CC BY
121
ЭЛЕКТРОПОЛЕВАЯ ТОМОГРАФИЯ: ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ
Т.С. Туйкин, А.В. Корженевский, Институт радиотехники и электроники Российской Академии Наук
Электрополевая томография - направление квазистатической электромагнитной томографии, позволяет бесконтактно получать пространственное распределение электрических свойств объекта. В основе лежит измерение запаздывания поля, возникающее при внесении проводника конечной проводимости. На данный момент получены подтверждения теоретическим результатам, созданы высокоточные модули для реализации измерительного канала ЭПТ. По моделированным данным произведены успешные восстановления изображений. Для медицинских приложений потенциальная ценность электрополевой томографии заключается в возможности высокочувствительной диагностики по электрическим свойствам объекта и выявлении заболеваний на ранних стадиях. Однако для этого необходимо наработать базу знаний для диагностики органов и тканей в терминах проводимости и диэлектрической проницаемости.
1. Физические основы электрополевой томографии
Электрополевая томография (ЭПТ) - одно из новейших направлений квазистатической электромагнитной томографии, помимо магнитоиндукционной томографии (МИТ) [1] и электроимпедансной томографии (ЭИТ) [2]. Квазистатическая электромагнитная томография проводится электромагнитным полем, при условии длинны волны зондирующего поля много больше размеров изучаемого объекта, что позволяет не учитывать волновой характер распространения электромагнитного поля. В частности, электрополевая томография использует только электрическую компоненту высокочастотного поля для бесконтактного исследования объекта и получения трехмерного изображение распределения электрических свойств объекта.
Общеизвестно, что идеальный проводник, помещенный в переменное поле, полностью экранирует поле внутри себя. Это происходит благодаря мгновенному перераспределению свободных носителей заряда, которые создают вторичное поле. Вторичное поле полностью компенсирует внешнее поле внутри проводника и позволяет находиться носителям в равновесии.
Если же проводник не идеальный, а конечного сопротивления, то носители немного запаздывают относительно внешнего поля из-за конечного сопротивления среды, что вызывает сдвиг вторичного поля и сдвиг суммарного поля - вторичного и изначального внешнего поля. Это так называемая релаксация Максвелл-Вагнера. Величина этого сдвига зависит от геометрии, диэлектрической проницаемости, проводимости объекта и частоты зондирующего поля. Причём по частотной зависимости существует максимум для сдвига фазы, вносимого объектом, его положение на частоте не зависит от геометрии объекта. А величина максимального сдвига фазы не зависит от проводимости объекта [3].
В рентгеновских томографах, плотностное изображение объекта строится по множеству проекций рентгеновских лучей. Затухание луча зависит от интегральной плотности области объекта, пронзаемого лучом. Обратной задачей называется восстановления плотностного распределения объекта по множеству проекций.
По аналогии с рентгеновской томографией, для электрополевой томографии необходимо иметь набор пространственно распределённых электродов для регистрации изменений электрического поля, внесенного исследуемым объектом, и последующего восстановления пространственного распределения электрических свойств объекта. Хотя для электромагнитного поля обратная задача значительно сложнее, чем для оптического луча, в силу присутствия эффекта мягкого поля -возмущение от объекта нивелируется и смазывается по мере удаления от объекта полем. Один из лучших по качеству (устойчивости найденного решения) и
быстродействию метод взвешенных обратных проекций вдоль линии электрического поля [1,3].
В качестве примера системы для электрополевой томографии на рис.1 схематично изображена ЭПТ система с круговой организацией электродов.
2. Уровень развития направления На данных момент сделаны практические эксперименты, подтвердившие теоретические результаты. Проведён ряд доработок и созданы высокоточные измерительные модули, позволяющие регистрировать изменение фазы поля порядка 0.01° при частоте поля 12.5 МГц. Разработаны общие принципы построения многоканальной системы для электрополевой томографии. Был проведен ряд численных экспериментов по моделирования качеств будущих систем и восстановления изображения по численно синтезированным данным с добавлением шума реального уровня. Для моделирования данных (решения прямой задачи) производилось решения полного уравнение Максвелла методом конечно-разностной аппроксимации. Результаты эксперимента прогнозируют успешную реконструкцию
изображений для реальных систем ЭПТ.
Далее приведены наиболее интересные результаты: сравнение качества и способности восстановления изображения систем с планарной и круговой системой электродов по заранее численно синтезированным наборам данных для моделей (см. рис.2, левый столбец) с частотой зондирующего поля 10 МГц.
Сверху изображены две модели для планарной системы электродов, ниже -одна модель для круговой системы электродов. Количество электродов одинаково для обеих систем и равно 16. Маленький круглый объект - жировая ткань: проводимость а = 0.03 См/м, диэлектрическая проницаемость 8 = 10. Большой эллиптический объект - мышечная ткань: проводимость а = 0.6 См/м, диэлектрическая проницаемость 8 = 150.
Планарной системой даже простой объект (верхняя строчка рис.2) восстановлен с искажениями. В изображение составного объекта, трудно оценить включение, можно только предположить его наличие из-за несимметричности изображения. Следовательно, планарная геометрия может быть использована только в системах, требующих качественного анализа или обнаружения - без последующего визуального анализа изображения.
Круговая система позволяет визуально и четко оценивать размеры и качество включения (нижняя строчка рис.2). Она является более перспективной для приложений, требующих последующего анализа восстановленного изображения, как-то биомедицина.
