Способ оценки состояний здоровья с применением визуализации методом магнитоиндукционной томографии с помощью одной катушки
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средствам оценки состояния здоровья человека с помощью медицинской визуализации. Способ визуализации методом магнитоиндукционной томографии включает идентификацию целевой области на пациенте для медицинской визуализации; получение множества результатов измерения характеристик катушки относительно целевой области с помощью одной катушки системы визуализации методом магнитоиндукционной томографии, причем множество результатов измерения потерь в катушке выполняют с помощью одной катушки во множестве отдельных местоположений относительно целевой области, причем одна катушка содержит один или несколько концентрических проводящих витков, расположенных в одной или нескольких плоскостях на печатной плате; получение доступа к модели, определяющей отношение между результатами измерения характеристик катушки, полученными с помощью одной катушки, и распределением удельной проводимости целевой области; и создание изображения распределения удельной проводимости целевой области из множества результатов измерения характеристик катушки на основании модели; и вывод изображения для оценки состояния здоровья пациента. 4 з.п. ф-лы, 15 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение в целом относится к способу оценки состояний здоровья человека с помощью медицинской визуализации и, более конкретно, к оценке состояний здоровья человека с применением визуализации методом магнитоиндукционной томографии с помощью одной катушки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технологии медицинской визуализации могут быть применены для оценки различных состояний здоровья пациентов. Технологии медицинской визуализации могут широко варьировать по стоимости и портативности, причем их диапазон простирается от относительно недорогого ультразвукового исследования до более дорогостоящих способов, таких как компьютерное томографическое (КТ) сканирование и магнитно-резонансная томография (МРТ). Портативность систем КТ - и МРТ-визуализации ограничена, что усложняет предоставление доступа к такой технологии визуализации для определенных представителей населения и в определенных обстоятельствах. Хотя технология ультразвукового исследования является относительно недорогой и портативной, ее применение может быть ограничено в случае если кость или газы скрывают целевую область, представляющую интерес.
Визуализация методом магнитоиндукционной томографии может применяться для визуализации распределения электромагнитных характеристик (например, удельной проводимости или диэлектрической проницаемости) в тканях человека. Более конкретно, методики магнитоиндукционной томографии могут обеспечивать низкозатратное бесконтактное измерение электромагнитных характеристик ткани человека на основании вихревых токов, индуцированных в тканях посредством катушек индуктивности, размещенных рядом с тканью. Существующие методики для визуализации методом магнитоиндукционной томографии, как правило, включают размещение значительного количества катушек (например, группы катушек) вблизи образца и построение изображения на основании измеренной взаимной индуктивности пар катушек среди значительного количества катушек, размещенных вблизи образца. Например, группа генераторных катушек и группа приемных катушек могут быть размещены рядом с образцом. Одна или несколько генераторных катушек могут быть возбуждены с применением радиочастотной энергии, причем отклик может быть измерен на приемных катушках. Распределение удельной проводимости (или распределение диэлектрической проницаемости) образца можно определить исходя из отклика приемных катушек.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Аспекты и преимущества вариантов осуществления настоящего изобретения будут частично изложены в последующем описании, или могут быть изучены из описания, или могут быть изучены посредством практического применения вариантов осуществления.
Один примерный аспект настоящего изобретения относится к способу оценки состояния здоровья пациента. Способ включает идентификацию целевой области на пациенте для медицинской визуализации и получение множества результатов измерения характеристик катушки целевой области с помощью одной катушки. Множество измерений характеристик катушки выполняют с помощью одной катушки во множестве отдельных местоположений относительно целевой области. Способ дополнительно включает обработку множества результатов измерения характеристик катушки для создания изображения распределения удельной проводимости целевой области. Способ дополнительно включает вывод изображения для оценки состояния здоровья пациента.
В этот примерный аспект и другие аспекты настоящего изобретения могут быть внесены изменения и модификации.
