Персональное устройство электроимпедансной диагностики молочной железы

Персональное устройство электроимпедансной диагностики молочной железы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для диагностики патологических изменений молочной железы и визуализации результатов.

Известен электрический маммограф, содержащий двумерный набор электродов, располагаемых на поверхности тела, источник переменного тока, измеритель разности потенциалов, выходной мультиплексор, выходы которого подключены к электродам, а вход - к источнику переменного тока, входной мультиплексор, входы которого подключены к электродам, а выход - к измерителю разности потенциалов, управляющее устройство, подключенное к адресным входам выходного и входного мультиплексоров, входу управления источником переменного тока, а также к цифровому выходу измерителя разности потенциалов, и вычислительное устройство, соединенное линией связи с управляющим устройством, к источнику переменного тока и измерителю разности потенциалов подключено по одному дополнительному электроду, которые расположены на большом расстоянии от двумерного набора электродов, например на конечностях, дополнительно к выходу источника переменного тока подключен пороговый детектор выходного напряжения, выход которого подключен к управляющему устройству, двумерный набор электродов расположен на жесткой диэлектрической плоскости, а каждый электрод представляет собой электропроводящий выступ (RU 2153285, А61В 5/05, 27.07.2000).

Недостатки известного устройства заключаются в необходимости использования персонального компьютера со специализированным программным обеспечением, выполняющего реконструкцию изображения. Для диагностики органов по их электроимпедансным изображениям оператор должен обладать специальными навыками по расшифровке полученных результатов. Кроме того, использование персонального компьютера обуславливает значительные массогабаритные показатели устройства в целом.

В качестве прототипа принято диагностическое персональное устройство, содержащее матрицу измерительных электродов, соединенных с коммутационным блоком мультиплексоров, генератор, предназначенный для питания зондирующим сигналом активных измерительных электродов, измеритель, предназначенный для измерения напряжения на пассивных измерительных электродах, микроконтроллер, выходы которого подключены к управляющим входам коммутационного блока мультиплексоров, генератора и измерителя, одни из выводов генератора и измерителя подключены к коммутационному блоку мультиплексоров, а другие их выводы соединены соответственно с первым и вторым отводящими электродами, модуль управления и ввода информации, подключенный к микроконтроллеру, к которому подключены модуль для вывода визуальной информации и анализатор данных, состоящий из микропроцессора, с подключенным к нему модулем памяти, в котором записаны коэффициенты линейной комбинации входных параметров, соответствующие данным репрезентативных контрольных групп пациентов. Устройство выполнено переносным, размещено в одном корпусе, на лицевой панели которого размещены индикатор модуля для вывода визуальной информации и манипулятор модуля управления и ввода информации, источник питания, обеспечивающий электропитание всего устройства (его модулей, блоков и т.д.), который может быть автономным (в частности, аккумулятор или обычные не перезаряжаемые элементы питания), а также от внешнего источника постоянного тока или от сети (RU 117791 U1, А61В 5/05, 10.07.12).

Известное диагностическое персональное устройство не обеспечивает требуемого быстродействия, поскольку измерение выполняется последовательно на каждом измерительном электроде матрицы и имеет недостаточную точность измерения из-за влияния паразитных емкостей мультиплексоров и длинных проводников, связывающих электрод с измерителем.

Технический результат изобретения заключается в повышении быстродействия и точности измерения.

По первому варианту технический результат достигается тем, что в персональное устройство электроимпедансной диагностики молочной железы, содержащее матрицу измерительных электродов, отводящий электрод и размещенные в корпусе источник питания, источник зондирующего сигнала для питания активных измерительных электродов, общая шина которого соединена с отводящим электродом, измеритель напряжения, микроконтроллер, к которому подключены модуль управления и ввода информации, модуль для вывода визуальной информации и анализатор данных, состоящий из микропроцессора, с подключенным к нему модулем памяти, в котором записаны коэффициенты линейной комбинации входных параметров, мас. % етствующие данным репрезентативных контрольных групп пациентов, при этом на лицевой панели корпуса устройства размещены индикатор модуля для вывода визуальной информации и манипулятор модуля управления и ввода информации, согласно изобретению в него введен коммутатор, вход которого подключен к источнику зондирующего сигнала для питания активных измерительных электродов, а его выходы соединены с активными измерительными электродами матрицы, измеритель напряжения выполнен многоканальным, входы которого соединены с соответствующими пассивными измерительными электродами матрицы и отводящим электродом, а его выходы соединены с входами микроконтроллера.

