Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы и системы диагностики рака молочной железы 17
1.1. Медицинские и экономические требования к системам, предназначенным для скрининга рака молочной железы 17
1.2. Основные методы скрининга и диагностики рака молочной железы 19
1.3. Взаимодействие тока с биологическими тканями 27
1.4. Электроимпедансные свойства тканей молочной железы 30
1.5. Системы электроимпедансной диагностики 35
1.6. Перспективы применения медицинских электроимпедансных изображений 52
1.7. Проблемы применения электроимпедансной маммографии 54
1.8. Постановка задач исследования 57
Глава 2. Математическая модель пространственного распределения потенциала при электроимпедансном сканировании 58
2.1. Разработка математической модели пространственного распределения потенциала при электроимпедансном сканировании 58
2.2. Критерии оценки качества математического моделирования 67
2.3. Сопоставление математической и физической моделей 73
2.4. Способ построения результирующих дифференциальных карт распределения потенциалов 74
2.5. Способ визуализации дифференциальных карт 77
2.6. Сопоставление результатов математического и физического моделирования пространственного распределения потенциалов при электроимпедансном сканировании молочной железы 81
.7. Анализ результатов математического и физического моделирования пространственного распределения потенциалов при электроимпедансном сканировании молочной железы 91
2.8. Выводы 94
Глава 3. Способ повышения чувствительности электроимпедансной маммографии 95
3.1. Разработка схемы сканирования молочной железы 95
3.2. Исследование различных схем сканирования молочной железы 98
3.3. Анализ результатов исследования схем сканирования 111
3.4. Источники шумов электроимпедансного маммографа 121
3.5. Влияние контактного сопротивления электрод-кожа на электроимпедансные измерения 122
3.6. Способ подавления шумов при электроимпедансном обследовании 125
3.7. Выводы 129
Глава 4. Аппаратно-программная реализация исследовательского комплекса 130
4.1. Программная реализация математической модели пространственного распределения потенциалов при электроимпедансном обследовании молочной железы 130
4.2. Разработка опытного образца электроимпедансного маммографа 135
4.3. Программное обеспечение экспериментального образца электроимпедансного маммографа 139
4.4. Техническая реализация физической модели электроимпедансного обследования молочной железы 141
4.5. Выводы 144
Заключение 145
Список литературы 147
- Основные методы скрининга и диагностики рака молочной железы
- Критерии оценки качества математического моделирования
- Источники шумов электроимпедансного маммографа
- Программное обеспечение экспериментального образца электроимпедансного маммографа
Введение к работе
Актуальность темы.
Среди разнообразных заболеваний молочной железы у женщин рак (РМЖ) представляет важнейшую проблему из-за высокой заболеваемости и смертности от него. В последние годы РМЖ прочно занимает первое место в структуре заболеваемости и смертности от злокачественных новообразований женского населения России, а абсолютное число заболевших и умерших в 2005 году превысило 45 000 и 22 000 соответственно.
Примерно 30% женщин погибают от РМЖ в трудоспособном возрасте (до 55 лет). При этом большинство заболевших сами обнаруживали у себя опухоль, но уже на поздней стадии.
Ранняя диагностика злокачественных новообразований молочной железы существенно повышает эффективность лечения. Одной из основных составляющих ранней диагностики является реализация скрининговых программ. При этом диагностические методы скрининга должны быть безопасны, просты, недороги, высокочувствительны и специфичны.
Существующие методы диагностики не вполне удовлетворяют вышеперечисленным требованиям. Маммография, являющаяся на сегодняшний день основным методом диагностики рака молочной железы, во-первых, не безопасна, так как использует рентгеновское излучение, а во-вторых, требует дорогостоящего оборудования. Метод магнитно-резонансной томографии хотя и безопасен, но ещё более затратен. Ультразвуковое исследование обходится дешевле, но не обладает достаточной чувствительностью и специфичностью, особенно для лиц пожилого возраста.
Известно, что злокачественные опухоли молочной железы обладают электропроводностью, существенно отличающейся от электропроводности окружающих здоровых тканей. В развитых странах исследования по использованию метода электроимпедансной томографии (ЭИТ) для диагностики заболеваний молочной железы ведутся уже с 1980-х годов. Наличие большого количества иностранных и отечественных исследований по электроимпедансной маммографии, выполненных и опубликованных за последние 5 лет, позволяет сделать вывод о перспективности данного метода диагностики. Существующие электроимпедансные маммографы позволяют выявлять злокачественные опухоли молочной железы от 2 см в диаметре с чувствительностью до 76 %. Для обнаружения раковых опухолей меньших размеров и повышения эффективности скрининговых программ, необходимо дальнейшее увеличение чувствительности метода электроимпедансной маммографии. Чувствительность электро- импедансной маммографии в основном определяется схемой сканирования (стратегией сбора данных), алгоритмом реконструкции проводимости и метрологическими характеристиками маммографа.