Эти и другие признаки, аспекты и преимущества различных вариантов осуществления станут более понятны со ссылкой на последующее описание и прилагаемую формулу изобретения. Прилагаемые графические материалы, которые включены в данное описание и составляют его часть, иллюстрируют варианты осуществления настоящего изобретения и вместе с описанием служат для объяснения связанных с ними принципов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Подробное описание вариантов осуществления, предназначенное для специалиста в данной области техники, изложено в описании изобретения, которое ссылается на прилагаемые фигуры, на которых:
на фиг. 1 изображена блок-схема примерного способа оценки состояния здоровья пациента согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2 изображен примерный стол для медицинского осмотра, который может быть применен для выполнения множества измерений характеристик катушки с помощью одной катушки во множестве отдельных местоположений относительно целевой области согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 3 изображена примерная непроводящая пластина, которая может быть применена для выполнения множества измерений характеристик катушки с помощью одной катушки во множестве отдельных местоположений относительно целевой области согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 4 изображено множество перекрывающихся непроводящих полотен, которые могут быть применены для выполнения множества измерений характеристик катушки с помощью одной катушки во множестве отдельных местоположений относительно целевой области согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 5, 6 изображены примерные изображения распределения удельной проводимости, созданные согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 7 изображена примерная система для визуализации методом магнитоиндукционной томографии с помощью одной катушки согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 8 изображена примерная катушка для визуализации методом магнитоиндукционной томографии согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 9 изображены примерные соединительные дорожки для катушки для визуализации методом магнитоиндукционной томографии согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 10 изображена структурная схема примерной схемы, связанной с катушкой, применяемой для визуализации методом магнитоиндукционной томографии согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 11 изображена блок-схема последовательности этапов выполнения примерного способа согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 12 и 13 изображены результаты эксперимента по измерениям характеристик катушки, полученные с помощью примерной катушки согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 14 и 15 изображены результаты эксперимента по измерениям характеристик катушки, полученные для смоделированного распределения удельной проводимости согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Далее будет сделана ссылка в развернутой форме на варианты осуществления, один или несколько примеров которых показаны на графических материалах. Каждый пример приведен для пояснения вариантов осуществления и не ограничивает настоящее изобретение. В действительности, специалистам в данной области техники ясно, что в варианты осуществления могут быть внесены различные модификации и изменения в пределах объема или сущности настоящего изобретения. Например, признаки, показанные или описанные как часть одного варианта осуществления, могут быть использованы в другом варианте для получения еще одного варианта осуществления. Таким образом, предполагается, что аспекты настоящего изобретения охватывают такие модификации и изменения.
Общие сведения
В целом, примерные аспекты настоящего изобретения относятся к способам оценки состояний здоровья с применением визуализации методом магнитоиндукционной томографии с помощью одной катушки. Существующие технологии медицинской визуализации, такие как технологии визуализации методом КТ-сканирования и МРТ, могут быть дорогими и труднодоступными для определенных представителей населения (например, сельского населения или солдат в боевой обстановке). Технология ультразвуковой визуализации может обеспечивать более дешевую и более доступную (например, портативную) альтернативу технологиям визуализации методом КТ-сканирования и МРТ. Однако применение ультразвуковой технологии может быть ограничено, например, в случае если кость или газы скрывают целевую область, представляющую интерес.
Визуализация методом магнитоиндукционной томографии может обеспечивать низкозатратное решение для медицинской визуализации пациента. Электромагнитные характеристики, такие как удельная проводимость и диэлектрическая проницаемость, варьируют в объеме биомедицинской ткани вследствие наличия естественных контрастных зон, образуемых жиром, костями, мышцами и различными органами. В результате этого, распределение удельной проводимости или диэлектрической проницаемости, полученное при помощи методик визуализации методом магнитоиндукционной томографии, может применяться для визуализации различных участков тела, включая легкие и области живота, ткань головного мозга, позвоночник и другие участки тела, которые может быть или может не быть трудно визуализировать с помощью других методик визуализации, таких как ультразвуковое исследование.
В обычных существующих системах для магнитоиндукционной томографии применяется множество катушек (например, группа генераторных катушек и группа приемных катушек) для создания графиков удельной проводимости. Применение множества катушек повышает сложность систем для магнитоиндукционной томографии, что приводит к увеличению затрат и уменьшению портативности систем. Это может привести к уменьшению доступности систем визуализации методом магнитоиндукционной томографии, например, в сельской местности.
