5, выходы которого соединены с аналоговым мультиплексором 4, который через последовательно соединенные дифференциальный усилитель 6 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7 соединен с блоком управления 2. Блоки управления 1 и 2 подключены к системе визуализации 8 через последовательно соединенные преобразователь интерфейса 9 (например, RS232-USB) и блок гальванической развязки (ГР) 10. Клеммы 11(фиг. 1) аналогового мультиплексора 4 выполнены с возможностью подключения электродов Э-Э (фиг. 3).
1
n
1
Полезная модель работает следующим образом. Блок управления 1 выбирает один из токовых каналов путем передачи цифрового сигнала с номером канала аналогового мультиплексора 4 с управляющего выхода блока управления 1 на цифровой вход аналогового мультиплексора 4. Затем выбираются измерительные каналы путем передачи цифрового сигнала с номерами каналов аналогового мультиплексора 4 с управляющего выхода блока управления 1 на цифровой вход аналогового мультиплексора 4. Блок управления 1 передает цифровой сигнал на цифровой вход ЦАП 3, где он преобразовывается в аналоговый сигнал с заданным уровнем напряжения на выходе ЦАП 3. Сформированный сигнал подается  на сигнальный трансформатор 5, выходной сигнал которого линейно зависит от величины входного сигнала. В зависимости от выбранного токового канала аналогового мультиплексора 4 блоком управления 1, токовый сигнал подается на электрод, подключенный непосредственно к биологическому объекту (фиг.3). Подводимый ток проходит через область исследования, создавая в ней электрическое поле, разность потенциалов которого регистрируется измерительными электродами, которые соответствуют выбранным измерительным каналам, назначенных блоком управления 1. Сигнал с измерительных электродов, проходя через аналоговый мультиплексор, подается на вход дифференциального усилителя 6. Дифференциальный усилитель преобразует разность входных напряжений в усиленный двуполярный сигнал, который поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 7.  По сигналу блока управления 2 осуществляется однократное аналого-цифровое преобразование и выходной сигнал АЦП 7 в виде цифрового сигнала поступает на вход блока управления 2, таким образом формируется один кадр. Далее блоком управления 1 выбираются другие измерительные каналы при том же токовом канале, таким образом, цикл измерений повторяется до тех пор, пока не будут сняты измерения со всех измерительных электродов Э-Э-, в результате чего вся совокупность кадров образует одну проекцию. После проведения всех измерений на одном токовом канале выбирается новый номер токового канала блоком управления 1 и снова проводится цикл измерений для всех измерительных каналов. При увеличении площади исследуемой биологической ткани количество подключаемых к устройству электродов увеличивается, соответственно, а также увеличивается число циклов выбора измерительных каналов и измерений.
Блок управления 2 накапливает проекции согласно выходным сигналам АЦП 7 и при завершении измерений осуществляет перекодирование сигнала с целью увеличения помехозащищенности и формирует синхронизирующие сигналы для системы визуализации. Блок управления 2 передает перекодированный и синхронизирующие сигналы в систему визуализации 8 через преобразователь интерфейсов 9 (например, USB - RS232) и блок ГР 10.
Представленный ниже пример иллюстрирует, но не ограничивает полезную модель.
Пример 1. После контакта криоаппликатора 12, находящегося при температуре, близкой к температуре жидкого азота (-196°С), и биологической ткани (в качестве которой взяли куриную грудку) вблизи контактной площадки температура резко упала, что привело к образованию градиента температуры, распространяющегося вглубь ткани, который можно характеризовать изотермами зоны замораживания(фиг.3). Поверхность изотермы, соответствующая температуре замерзания воды, смещалась вглубь ткани от площадки контакта в течение трех минут после наложения криоапликатора к ткани. В устройстве использовался мультиплексор FB-MUX/HS/DAIO/PA (1005329 Phoenix Contact) с тремя 6-канальными цифровыми и аналоговыми модулями ввода-вывода. Частота и сила тока на выходе сигнального трансформатора 5 регулировались в диапазоне 100 Гц- 1 МГц и 0,01-200мА, соответственно. Рабочая сила тока на выходе сигнального трансформатора 5 составила 20 мА, а частота – 100 кГц. К клеммам 11 аналогового мультиплексора 4 подключили 30 электродов, для снятия одной проекции цикл измерений провели 15 раз, а для получения всех проекций – 450 раз.
При осуществлении полезной модели были получены проекции, которые были переданы в систему визуализации устройства, визуализирующие с высокой точностью границы и глубину криодеструкции.