Рис.1. Схема системы для электрополевой томографии с круговой организацией
электродов. 1 - электрод, работающий в режиме генератора, 2 - один из электродов, работающих в режиме регистрации поля, 3 - заземлённый экран, 4 - исследуемый объект, 5 -геометрия силовых линий.
о
/
.иг
у
Рис.2. Модели (левый столбец) и их восстановленные изображения (правый столбец), для планарной и круговой системы электродов. Частота поля 10 МГц, значения сред приведены для этой же частоты. Маленький, круглый объект 3 - жировая ткань: проводимость с = 0.03 См/м, диэлектрическая проницаемость е = 10. Большой эллиптический объект 2 - мышечная ткань: проводимость с = 0.6 См/м, диэлектрическая проницаемость е = 150.
Качество восстановления определяется полнотой и независимостью набора данных - то есть количеством разнообразных силовых линий поля проходящих через различные участки объекта и регистрируемых после электродами. В планарной системе большинство линий проходящих через объект не регистрируются вовсе. А те, что регистрируются, проходят через объект более однообразно, и как следствие несут меньше независимой информации об объекте, чем в круговой системе.
3. Эффективность биоэмпедансных методов
Очевидно, что своевременная диагностика практически любого заболевания - залог успешного и быстрого лечения. Большинство наиболее распространенных неинвазивных методов диагностики базируются на плотностных методах анализа. Плотностные изменения в органах и тканях по величине могут достигать десятка процентов, против разов и десятков раз изменения проводимости тканей. Это означает, что биоимпедансные методы потенциально более чувствительные. И хотя они уступают в разрешении в силу невысокого уровня своего развития, но с успехом диагностируют объекты меньшие своего разрешения за счёт чувствительности.
Более того, зачастую плотностные изменения являются необратимыми, и сопровождаются серьёзными дисфункциями. Есть ли что-то, что происходит ранее плотностных изменений, и что было бы возможным диагностировать до появления плотностных и морфологических изменений? Вполне логично, что этим процессам предшествуют изменения кровообращения, обмена веществ и концентрации веществ, ферментов, гормонов. Поэтому биоимпедансные методы порой являются уникальными и позволяют детектировать заболевания уже на зачаточной стадии еще до их проявления. Наиболее известными из биоимпедансных методов и используемыми в широкой практике являются электроимпедансные методы диагностики.
Эксплутационные характеристики ЭПТ, важные для медицинских приложений:
-полная безопасность и безвредность диагностики, как для персонала, так и для пациентов, мощность излучения значительно ниже излучения бытовых приборов;
-отсутствие радиоактивных частей в системе и высоковольтных напряжений; -не требует расходных материалов;
-система ЭПТ имеет низкое энергопотребление и является потенциально портативной, то есть может работать значительное время без внешней сети, питаясь только от аккумуляторов ноутбука (что может быть удобным для различных скринингов исследований в сельских областях и деревнях);
-ожидаемое время диагностики единицы - десяток секунд. Нужно выделить БЕСКОНТАКТНОСТЬ исследования и вытекающие следствия:
-гигиеничность, минимизация санитарной обработки;
-отсутствие проблемы наложения электродов в заданные места, или нахождения их координат для правильной реконструкции изображения;
-простота и быстрота в использовании, отсутствие требований специальной подготовки обслуживающего персонала. Особенности систем ЭПТ для диагностики:
-позволяет легко обнаруживать низкопроводящие области внутри высокопроводящих (чем значительно дополняет возможности ЭИТ и МИТ)
-при проведении исследований на нескольких частотах позволяет выделить и распределение проводимости, и распределение диэлектрической проницаемости объекта, что, вероятно, позволит в большей степени судить о внутримолекулярных структурах тканей, органов.
Создание лабораторного прототипа следует ожидать в 2009 году. Основной задачей на пути реализаций диагностических медицинских систем различных профилей на основе ЭПТ является наработка базы медицинских знаний об органах и тканях, в терминах проводимости и диэлектрической проницаемости.
1. Корженевский А.В., Сапецкий С.А.// Известия Академии наук. Сер. физ. 2001. Т.65, № 12. С.1783.
2. Electrical Impedance Tomography: Methods, History and Applications/ Ed. By Holder D. Bristol: Inst. of Phys. Publ., 2005.
3. Korjenevsky A.V.// Physiol. Meas.2004.V. 25(1). P.391.
4. Корженевский А.В., Туйкин Т.С. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2007. № 1. С. 60.
ELECTROFIELD TOMOGRAPHY FEASIBLE POSIBILITY FOR MEDICAL APLICATIONS
A.V. Korjenevsky, T.S. Tuykin Institute of Radio-engineering and Electronics of Russian Academy of Sciences, [email protected]
Electric field tomography (EFT) is a new kind of quasi-static electromagnetic tomography. EFT permits contact-less to obtain spatial distribution of electrical properties of an investigated object. EFT is based on measuring of an additional lagging of field caused by appearing of the object with finite conductivity. By now, theoretical results are validated through practical experiments and high-precision measuring modules for EFT-channel are developed. Image reconstructions have been done successfully from numerical simulated data. The feasible value of EFT for medical application is possibility to detect illness on its preliminary stage through high-sensitive diagnostics by electrical tissue properties. But, it demands to collect the base of medical knowledge to diagnose organs and tissues in term of conductivity and permittivity for certain.