Целью данной работы является повышение чувствительности метода электроимпедансной маммографии и реализация предлагаемых технических решений в экспериментальном образце электроимпедансного маммографа.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
-
Разработка, компьютерное моделирование и экспериментальное исследование новых электроимпедансных методов выявления включений повышенной проводимости (опухолей).
-
Разработка математической модели пространственного распределения электрического потенциала в молочной железе при электроимпедансном сканировании для предварительного исследования новых методов выявления включений повышенной проводимости (опухолей).
-
Разработка физической модели распределения электропроводности молочной железы для экспериментального исследования методов выявления включений повышенной проводимости (опухолей).
-
Разработка экспериментального образца аппаратно-программного комплекса электроимпедансного сканирования молочной железы для исследования разработанных методов выявления включений повышенной проводимости (опухолей).
Объектом исследования является система электроимпедансной маммографии.
Предметом исследования является методическое, инструментальное и алгоритмическое обеспечение системы.
Методы исследования.
Теоретическая часть исследования выполнена с применением методов математической статистики, электродинамики, теоретических основ электротехники и научной визуализации. В исследовании использовалась программа схемотехнического моделирования Micro-Cap 10, программный пакет математического моделирования MATLAB 2010a, а также специально разработанный комплекс программ на базе платформы Microsoft .NET Framework 2.0.
Экспериментальные исследования проводились с использованием физической модели молочной железы, представляющей собой резервуар, наполненный солевым раствором, и экспериментального образца электроимпедансного сканера.
Научная новизна.
В процессе проведения исследования получены следующие новые научные результаты:
-
-
Метод электроимпедансного сканирования молочной железы. Научная новизна заключается в последовательном использовании нескольких (четырех) общих токовых электродов, расположенных по разные стороны от исследуемого объекта, что позволяет повысить чувствительность системы к выявлению включений повышенной проводимости (опухолей).
-
Математическая модель объемного распределения электрического потенциала в молочной железе в ходе электроимпедансного сканирования при наличии включения повышенной проводимости (имитация опухоли). Научная новизна заключается в использовании объемной резисторной матрицы, что позволяет вычислять распределение электрического потенциала внутри и на границе исследуемого объекта для выбранной стратегии электроимпедансных измерений.
-
Методика оценки чувствительности схем электроимпедансного сканирования с точки зрения выявления неоднородности (злокачественной опухоли). Научная новизна заключается в предлагаемых критериях, отражающих характер распределения потенциалов на поверхности модели молочной железы, что позволяет проводить количественное сравнение чувствительности различных стратегий электроимпедансных измерений.
Практическую ценность работы составляют:
-
-
-
Новая схема сканирования с последовательным использованием нескольких (четырех) общих токовых электродов, позволяющая повысить чувствительность метода электроимпедансной маммографии.
-
Математическая модель пространственного распределения электрического потенциала в молочной железе, позволяющая вычислять распределение электрических потенциалов внутри и на границе исследуемого объекта для выбранной стратегии электроимпедансных измерений.
-
Экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса элек- троимпедансной диагностики рака молочной железы, реализующий новую схему сканирования.
-
Программно-алгоритмическое обеспечение для автоматизации процесса математического и физического моделирования электроимпедансного сканирования молочной железы с визуализацией результатов.
Научные положения, выносимые на защиту:
Для повышения чувствительности электроимпедансной маммографии с точки зрения выявления включений повышенной проводимости (злокачественных опухолей) и получения исходных электроимпедансных изображений, точнее соответствующих сканируемым объектам, необходимо использовать схему сканирования с применением нескольких (четырех) последовательных измерений, полученных с помощью общих токовых электродов, расположенных по разные стороны от исследуемого объекта (молочной железы), и последующее суммирование измеренных данных.
Внедрение результатов работы.
