ОЦЕНКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА УСТРОЙСТВА СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ДЛЯ ЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ

  • А. И. Кучер Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова
  • Г. К. Алексанян Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова
  • И. Д. Щербаков Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова
Ключевые слова: Электроимпедансная томография, измерение, чувствительность

Аннотация

Электроимпедансная томография – перспективный метод медицинской визуализации, позволяющий на основании электрических измерений на поверхности проводящего объекта реконструировать поле проводимости внутри объекта (или его изменение). Для этого через исследуемый объект пропускают высокочастотный электрический ток малой амплитуды и одновременно регистрируют потенциалы на поверхности исследуемого объекта. Чувстви-тельность метода определяется чувствительностью измерительного канала устройства сбо-ра и передачи данных для электроимпедансной томографии. В работе приведено исследование чувствительности измерительного канала устройства сбора и передачи данных для электро-импедансной томографии. В работе представлено устройства сбора и передачи данных для электроимпедансной томографии, построенное на базе платы ввода/вывода L-CARD E502, а также измерительного канала данного устройства. Измерительный канал состоит из пары измерительных мультиплексоров, программируемого дифференциального усилителя и аналого-во-цифрового преобразователя. Произведена оценка влияния сопротивления мультиплексора на результат измерения разностей потенциалов. Произведена оценка теоретического предела чувствительности устройства на основании разрядности аналогово-цифрового преобразова-теля и максимального коэффициента усиления программируемого дифференциального усилите-ля. Теоретический предел чувствительности измерительного канала в составе устройствасбора и передачи данных для электроимпедансной томографии составил 1,22 мОм. Описаны причины невозможности достижения теоретического предела чувствительности на примере тестовой нагрузки. В качестве тестовой нагрузки рассмотрено кольцо из резисторов, а также кольцо из резисторов с дополнительным узлом в центре, соединяющим через резистор узлы на переферии. На основании схемотехнического моделирования тестовой нагрузки в среде схемо-технического моделирования MicroCAP приведена оценка реального предела чувствительности устройства, которое составило 35 мОм. В ходе эксперимента проводилось изменение резистора в области регистрации потенциалов с последующей оценкой изменения напряжения в области регистрации потенциалов. Повышение чувствительности возможно двумя путями: повышением разрядности аналогово-цифрового преобразователя или повышением коэффициента усиления измерительного канала путем введения дополнительных усилительных каскадов.

Литература

1. Cheney M., Isaacson D., Newell J.C. Electrical impedance tomography, SIAM Review, 1999, Vol. 41, Issue 1, pp. 85-101.
2. Borcea L. Electrical impedance tomography, Inverse Problems, 2002, Vol. 18, Issue 6, pp. 99-136.
3. Yorkey T.J., Webster J.G., Tompkins W.J. Comparing Reconstruction Algorithms for Electrical Impedance Tomography, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1987, Vol. 34, Issue 11, pp. 843-852.
4. Metherall P., Barber D.C., Smallwood R.H., Brown B.H. Three-dimensional electrical imped-ance tomography, Nature, 1996, Vol. 380, Issue 6574, pp. 509-512.
5. Lionheart W.R.B. EIT reconstruction algorithms: Pitfalls, challenges and recent developments, Physiological Measurement, 2004, Vol. 25, Issue 1, pp. 125-142.
6. Brown B.H. Electrical impedance tomography (EIT): A review, Journal of Medical Engineer-ing and Technology, 2003, Vol. 27, Issue 3, pp. 97-108.
7. Bayford R.H. Bioimpedance tomography (electrical impedance tomography), Annual Review of Biomedical Engineering, 2006, Vol. 8, pp. 63-91.
8. Frerichs I. Electrical impedance tomography (EIT) in applications related to lung and ventila-tion: A review of experimental and clinical activities, 2000, Vol. 21, Isssue 2, pp. 1-21.
9. Adler A., Guardo R. Electrical impedance tomography: Regularized imaging and contrast de-tection, IEEE Transactions on Medical Imaging, 1996, Vol. 15, Issue 2, pp. 170-179.
10. Алексанян Г.К., Горбатенко Н.И.,Тарасов А.Д. Modern Trends in Development of Electri-cal Impedance Tomography in Medicine, Biosciences Biotechnology Research Asia, 2014, Vol. 11, pp. 85-91.
11. Holder D.S. Electrical Impedance Tomography: Methods, History and Applications. CRC Press, 2004, 456 p.
12. Kotre C.J. A sensitivity coefficient method for the reconstruction of electrical impedance tomo-grams, Clinical Physics and Physiological Measurement, 1989, Vol. 10, Issue 3, pp. 275-281.
13. Pulletz S., Van Genderingen H.R., Schmitz G., Zick G., Schädler D., Scholz J., Weiler N., Frerichs I. Comparison of different methods to define regions of interest for evaluation of re-gional lung ventilation by EIT, Physiological Measurement, 2006, Vol.27, Issue 5, pp. 115-127.
14. Aleksanyan G.K., Gorbatenko N.I., Kucher A.I., Tarasov A.D. Patent 164812 RF: MPK A61B 5/053. Ustroystvo sbora i peredachi dannykh dlya elektroimpedansnoy tomografii biologicheskikh ob"ektov [Device for collecting and transmitting data for electroimpedance tomography of biological objects]. Patentee of the South Russian state Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov. Application No. 2016106620/14; submitted 26.02.2016; pub-lished 20.09.2016, bull. No. 26..
15. Kucher A.I. Metod i sistema monitoringa ventilyatsionnoy funktsii legkikh cheloveka na osnove elektroimpedansnoy tomografii: disc. ... kand. tekh. nauk: 05.11.17 [Method and sys-tem for monitoring the ventilation function of human lungs based on electroimpedance tomog-raphy: cand. of eng. sc. diss.]. Novocherkassk, 2018, 167 p.
16. Aleksanyan G.K., Kucher A.I., Tarasov A.D., Cuong N.M., Phong C.N. Design of software and experimental setup for reconstruction and visualization of internal structures of conductive bodies, International Journal of Soft Computing, 2015, Vol. 10, Issue 6, pp. 462-467.
17. Preobrazovateli napryazheniya izmeritel'nye L-Card E-502 [Преобразователи напряжения измерительные L-Card E-502]. Available at: http://www.lcard.ru/download/e-502_users_guide.pdf.
18. 16-Ch/Dual 8-Ch High-Performance CMOS Analog Multiplexers [16-Ch/Dual 8-Ch High-Performance CMOS Analog Multiplexers]. Available at: https://www.vishay.com/docs/ 70061/dg406.pdf, svobodnyy.
19. Kucher A.I., Aleksanyan G.K., Nguen Man' Kyong, Chan Nam Fong. Primenenie MicroCap i EIDORS v zadachakh elektroimpedansnoy tomografii [Application of MicroCap and EIDORS in electroimpedance tomography tasks], V'etnamo-rossiyskaya Mezhdunar. nauch. konf., GTU im. Le Kui Dona, 02-03 apr. 2015 g.: Tez. dokl. GTU im. Le Kui Dona [Vietnam-Russian interna-tional scientific conference, Le qui don state technical University, 02-03 APR. 2015: Abstracts of reports of Le qui don state technical University]. Khanoy: LKD izd-vo, 2015, pp. 50-51.
20. SPICE simulator Micro-Cap. Available at: http://www.spectrum-soft.com/.
Опубликован
2020-06-29
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ II. ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА И ЗДОРОВЬЕ ЛЮДЕЙ