По второму варианту технический результат достигается тем, что в персональном устройстве электроимпедансной диагностики молочной железы, содержащем матрицу измерительных электродов, отводящий электрод и размещенные в корпусе источник питания, источник зондирующего сигнала для питания активных измерительных электродов, общая шина которого соединена с отводящим электродом, измеритель напряжения, микроконтроллер, к которому подключены модуль управления и ввода информации, модуль для вывода визуальной информации и анализатор данных, состоящий из микропроцессора, с подключенным к нему модулем памяти, в котором записаны коэффициенты линейной комбинации входных параметров, соответствующие данным репрезентативных контрольных групп пациентов, при этом на лицевой панели корпуса устройства размещены индикатор модуля для вывода визуальной информации и манипулятор модуля управления и ввода информации, согласно изобретению источник зондирующего сигнала для питания активных измерительных электродов и измеритель напряжения выполнены многоканальными, при этом выходы многоканального источника зондирующего сигнала для питания активных измерительных электродов соединены с соответствующими активными измерительными электродами матрицы, а входы многоканального измерителя напряжения соединены с соответствующими пассивными измерительными электродами матрицы и отводящим электродом, выходы многоканального измерителя напряжения соединены с входами микроконтроллера.

На чертеже приведена схема предлагаемого персонального устройства электроимпедансной диагностики молочной железы.

Персональное устройство электроимпедансной диагностики молочной железы содержит матрицу 1 измерительных электродов, отводящий электрод 2 и размещенные в корпусе 13 источник 3 питания, источник 4 зондирующего сигнала для питания активных измерительных электродов, общая шина которого соединена с отводящим электродом 2, многоканальный измеритель 5 напряжения, микроконтроллер 6, к которому подключены модуль 7 управления и ввода информации, модуль 8 для вывода визуальной информации и анализатор 9 данных, состоящий из микропроцессора 10, с подключенным к нему модулем 11 памяти, в котором записаны коэффициенты линейной комбинации входных параметров, соответствующие данным репрезентативных контрольных групп пациентов, при этом на лицевой панели корпуса устройства размещены индикатор модуля 8 для вывода визуальной информации и манипулятор модуля 7 управления и ввода информации, вход коммутатора 12, который подключен к источнику 4 зондирующего сигнала для питания активных измерительных электродов, а его выходы соединены с активными измерительными электродами матрицы 1, входы многоканального измерителя 5 напряжения соединены с соответствующими пассивными измерительными электродами матрицы 1 и отводящим электродом 2, а его выходы соединены с входами микроконтроллера 6.

Источник 3 питания обеспечивает электропитание всего устройства (его модулей, блоков и т.д.), который может быть автономным (в частности, аккумулятор или обычные не перезаряжаемые элементы питания). Питание может осуществляться или от внешнего источника постоянного тока, или от сети ~220 В (в этом случае источник питания выполняется с преобразователем напряжения), или от интерфейса USB.

Во втором варианте коммутатор 12 не используется, поскольку источник 4 зондирующего сигнала для питания активных измерительных электродов выполнен многоканальным и соединен непосредственно с соответствующими активными измерительными электродами матрицы 1 (не показано).

Персональное устройство электроимпедансной диагностики молочной железы работает следующим образом.

Диагностическое персональное устройство позволяет обеспечить простое и безопасное исследование пациентов не только в клинических условиях, но и в обычных кабинетах, лабораториях и даже в домашних условиях, полевых условиях. При проведении измерений на органе человека величина инжектируемого тока ограничена условием безопасности воздействия, поэтому величина измеряемых прибором сигналов оказывается весьма небольшой и серьезное влияние на качество анализа оказывает отношение амплитуды измеряемых сигналов к величине собственных шумов прибора и внешних электрических помех на частоте измерения.