Результаты диссертационной работы были использованы для создания экспериментального образца аппаратно-программного комплекса «Электроим- педансный сканер» в ЗАО «Диамант». Также результаты работы внедрены в учебный процесс СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в форме материала для лекций и лабораторных работ по дисциплинам: «Методы обработки биомедицинских сигналов и данных», «Компьютерные технологии в медико-биологических исследованиях».
Апробация работы.
Основные теоретические и практические результаты диссертации были доложены и получили одобрение на следующих конференциях и симпозиумах: Международной конференции «Распознавание образов и анализ изображений» (РОАИ-іі-2010, Санкт-Петербург); X Международном славянском Конгрессе по электростимуляции и клинической электрофизиологии сердца «КАРДИОСТИМ» (КАРДИОСТИМ 2012); XIII Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям (SCM'2010); I Международной молодежной конференции по интеллектуальным технологиям и системам (UNI- INTEL'2010); Всероссийской научной школе для молодежи «Биомедицинская инженерия» (БМИ-2010); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2009 - 2011 гг.);
Научно-технической конференции НТО РЭС им. А. С. Попова (2009); научных семинарах кафедры Биотехнических систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ».
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах, среди которых 3 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 7 публикаций в трудах международных и российских научно-технических конференций и симпозиумов, а также 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 81 наименование, среди которых 35 работ отечественных и 46 работ иностранных авторов.
Основная часть диссертации изложена на 156 страницах машинописного текста. Работа содержит 89 рисунков, 9 таблиц и 27 формул.
Основные методы скрининга и диагностики рака молочной железы
Рентгеновская маммография, являющаяся на сегодняшний день основным методом диагностики рака молочной железы, во-первых, не безопасна, так как использует рентгеновское излучение, а во-вторых, требует использования дорогостоящего оборудования [15,16].
По данным директора НИИ канцерогенеза Онкологического научного центра РАМН, члена-корреспондента РАМН, профессора Давида Заридзе, после 40 рентгеновских обследований риск заболеть раком легких увеличивается на 50-70% [3].
Другая проблема использования рентгеновской и магниторезонансной томографии состоит в том, что зачастую для обнаружения патологических изменений необходимо применять специальные контрастирующие препараты. В настоящее время индустрия разработки и производства таких веществ весьма солидна, но «идеального» контрастирующего вещества пока не найдено, и врач зачастую оказывается перед трудно разрешимой задачей – найти компромисс между информативностью диагностического исследования и потенциальной опасностью для пациента [2, 14].
Метод исследования внутренних органов и тканей с использованием физического явления ядерного магнитного резонанса основан на измерении электромагнитного «отклика» ядер атомов водорода на возбуждение их определнной комбинацией электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжнности. Метод ядерного магнитного резонанса позволяет изучать организм человека на основе насыщенности тканей организма водородом и особенностей их магнитных свойств, связанных с нахождением в окружении разных атомов и молекул.
Целый ряд ограничений на проведение томографического обследования связан с состоянием здоровья и антропометрическими данными пациента. Излишне тучные пациенты также не могут быть обследованы с использованием большинства моделей доступного томографического оборудования. Совсем нередки случаи отказа от томографии по причине клаустрофобии. Также не являются экзотикой случаи отмены магниторезонансного обследования при наличии металлических протезов или кардиостимуляторов.
Немаловажны и экономические показатели. Основной вклад в стоимость томографического обследования вносят стоимость приобретения и эксплуатации оборудования, подготовка и содержание специализированного помещения, а также оплата труда медицинского и технического персонала. Требуемые затраты оказываются довольно значительными, измеряются миллионами и десятками миллионов рублей в год на один томограф в зависимости от его технико-эксплуатационных характеристик [14, 24]. По экономиче 23 ским причинам магнитно-резонансная томография практически не применяется в России для скрининга РМЖ [22].
В диагностике рака молочной железы используются ультразвуковые аппараты «Тошиба», «Сонолейер-50», «Алока» и др. Диагностические возможности эхографии удается расширить путем компьютеризации считывания ультразвуковых сигналов. Использование компьютерной эхографии (другое название – ультразвуковая томомаммография) особенно полезно при наличии в железе большого количества железистой ткани, когда обычное ультразвуковое исследование неэффективно [20, 29]. Однако, с возрастом, в молочной железе усиливается акустическая неоднородность, что сильно затрудняет диагностику РМЖ данным методом у пожилых лиц.
В основе термографии лежит возможность дистанционной регистрации собственного инфракрасного излучения тела с помощью специальных чувствительных аппаратов – тепловизоров.