Примерные аспекты настоящего изобретения относится к способам оценки состояний здоровья человека (или другого биологического организма) с применением магнитоиндукционной томографии с помощью одной катушки. Более конкретно, целевая область на пациенте может быть идентифицирована для медицинской визуализации. Целевая область может включать любое подходящее местоположение на пациенте, например, местоположение, которое может быть по меньшей мере частично скрыто костной тканью или по меньшей мере частично скрыто газом. Множество результатов измерения характеристик катушки могут быть получены относительно целевой области с помощью одной катушки во множестве разных отдельных местоположений относительно целевой области.
Множество измерений характеристик катушки могут быть выполнены с помощью одной катушки несколькими путями. Например, в одной реализации пациент может прижимать целевую область (например, грудь) к непроводящей пластине. С помощью одной катушки, расположенной на другой стороне непроводящей пластины, можно получить множество результатов измерения характеристик катушки во множестве отдельных местоположений относительно непроводящей пластины. Согласно другому примеру может потребоваться, чтобы пациент лег на непроводящий стол в положении лежа на спине или лицом вниз, при этом необязательные дополнительные непроводящие опоры предотвращают перемещение целевой области (целевых областей) пациента. Одна катушка может быть расположена в полости в непроводящем столе под пациентом. Одна катушка может быть размещена (например, посредством устройства перемещения) и находиться под управлением для выполнения множества измерений характеристик катушки во множестве отдельных местоположений относительно целевой области. Согласно еще одному примеру множество результатов измерения характеристик катушки могут быть получены медицинским работником с помощью портативного устройства, содержащего одну катушку. Медицинский работник может разместить одну катушку относительно пациента в соответствии со знаками, находящимися на одном или нескольких слоях непроводящих полотен, которыми накрыт пациент.
Трехмерный график электромагнитных характеристик, такой как трехмерный график удельной проводимости или трехмерный график диэлектрической проницаемости, может быть создан из множества результатов измерения характеристик катушки, полученных с помощью одной катушки. Более конкретно, авторы настоящего изобретения нашли модель, которая устанавливает отношение между результатами измерения потерь в катушке, полученными с помощью одной катушки, и распределением электромагнитных характеристик образца. В одной реализации модель представляет собой количественную аналитическую модель, которая описывает действительную часть изменения импеданса (например, омические потери) одной плоской многовитковой катушки, имеющей множество концентрических проводящих витков, происходящего в результате индуцированных вихревых токов после ее возбуждения РЧ-энергией и размещения вблизи объектов произвольной формы с произвольным трехмерным распределением удельной проводимости.
С помощью модели можно создать трехмерный график электромагнитных характеристик целевой области из множества результатов измерения характеристик катушки, полученных с помощью одной катушки. Одно или несколько изображений целевой области могут быть созданы из трехмерного графика электромагнитных характеристик. Например, может быть создано изображение распределения удельной проводимости целевой области. Одно или несколько изображений могут быть выведены на устройстве вывода (например, напечатаны на принтере, представлены на устройстве отображения и т. д.) для изучения медицинским работником. Изображения могут быть проанализированы медицинским работником для оценки различных состояний здоровья пациента, например, идентификации раковых тканей, оценки состояний ожогов, оценки заболевания периферических артерий и оценки других состояний здоровья.
Примерные способы оценки состояния здоровья
На фиг. 1 изображена блок-схема последовательности этапов выполнения способа (100) оценки состояния здоровья с применением методик визуализации методом магнитоиндукционной томографии с помощью одной катушки согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения. На фиг. 1 в целях иллюстрации и пояснения изображены этапы, выполняемые в определенном порядке. Средним специалистам в данной области техники с учетом описания, предоставленного в данном документе, будет понятно, что этапы любого из способов, описанных в данном документе, могут быть модифицированы, исключены, перегруппированы, адаптированы или развернуты различными путями без отхода от объема настоящего изобретения.
На этапе (102) способ включает идентификацию целевой области пациента для медицинской визуализации. Идентификация целевой области может включать получение команд для визуализации конкретной области или зоны пациента. Хотя настоящее изобретение будет описано со ссылкой на визуализацию целевой области человека-пациента для приведенных в качестве примера целей, средним специалистам в данной области техники с учетом описания, предоставленного в данном документе, будет понятно, что аспекты настоящего изобретения могут использоваться в других областях биомедицинской визуализации (например, для визуализации в ветеринарной отрасли).