Перед началом измерений с помощью манипулятора модуля 7 управления и ввода информации в устройство вводится информация о пациенте, в частности о возрасте, о наличии и фазе цикла и др. Кроме того, в модуле 11 памяти устройства предварительно записаны коэффициенты линейной комбинации входных параметров, соответствующие данным репрезентативных контрольных групп пациентов, что выполняется при изготовление прибора, с возможностью обновления прошивки памяти через компьютер в процессе эксплуатации прибора. В предлагаемом устройстве инжекция тока осуществляется через отводящий электрод и электроды матрицы (все или несколько из них). Использование многоканального измерителя напряжения, с которым соединены пассивные измерительные электроды, позволило производить одновременное измерение потенциалов относительно отводящего электрода. Это привело к значительному сокращению времени измерения и, следовательно, к повышению быстродействия предлагаемого устройства. Кроме того, непосредственное подключение (отсутствие в этой цепи коммутационного блока мультиплексоров) измерительных электродов к многоканальному измерителю 5 напряжения позволило уменьшить погрешности, обусловленные влиянием паразитных емкостей мультиплексоров и длинных проводников, связывающих электрод с измерителем. Вследствие чего значительно увеличилась точность измерения. Для еще большего снижения влияния паразитных емкостей и повышения точности во втором варианте исключен коммутатор 12, а источник 4 зондирующего сигнала для питания активных измерительных электродов выполнен многоканальным и соединен непосредственно с соответствующими активными измерительными электродами матрицы 1. Измеренные данные подвергаются на основе базы знаний анализу, на основе которого осуществляет индикация результатов измерений.

При подготовке к измерениям предварительно увлажненный отводящий электрод 2 располагают на конечности пациента, а матрицу 1 измерительных электродов прижимают к обследуемой молочной железе так, чтобы плоскость с электродами была параллельна поверхности ребер человека, при этом обеспечивается электрический контакт электродов. По команде с модуля 7 управления и ввода информации микроконтроллер 6 с помощью коммутатора 12 подключает источник 4 зондирующего сигнала к измерительным электродам (всем или нескольким из них) матрицы 1. Переменный ток от источник 4 зондирующего сигнала протекает по цепи: источник 4, коммутатор 12, электроды матрицы 1, исследуемый орган, отводящий электрод 2. Пассивные электроды матрицы 1 подключаются к входам многоканального измерителя 5, который измеряет амплитуду переменного напряжения между каждым электродом матрицы 1 и отводящим электродом 2. При необходимости осуществляется усреднение за несколько периодов. Синхронно с этим может происходить измерение величины инжектируемого тока в источнике 4 зондирующего сигнала. Данные с источника 4 и многоканального измерителя 5 передаются в микроконтроллер 6, где на их основе вычисляются квадратуры для тока и напряжения. Вычисленные для каждой пары электрод-генератор/электрод-приемник квадратуры передаются в блок 9 анализа, сравнивающего результаты измерений (с учетом другой информации о пациенте, такой как возраст, наличие и фаза цикла) с данными из модуля 11 памяти (базы знаний), что позволяет классифицировать состояние обследуемого органа, и передающего через микроконтроллер 6 результат на индикатор модуля 8, для отображения результата исследования пользователю. Управление прибором осуществляет с помощью манипулятора модуля 7 управления и ввода информации, подключенного к микроконтроллеру 5. Источник 3 питания (возможно автономный, в частности аккумулятор или обычные не перезаряжаемые элементы питания) обеспечивает энергией все блоки устройства в процессе его работы посредством питания от сети 220 В или иного источника (в том числе USB, источника постоянного напряжения). При использовании аккумулятора его зарядка осуществляется автоматически после подключения внешнего источника питания через универсальный разъем, установленный на одной из торцевых частей корпуса 13.

Анализатор 9 данных представляет собой вычислительное устройство на микропроцессоре 10, на вход которого могут подаваться в числовом виде результаты с измерителя при различных комбинациях состояний входного и выходного мультиплексора, значение возраста пациента, количество родов, закодированные в формате 0/1, данные о наличии или отсутствии менструального цикла. Вероятность развития злокачественного новообразования в обследуемом органе вычисляется микропроцессором 10 как функция линейной комбинация входных параметров. Коэффициенты этой линейной комбинации хранятся в модуле 11 памяти вычислительного устройства. Они вычисляются заранее вне устройства, например, методом логистической регрессии [Крамер Г. Математические методы статистики, пер. с англ., 2 изд., М., 1975; Кендалл М. Дж., Стьюарт Α. Статистические выводы и связи, пер. с англ., М., 1973] с помощью обучающего набора данных, полученных от большого количества пациентов, для которых имеются точно установленные диагнозы.