Результат исследования демонстрируется в виде температурных карт (термограмм). Тепловое излучение над областью расположения рака молочной железы интенсивнее, чем излучение окружающих тканей, что отражается на термограмме в виде асимметричной зоны повышенной яркости («горячее пятно»). Запись термограммы может быть черно-белой на специальной бумаге (термограф «Рубин»), а также цветной на полароидной фотобумаге (термограф «Ага»). Характер термограммы зависит от возраста женщины. Кроме того, имеются и определенные индивидуальные особенности расположения «холодных» и «горячих» зон, что осложняет правильное чтение термограмм. Ценность термографического исследования в диагностике рака молочной железы в значительной степени снижается в связи с большим числом ложно-положительных заключений, которые достигают 25%. Это затрудняет использование термографии в скрининге с целью раннего выявления рака молочной железы [21].
Известно, что злокачественные опухоли молочной железы обладают электропроводностью, существенно отличающейся от электропроводности окружающих здоровых тканей [40, 72, 75]. Электропроводность опухоли может быть в 2-6 раза выше электропроводности окружающих тканей [49].
В современных экспериментальных электроимпедансных томографах для исследования молочных желз используются различные виды аппликаторов и, соответственно, разные алгоритмы реконструкции [77, 80]. Известны аппликаторы в форме конуса [51], в виде двух матриц электродов, между которыми помещается молочная железа [73], а также аппликаторы в виде одной матрицы электродов [76, 41].
По мнению автора, наилучшие результаты получены методом, разработанным в Институте радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН [42]. Для реконструкции трехмерного распределения электропроводности среды вблизи матрицы электродов используется метод взвешенных обратных проекций вдоль эквипотенциальных поверхностей электрического поля. К недостаткам существующего метода можно отнести недостаточную чувствительность и специфичность метода.
Критерии оценки качества математического моделирования
Функции Ть Т2 называют пробными (базисными) функциями. Обычно их выбирают как можно более простыми. Результативность этого подхода отчасти связана с использованием в качестве пробных функций сплайнов низкого порядка, в результате чего система уравнений для коэффициентов А], А2, ... , Ап выражается через разреженные матрицы, т.е. матрицы с большой относительной долей нулевых элементов. Данное обстоятельство позволяет использовать весьма эффективное программное обеспечение. Ким и др. [11] описали программу, основанную на методе конечных элементов, для микроконтроллерной системы. Эта система с помощью «осторожной» оптимизации обеспечивала решение уравнения (2.4) для двумерной модели торса человека, включающей в себя 4000 элементов.
Метод Монте-Карло - это метод решения математических и физических задач с использованием вероятностных механизмов. В рамках этого метода строится вероятностная модель, соответствующая математической задаче, и на ней реализуется случайная выборка. Чем больше выборок, тем точнее получаемый результат.
Для решения дифференциальных уравнений методом Монте-Карло сначала производится дискретизация исследуемой области. Затем выбирается исходная точка, в которой необходимо найти решение, и выполняются многократно повторяющиеся блуждания из этой исходной точки до границы исследуемой области. Такие блуждания выполняются по определенной вероятностной схеме. Таким образом определяется относительная доля блужданий, закончившихся в граничных точках.
В вариационном методе решения дифференциальных уравнений с частными производными использует вариационный принцип, т.е. решение дифференциального уравнения сводится к решению задачи минимизации некоторого интеграла. Уравнение решается путем выполнения приблизительной минимизации.
Метод сетей сопротивлений базируется на компьютерной модели сетей сопротивлений. Такая сеть сопротивлений моделирует непрерывное распределение сопротивления в реальном мире. Решение распределения потенциалов в сети можно вычислить систематическим применением закона Кирхгофа для тока в узлах сети. Этот метод более подробно рассмотрен в работах Дайнса и Литела [11].
Для математического моделирования в данном исследовании применялся модифицированный метод сетей сопротивлений. В предлагаемом методе резисторная сеть представляет собой не двухмерную схему, а объемную матрицу сопротивлений, позволяющую моделировать распределение потенциалов и сопротивлений в произвольном объеме. Данное решение позволяет моделировать различное положение и различные характеристики включения повышенной проводимости (опухоли), такие как: размер, форма, электропроводность.
