ЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНЫЙ КОМПЬЮТЕРНЫЙ МАММОГРАФ

Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использовано для диагностики как патологических, так и непатологических изменений в тканях молочной железы, для контроля за процессом лечения, а также для скрининга (предварительной диагностики с выделением «группы риска»).
Известно устройство - электрический маммограф, содержащий двумерный набор электродов, располагаемых на поверхности тела, источник переменного тока, измеритель разности потенциалов, выходной мультиплексор, подключающий поочередно электроды к источнику переменного тока, входной мультиплексор, подключающий поочередно электроды к измерителю разности потенциалов и вычислительное устройство, реконструирующее и визуализирующее распределение электропроводности внутри тела по результатам измерений разности потенциалов (патент РФ на изобретение №2153285, кл. А61В 5/05, 2000 г.).
Для реконструирования трехмерного распределения электропроводности в этом известном устройстве использован метод обратного проецирования вдоль эквипотенциальных поверхностей электрического поля, причем проецируемые данные получают путем
взвешенного усреднения относительной разности между опорной напряженностью электрического поля, соответствующей среде с однородной электропроводностью, и измеренной напряженностью электрического поля вдоль линии пересечения эквипотенциальной поверхности, проходящей через точку, где реконструируется электропроводность, с поверхностью, на которой располагается двумерный набор электродов. Вычислительное устройство использует для реконструкции изображений только данные, полученные на электродах, имеющих достаточный контакт с телом. Для этой цели источник тока снабжен пороговым детектором выходного напряжения, позволяющим определить, имеет ли подключенный в данный момент к источнику тока электрод достаточный контакт с телом.
Изготовленный авторами опытный образец электрического маммографа состоит из двумерного набора из 256 электродов, расположенных на плоскости. Дополнительные электроды, предварительно увлажненные, располагаются на конечностях пациента, а двумерный набор электродов прижимается к обследуемой молочной железе так, чтобы плоскость с электродами была параллельна поверхности ребер. По команде с персонального компьютера микропроцессорное управляющее устройство подключает с помощью мультиплексора источник тока к одному из электродов набора. Переменный ток с амплитудой порядка 1 мА и
частотой 10 кГц протекает по цепи: источник тока, мультиплексор, электрод из набора, тело пациента, дополнительный электрод. Произведенное измерение в цифровом коде передается в персональный компьютер по линии связи. Измерение повторяется для всех комбинаций подключения электродов. При плохом контакте с телом какого-либо электрода срабатывает пороговый детектор, сигнал которого фиксируется микропроцессорным управляющим устройством и передается в компьютер. Полученная в результате реконструкции измеренных данных и визуализации маммограмма представляет собой набор из 7 изображений поперечных сечений груди, параллельных плоскости, на которой расположены электроды. Глубина сечений возрастает с шагом 8 мм.
Недостатком этого устройства является то, что оно позволяет получить маммограммы с малой разрешающей способностью визуализированного распределения электропроводности биологических тканей молочной железы. Основная причина - высокий уровень шумов из-за межканального проникновения паразитных сигналов и помех, наличия контактной разности потенциалов разнородных металлов в устройстве. По этой причине на маммограмме с достаточной достоверностью можно идентифицировать только области молочной железы с существенными отличиями по электропроводности (например, участки ткани с воспалительным процессом или растущей онкологической опухолью). Клинические
испытания данного устройства показали возможность использования его в качестве детектора патологических заболеваний молочной железы.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному устройству является электроимпедансная томографическая система для трехмерной визуализации тканей молочной железы. (см. журнал «Биомедицинские технологии и радиоэлектроника», №8, 2003, стр.5-10). В конструкцию электроимпедансного маммографа, по сравнению с выше описанным устройством, внесены изменения в дистанционные электроды, которые выполнены в виде цилиндрической двухсекционной конструкции, части которой состыкованы через диэлектрическую прокладку. Существенные изменения претерпела медицинская часть программного обеспечения к прибору: добавлен двухоконный режим сравнения маммограмм, стало возможным выделение цветом областей ткани с аномально высокой электропроводностью, введен статистический анализ маммограмм с помощью непараметрического статистического критерия Колмогорова-Смирнова. Изменена рабочая частота системы до 50 кГц и зондирующий ток до 0,5 мА. Питание прибора и передача данных измерения электропроводности тканей осуществляется по универсальной последовательной шине (USB) персонального компьютера.
Основные недостатки выше описанного электрического маммографа, остались не устраненными ни в электронной части, ни в программном обеспечении. Подтверждены систематические ошибки в регистрируемых сигналах, связанные с межканальными паразитными проникновениями сигналов между мультиплексорами, а также необходимость учета в измерениях контактной разности различных металлов.