Алгоритм для расчетного определения результата диагностики с помощью вычислительного устройства включает в себя:

- ввод данных о пациенте в цифровом виде (возраст, наличие/отсутствие менструального цикла и другие данные анамнеза),

- получение результатов измерения при различных комбинациях состояний входного и выходного мультиплексоров;

- осуществление операции умножения и сложения в соответствии с формулой: , где х_i - вектор результатов, полученных от измерителя, y_i - вектор данных анамнеза пациента, а_i и b_i - коэффициенты линейной комбинации входных параметров, используемой для вычисления вероятности развития злокачественной опухоли, хранящиеся в модуле 11 памяти (база знаний), I=n∗(n-1) - количество данных, измеряемых системой с количеством измерительных электродов n, J - количество описывающих пациента параметров, которые указываются в анамнезе;

- принятие решения, завершающее вычислительный процесс выдачей результата (маловероятно наличие злокачественной опухоли при z<0) или (вероятно наличие злокачественной опухоли при z≥0).

Полученный результат отображается на индикаторе модуля 8, который, в частности, может быть в виде двух светодиодов (зеленого и красного свечения). Светодиод зеленого свечения может указывать на отсутствие патологии, а светодиод красного свечения указывает на ее наличие. По этому результату пользователь может оценить необходимость более детальной диагностики исследуемого органа в медицинском учреждении. Если в устройстве использован микроконтроллер, снабженный средством для передачи данных на внешнее устройство, то данные измерений можно передать (с помощью проводной или беспроводной связи, интерфейса) с предлагаемого диагностического устройства, например, на персональный компьютер со специализированным программным обеспечением, с помощью которого специалист на основе полученных данных в дальнейшем может осуществить реконструкцию, визуализацию изображения и детальный анализ изображений (предварительную дистанционную диагностику пациента).

1. Персональное устройство электроимпедансной диагностики молочной железы, содержащее матрицу измерительных электродов, отводящий электрод и размещенные в корпусе источник питания, источник зондирующего сигнала для питания активных измерительных электродов, общая шина которого соединена с отводящим электродом, измеритель напряжения, микроконтроллер, к которому подключены модуль управления и ввода информации, модуль для вывода визуальной информации и анализатор данных, состоящий из микропроцессора, с подключенным к нему модулем памяти, в котором записаны коэффициенты линейной комбинации входных параметров, соответствующие данным репрезентативных контрольных групп пациентов, при этом на лицевой панели корпуса устройства размещены индикатор модуля для вывода визуальной информации и манипулятор модуля управления и ввода информации, отличающееся тем, что в него введен коммутатор, вход которого подключен к источнику зондирующего сигнала для питания активных измерительных электродов, а его выходы соединены с активными измерительными электродами матрицы, измеритель напряжения выполнен многоканальным, входы которого соединены с соответствующими пассивными измерительными электродами матрицы и отводящим электродом, а его выходы соединены с входами микроконтроллера.

2. Персональное устройство электроимпедансной диагностики молочной железы, содержащее матрицу измерительных электродов, отводящий электрод и размещенные в корпусе источник питания, источник зондирующего сигнала для питания активных измерительных электродов, общая шина которого соединена с отводящим электродом, измеритель напряжения, микроконтроллер, к которому подключены модуль управления и ввода информации, модуль для вывода визуальной информации и анализатор данных, состоящий из микропроцессора, с подключенным к нему модулем памяти, в котором записаны коэффициенты линейной комбинации входных параметров, соответствующие данным репрезентативных контрольных групп пациентов, при этом на лицевой панели корпуса устройства размещены индикатор модуля для вывода визуальной информации и манипулятор модуля управления и ввода информации, отличающееся тем, что источник зондирующего сигнала для питания активных измерительных электродов и измеритель напряжения выполнены многоканальными, при этом выходы многоканального источника зондирующего сигнала для питания активных измерительных электродов соединены с соответствующими активными измерительными электродами матрицы, а входы многоканального измерителя напряжения соединены с соответствующими пассивными измерительными электродами матрицы и отводящим электродом, выходы многоканального измерителя напряжения соединены с входами микроконтроллера.