Для получения исходных данных о распределении потенциала на поверхности и внутри объекта исследования была разработана компьютерная модель. Модель представляет собой матрицу из 3700 резисторов, соединен ных в форме цилиндра. Форма цилиндра выбрана исходя из того, что при наложении двухмерного массива жстко закреплнных электродов на поверхность молочной железы, последняя приобретает форму, близкую к цилиндрической. Фрагмент матрицы, состоящий из двух резисторных слов, представлен на рисунке 2.1.
Вся модель состоит из 6 основных резисторных слов, соединнных между собой промежуточными слоями резисторов.
Верхний слой резисторной модели содержит 256 узловых соединений, к каждому из которых с помощью мультиплексора может подключаться положительный полюс источника тока. Все слои модели состоят из резисторов номиналом 25 Ом. Для имитации наличия опухоли во внутренних слоях изменяются номиналы резисторов, составляющих куб (рисунок 2.1). В данном исследовании резисторы, имитирующие опухоль, имели номинал 0,2510–5 Ом. Таким образом, разница в проводимости резисторов, имитирующих здоровые ткани (25 Ом), и резисторов, имитирующих опухоль (0,2510–5 Ом), составила 107 раз. Источник постоянного тока подключается согласно моделируемой схеме наложения электродов. Положительный полюс источника подключается к одному из узлов верхнего резисторного слоя. Отрицательный полюс источника тока может подключаться к различным узлам нижнего слоя резисторов с тем, чтобы имитировать прохождение тока из молочной железы в конечность (руку или ногу).
Полный расчт математической модели включает в себя вычисление потенциалов в узлах верхнего слоя резисторов при последовательном подключении источника тока к каждому из 256 узлов верхнего слоя. Первый полный расчт модели осуществляется для случая однородной среды (без включения большей проводимости), второй полный расчт осуществляется для модели с включением большей проводимости.
Математическая модель рассчитывается с применением метода узловых потенциалов, метода решения системы линейных алгебраических уравнений Гаусса (метод последовательного исключения) и метода решения уравнений Ньютона-Рафсона.
Источники шумов электроимпедансного маммографа
Основной целью данной работы является разработка схемы сканирования, позволяющей повысить чувствительность и точность электроимпеданс-ной маммографии.
В данной главе представлены результаты исследования различных схем электроимпедансного сканирования и обоснована целесообразность использования новых решений, позволяющих повысить чувствительность элек-троимпедансной диагностики.
По мнению автора, на сегодняшний день наилучшие результаты по электроимпедансному выявлению опухолей молочной железы получены методом, разработанным в Институте радиотехники и электроники им. В.А. Ко-тельникова РАН [46]. В данном методе измерения проводятся с помощью матрицы, состоящей из 256 электродов. Электроды располагаются в узлах сетки, вписанной в окружность диаметром 12 см. Два дистанционных электрода, один из которых используется как общий электрод источника тока, а второй – как опорный электрод измерителя разности потенциалов, располагаются в руке или на запястье пациента. На базе данного метода создан серийно выпускаемый прибор, а также атлас электроимпедансных изображений различных патологий молочной железы, в том числе и злокачественных опухолей. Схема сканирования, используемая в единственном сертифицированном в России электроимпедансном томографе, представлена на рисунке 3.1. При подготовке к измерениям предварительно увлажненные дополнительные электроды 2 и 4 располагают на конечностях пациента, двумерный набор электродов 3 прижимают к обследуемой молочной железе так, чтобы плоскость с электродами была параллельна поверхности ребер. По команде с персонального компьютера 1 микропроцессорное управляющее устройство подключает с помощью мультиплексора источник тока к одному из электродов набора 3. Переменный ток протекает по цепи: источник тока, мультиплексор, электрод из набора 3, тело пациента, дополнительный электрод 4. С помощью мультиплексора микропроцессорное управляющее устройство подключает один из свободных электродов набора 3 к входу измерителя разности потенциалов, который измеряет амплитуду переменного напряжения между электродом из набора 3 и дополнительным электродом 2 и передает ее в цифровом коде микропроцессору. Таким образом, для проведения измерений на одной молочной железе используется один удаленный общий токовый электрод и один удаленный общий потенциальный электрод [46].
Для выявления опухолей меньшего диаметра и меньшей проводимости важнейшим условием является получение исходных данных, как можно больше отличающихся от данных, полученных на однородном объекте (без опухоли), особенно важны отличия в области локализации включения повышенной проводимости (опухоли). Таким образом, необходимо найти способ сканирования, дающий наибольшую разность потенциалов на поверхности объекта между случаем с однородной средой и средой с включением повышенной проводимости (опухолью). Тогда, используя дифференциальный метод сканирования и сравнивая результаты сканирования, полученные на одной молочной железе, с результатами, полученными на второй, можно с большей вероятностью выявить область повышенной проводимости (в том числе опухоль).