Анализ шумового фона вышеуказанного прибора показал, что конструкция дистанционного электрода при близком расположении опорного и измерительного электродов является своего рода «шумовой антенной», т.е. ухудшает как разрешающую способность маммограмм, так и саму стабильность работы прибора. На компьютерных томографических срезах с увеличением глубины сканирования тканей наблюдается деградация изображения и потеря информативности. Высокий уровень помех обусловлен также следующими недостатками:
- чувствительностью результатов измерений к нестабильности питающего напряжения,
- зависимости результатов измерений от физиологических данных пациентов при фиксации дистанционного электрода в увлажненной руке,
- отсутствием фильтрации вторичного сигнала, поступающего в измерительную часть устройства.
Математический анализ сигналов, получаемых при измерениях проводимых с помощью маммографа-прототипа, показал наличие помех, хаотично распределенных на всех томографических плоскостях. Причем их расположение менялось от измерения к измерению на одном и том же пациенте. При диагностике молочных желез большого размера (превышающего геометрические размеры матрицы электродов) за счет физиологических особенностей молочной железы влияние помех и шумов часто приводило к полной деградации изображения и затруднению диагностики.
Тем не менее, именно хорошие результаты по диагностике патологий молочной железы, связанные с существенно различающейся электропроводностью здоровых и больных клеток, несмотря на вышеуказанные недостатки, послужили основанием для регистрации прибора в Министерстве Здравоохранения РФ (Регистрационное удостоверение №29/05010303/5420-03 от 3 июля 2003 г. Маммограф электроимпедансный компьютерный для скринингового обследования молочной железы с помощью визуализации картины распределения электропроводности «МЭИК»).
Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении стабильности работы прибора, улучшении диагностических свойств и информативности электроимпедансных изображений молочной железы.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в электроимпедансном компьютерном маммографе, содержащем корпус, на наружной поверхности которого расположены измерительные электроды, а внутри корпуса расположен соединенный с персональным компьютером управляющий микропроцессор, на платах которого расположены инжектирующий и измерительный каналы, соединенные линиями связи с дешифратором адреса и с выносными электродами инжектирующего и измерительного каналов, инжектирующий и измерительный каналы расположены на двух отдельных платах микропроцессора, соединенных между собой наподобие сэндвича, все токопроводящие части измерительного канала покрыты одинаковым металлом, измерительные электроды выполнены контактными, а выносные электроды - контактными гелиевыми.
При этом инжектирующий канал содержит источник вторичного напряжения, инжектирующие мультиплексоры, пороговый детектор, генератор переменного тока и цифро-аналоговый преобразователь, а измерительный канал содержит источник вторичного напряжения, измерительные мультиплексоры, схему фильтрации, измеритель разности потенциалов и аналого-цифровой преобразователь.
Источник вторичного напряжения выполнен в виде DC-DC преобразователя. Кроме того, электроимпедансный компьютерный маммограф снабжен фильтром вторичного сигнала, реализованном в программе для ЭВМ.
Для подтверждения достоверности и полезности вышеуказанных отличий от прототипа был изготовлен на базе уже выпускаемого серийно устройства и с сохранением положительных качеств прототипа электроимпедансный компьютерный маммограф, блок-схема которого приведена на прилагаемом чертеже.
Электроимпедансный компьютерный маммограф содержащий корпус, выполненный из термопластичной пластмассы, на наружной плоской поверхности которого расположена матрица с измерительными электродами, при этом каждый такой электрод содержит корпус, внутри которого закреплена втулка, и подпружиненный стержень, установленный во втулке с возможностью перемещения. Конструкция такого электрода описана в патенте РФ на полезную модель №48743, кл. А61В 5/05, 2005 г.Матрица включает в себя 256 цилиндрических измерительных электрода. Электроды расположены в узлах окружности диаметром 12 см. Внутри корпуса расположен соединенный с персональным компьютером управляющий микропроцессор, на платах которого расположены инжектирующий и измерительный каналы, соединенные линиями связи с дешифратором адреса и с выносными электродами инжектирующего и измерительного каналов. Инжектирующий и измерительный каналы расположены на двух отдельных платах микропроцессора, соединенных между собой наподобие сэндвича. Инжектирующий канал содержит источник вторичного напряжения, инжектирующие мультиплексоры,
пороговый детектор, генератор переменного тока и цифро-аналоговый преобразователь. Регистрирующий канал содержит источник вторичного напряжения, измерительные мультиплексоры, схему фильтрации, измеритель разности потенциалов и аналого-цифровой преобразователь. Источники вторичного напряжения выполнены в виде DC-DC преобразователей. Микропроцессор подключается к персональному компьютеру с программным обеспечением, предназначенным для управления микропроцессором, обработки полученных сигналов, реконструкции и визуализации распределения электропроводности внутри тканей молочной железы на мониторе компьютера и диагностического блока с базой медико-статистических данных и автоматической диагностической системой. Питание прибора и передача данных осуществляется по USB шине персонального компьютера. В схему включен также фильтр вторичного сигнала.