В качестве альтернативы описанному выше способу сканирования с использованием одного общего токового электрода, расположенного на руке, были разработаны схемы сканирования, предполагающие использование нескольких (четырех) общих токовых электродов. Электроды могут использоваться как последовательно, так и параллельно. В частности, будет рассмотрена модель электроимпедансного сканирования, при которой общие токовые электроды предполагается устанавливать на конечности (рисунок 3.2).
Параллельное использование нескольких токовых электродов позволяет снизить общее сопротивление сканируемого объекта и использовать большую силу инжектируемого тока при том же напряжении на источнике питания [18, 26]. Сопротивление руки или ноги взрослого человека при использовании переменного тока с частотой 28 кГц составляет около 200 Ом. Таким образом, при параллельном использовании 4 токовых электродов, расположенных дистально на конечностях (рисунок 3.2), импеданс на участке от края молочной железы до общих токовых электродов будет примерно в 4 раза меньше, чем в случае с использованием одного общего токового электрода. Однако сопротивление самой молочной железы при этом остается неизменным, поэтому общее сопротивление тела при использовании 4 токовых электродов вместо одного будет примерно в 3 раза ниже. Снижение общего сопротивления дает возможность использовать ток большей амплитуды при тех же безопасных для пациента значениях напряжения. Поэтому при использовании данной схемы сканирования с целью повышения напряжения на поверхности сканируемого объекта применялся ток с амплитудой 0,75 мА. При работе с остальными схемами сканирования использовался ток силой 0,25 мА.
Исследование различных схем сканирования молочной железы Сравнение схем сканирования проводилось на физической модели распределения проводимости в молочной железе с помощью экспериментального образца электроимпедансного маммографа. Более подробное описание физической модели и электроимпедансного сканера представлено в главе 4. В качестве включения повышенной проводимости использовался латунный ци 99 линдр (стопка монет) диаметром 16,5 и высотой 9 мм (удельное сопротивление = 0,0710–6 Омм). Схемы сканирования исследовались при различных положениях включения большей проводимости (имитация опухоли), в диссертации приведены наиболее характерные из них: а) включение расположено на 9 часах ближе к краю модели; б) включение расположено на 9 часах между центром и краем модели; в) включение расположено в центре; г) включение расположено на 7,5 часах между центром и краем модели.
Чувствительность различных схем сканирования можно сравнить как по параметру разницы потенциалов D, так и по отношению сигнал/шум (ОСШ) на измеренных данных (изображениях). При этом в качестве значения сигнала предлагается использовать абсолютную суммарную разницу потенциалов D, а в качестве значения шума – максимальное отклонение между двумя одинаковыми измерениями, полученными в таких же условиях, как и измерения для вычисления D (количество усреднений, параметры модели, настройки прибора и т.д.).
Ниже приведены результаты, полученные с помощью физического моделирования, для схем сканирования с одним и четырьмя токовыми электродами. Включение, имитирующее опухоль, расположено на 9 часах ближе к краю модели (рисунок 3.3). Дифференциальные карты электрических потенциалов на поверхности исследуемого объекта, полученные при использовании схемы сканирования с одним общим токовым электродом, представлены на рисунке 3.4, а карты, полученные с использованием 4 общих токовых электродов, представлены на рисунке 3.5.
Программное обеспечение экспериментального образца электроимпедансного маммографа
Другой важный фактор, влияющий на контактное сопротивление, - это равномерность контакта электрода с биообъектом. Плотность тока, протекающего через контактную поверхность, зависит от площади контакта. Если электрод прилегает неплотно или имеется значительная шероховатость поверхности, то эффективная площадь контакта уменьшается, а эффективное значение контактного сопротивления увеличивается [67].