Выносные электроды измерительного и инжектирующего каналов выполнены гелиевыми и жестко фиксируются на теле пациента, например, руке, с помощью защелкивающегося фиксатора -кнопки, что обеспечивает надежный контакт с телом пациента. Все токопроводящие части измерительного канала покрыты одинаковым металлом.
Устройство работает следующим образом.
До начала измерений гелиевые (www.impedimed.com) выносные электроды наклеиваются на руку пациента, близлежащую к молочной железе, диагностику которой проводят. Линия связи с микропроцессором соединяется с этими электродами с помощью защелкивающегося фиксатора-кнопки, что обеспечивает надежный контакт с телом пациента. После подачи команды «Измерение» программой персонального компьютера в геометрическом центре матрицы электродов включается лазерный визир, позволяющий точно позиционировать матрицу электродов на молочной железе.
Инжектирующий канал предназначен для формирования сигнала переменного тока, коммутации его на определенный контакт матрицы электродов, определения электрода с потенциалом, выходящим за пределы необходимых границ, подстройки параметров генерируемого сигнала под индивидуальные физиологические особенности пациента.
Измерительный канал коммутирует сигнал определенного контакта матрицы электродов для последующей обработки, выявляет полезный сигнал посредством фильтрации помех и адаптации к уровню наведенного сигнала, преобразует аналоговый сигнал в цифровой для математической обработки процессором.
Выносной электрод инжектирующего канала является составной частью цепи: генератор переменного тока-инжектирующие мультиплексоры
-матрица электродов-пациент-выносной электрод инжектирующего канала-линия связи-генератор переменного тока.
Выносной электрод измерительного канала участвует в системе выявления полезного сигнала. Линия связи соединяет выносной электрод инжектирующего канала, и выносной электрод измерительного канала со схемами, составными частями которых они являются, и одновременно обеспечивает необходимую помехозащищенность.
Микропроцессор определяет алгоритм работы прибора, посредством дешифратора адреса выбирает подключение нужного электрода матрицы электродов к инжектирующим и измерительным мультиплексорам, передает через линию связи собранную информацию на персональный компьютер.
Источники вторичных напряжений обеспечивают стабильность питающих напряжений для цифровых и аналоговых цепей с требуемым уровнем помех и совместно с топологией плат формируют независимые каналы для инжектирующих и измерительных сигналов, что позволяет минимизировать их взаимное влияние друг на друга и уровень наведенных помех.
Разработанная схема сканирования, фильтрации и первичной обработки сигналов в сочетании с высокой помехозащищенностью диагностического
прибора позволяет успешно решить задачу качественной диагностики молочных желез любого размера.
Выполнение измерительных электродов матрицы контактными, в сочетании с покрытием всех токопроводящих частей измерительной системы одинаковым металлом, позволило избежать контактной разности потенциалов и помех, вносимых в регистрируемые сигналы этой составляющей.
Выполнение выносных электродов гелиевыми, устранило влияние переходного сопротивления «выносной электрод-кожа ладони» в зависимости от степени увлажнения, усилия сжатия и электрических характеристик кожи, существенно отличающихся у различных людей, поскольку наклеивающиеся гелиевые электроды обладают стабильным во времени переходным сопротивлением.
Соединение между собой плат микропроцессора наподобие сэндвича позволило свести к минимуму эффект улавливания внешних помех и шумов, которые присутствует при использовании в прототипе соединяющих плоских кабелей.
Разделение каналов инжектирующего и регистрируемого сигналов путем размещения их на отдельных платах, привело к снижению уровня паразитных составляющих регистрируемого сигнала. Кроме этого введен фильтр вторичного сигнала, что вместе с изменением алгоритма измерения, позволило снизить влияние переходных
и межканальных помех на результаты измерений и, соответственно, на информативность реконструируемого изображения;
Для снижения влияния погрешности источников вторичных напряжений в приборе применены специализированные для медицинских целей DC-DC преобразователи, имеющие высокую стабильность выдаваемых значений и малый уровень флуктуации выходных напряжений и наилучшее соотношение сигнал/шум;
Сверх яркий светодиод прототипа заменен на маломощный красный лазер-визир. Это позволило точно фиксировать матрицу электродов, что немаловажно при диагностике молочных желез большого размера и необходимости производить больше одного позиционирования микропроцессорного датчика на груди.
Кроме того, создана, зарегистрирована и использована новая компьютерная программа обработки данных, полученных в результате измерения, что позволило с помощью математической обработки сигнала выделить информативную часть как активной, так и реактивной составляющих электрического сигнала, что повышает в целом информативность, стабильность и воспроизводимость электроимпедансных изображений молочной железы (Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2007610436 от 11.01.2007 г.).
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить разрешающую способность изображений (маммограм) при
реконструкции и визуализации распределения электропроводности внутри биологических тканей, снизить уровень шумов в регистрируемых электрических сигналах, изменить алгоритм обработки сигналов и использовать для работы программу, позволяющую проводить диагностику по полученным трехмерным изображениям.