В случае неоднородного распределения электропроводности по сечению биообъекта особенно важную роль играют проводимость и качество обработки поверхностных слоев, находящихся в соприкосновении с электродом. Строение кожи человека таково, что снаружи находится слой ороговевшего эпителия - погибших клеток, выполняющих барьерную функцию. Сопротивление его очень велико, и в результате контактное сопротивление также имеет большое значение - десятки и сотни тысяч Ом при частоте зон 124 дирующего тока в сотни герц [68]. С увеличением частоты зондирования сопротивление этого слоя быстро падает и при 800 кГц составляет 200-300 Ом. Механическое удаление участка эпителия или смачивание раствором NaCl также приводит к значительному уменьшению контактного сопротивления. Обычно в электрофизиологических исследованиях используется специальный токопроводящий гель, обеспечивающий и равномерный контакт по всей площади электрода, и низкое контактное сопротивление. Огромное значение имеют электрохимические условия в месте контакта электрод-кожа и правильный подбор пары электрод-гель.
Известно, что даже мегаомное контактное сопротивление не создает больших проблем для современных биоусилителей, имеющих экстремально высокое входное сопротивление, очень большой коэффициент подавления синфазной помехи и малые токи смещения. Но при импедансных измерениях с амплитудным значением зондирующего тока 1 мА падение напряжения на таком сопротивлении теоретически составит очень большую величину, а практически при таком значении зарегистрировать электрическое сопротивление исследуемого объекта затруднительно. Сложности возникают и в связи с дрейфом контактного сопротивления. Появление дрейфа обусловлено изменением электрохимических условий и температуры в месте контакта, постепенным высыханием смачивающего раствора и другими факторами. При измерениях in vivo свой вклад в дрейф вносят движения пациента, активность сальных и потовых желез. Изменения контактного сопротивления за счет дрейфа весьма значительны и существенно влияют на результат импеданс-ных измерений. Один из эффективных способов уменьшения контактного сопротивления и его дрейфа – увеличение размеров электродов. При прочих равных условиях электрод с большей площадью будет иметь меньшее контактное сопротивление (и, соответственно, меньший дрейф) за счет уменьшения плотности тока J в месте контакта. Но резервы этого метода невелики, поскольку вступают в противоречие с требованием размещения 256 и более электродов на сравнительно небольшой площади. Одним из возможных решений является использование композитных электродов [14]. Из теории информации известно, что сигналом является любой процесс, несущий сведения о структуре или системе. В нашем случае потенциалы, образующиеся на поверхности сканируемого объекта, отражают информацию о внутренней структуре объекта. Шумами являются все процессы, не связанные со структурой сканируемого объекта.
Для оценки шумов при использовании физической модели в экспериментах со стопкой монет (латунный цилиндр) было проведено 10 серий по 10 последовательных измерений при одинаковых условиях. Каждая серия усреднялась в одно измерение, далее усредненные измерения сравнивались между собой. В результате анализа были получены следующие значения отклонений: – максимальное отклонение S между двумя усредненными измерениями (наихудший случай) – 2,32 мВ (6,6 %); – среднее отклонение S между двумя усредненными измерениями – 1,52 мВ (4,3 %); – максимальное отклонение S между двумя измерениями без усреднения (наихудший случай) – 5,23 мВ (14,8 %); – среднее отклонение S между двумя измерениями без усреднения – 3,63 мВ (10,3 %).
В скобках указаны значения отклонений относительно максимального измеренного значения S для измерений с данным включением (35,33 мВ).
Типовой пример дифференциальной карты, построенной по данным двух последовательных измерений и двух усредненных измерений, прове 126 денных в одинаковых условиях, представлен на рисунке 3.24. При всех изме рениях использовался один общий токовый электрод, расположенный слева.
Пример распределения отклонений при сравнении двух последовательных измерений, проведенных при одинаковых условиях (слева) и пример распределения отклонений двух усредененных измерений (справа). Серии для последующего усреднения состояли из 10 последовательных измерений, проведенных в одиноковых условиях
Для демонстрации возможности применения схемы измерения c последовательным использованием 4 токовых электродов не только в случаях, когда проводимость включения много выше проводимости окружающей среды, были проделаны измерения с объектами, имеющими небольшую разность в проводимости, соответствующую разности проводимостей ткани опухоли и здоровых тканей молочной железы.
Ниже представлены изображения феррита (удельное электрическое сопротивление = 0,5 Омм) в 0,8% растворе NaCl (удельное электрическое сопротивление = 0,7 Омм), полученные при разном количестве усреднений. Размеры феррита составляют 16164,5 мм (длина ширина высота). Отношение удельных сопротивлений среды и включения составляет 1:1,4, поэтому выделение зоны повышенной проводимости вызывает трудности
Похожие диссертации на Метод и система электроимпедансной маммографии
-
-
-