Целевая область может представлять собой любой подходящий участок пациента, который необходимо визуализировать. В конкретных реализациях целевая область может включать участки пациента, которые сложно визуализировать с применением других методик визуализации, таких как ультразвуковое исследование. Более конкретно, по меньшей мере часть целевой области может быть скрыта костной тканью. Например, целевая область может включать часть ткани головного мозга под черепом пациента или спинного мозга под позвоночником пациента. Согласно другому примеру по меньшей мере часть целевой области может быть занята газом. Например, целевая область может включать одно или несколько из трахеи, легких, желудка, кишечника, поджелудочной железы или других областей живота пациента.
Как показано на фиг. 1, на этапе (104) множество результатов измерения характеристик катушки могут быть получены с помощью одной катушки системы визуализации методом магнитоиндукционной томографии, такой как система 200 на фиг. 7. В данном контексте получение множества результатов измерения характеристик катушки может включать получение доступа к результатам измерения характеристик катушки, хранящихся, например, в запоминающем устройстве, получение результатов измерения характеристик катушки и/или фактически выполнение измерений характеристик катушки с помощью одной катушки. Результаты измерения характеристик катушки могут включать, например, результаты измерения потерь в катушке, указывающие изменение импеданса одной катушки в результате вихревых токов, индуцированных в целевой области, когда одна катушка размещена рядом с целевой областью и возбуждена с помощью радиочастотной энергии. Одна катушка может содержать множество концентрических проводящих витков, расположенных в одной или нескольких плоскостях на печатной плате.
Измерения характеристик катушки могут быть выполнены относительно целевой области с помощью одной катушки во множестве отдельных местоположений относительно целевой области. Данные о положении могут быть соотнесены с каждым результатом измерения характеристик катушки для использования при создании изображения целевой области. Измерения характеристик катушки могут быть выполнены для множества отдельных местоположений относительно целевой области пациента несколькими путями.
Например, на фиг. 2 изображен примерный стол 110 для медицинского осмотра, который может быть применен для выполнения множества измерений характеристик катушки с помощью одной катушки во множестве отдельных местоположений относительно целевой области. Стол 110 для медицинского осмотра может содержать непроводящую верхнюю поверхность 112. Пациенту может быть предложено лечь на верхнюю поверхность 112 в одно из ряда положений, например, положение лицом вниз или положение лежа на спине. Поверхность 112 способствует механической стабилизации поверхности тела пациента, в дополнение к любым другим непроводящим опорным конструкциям, которые могут способствовать иммобилизации и локализации целевой области (целевых областей). Стол 110 для медицинского осмотра может содержать полость 114, расположенную под поверхностью 112. Устройство 120 с катушкой может быть расположено в полости 114. Устройство 120 с катушкой может содержать одну катушку 125, выполненную согласно примерным аспектам настоящего изобретения, например, катушку 300, изображенную на фиг. 8. Как показано на фиг. 2, устройство перемещения (не показанное на фиг. 2) может быть выполнено с возможностью перемещения устройства 120 с катушкой в направлениях, указанных стрелками 116 и 118, для выполнения множества измерений характеристик катушки с помощью одной катушки 125 во множестве отдельных местоположений относительно целевой области пациента.
На фиг. 3 изображена примерная непроводящая пластина 130 для выполнения множества измерений характеристик катушки с помощью одной катушки во множестве отдельных местоположений относительно целевой области. Более конкретно, пациенту может быть предложено прижать по меньшей мере часть целевой области 132 (например, грудь) к одной поверхности непроводящей пластины 130, или поверхность непроводящей пластины 130 может иметь такую форму, чтобы вмещать и обездвиживать целевую область 132 (например, грудь) более удобным образом. Устройство 120 с катушкой может быть расположено на другой стороне непроводящей поверхности 130. Устройство 120 с катушкой может содержать одну катушку 125, выполненную согласно примерным аспектам настоящего изобретения, например, катушку 300, изображенную на фиг. 8. Как показано на фиг. 2, устройство перемещения (не показанное на фиг. 2) может быть выполнено с возможностью перемещения устройства 120 с катушкой в направлениях, указанных стрелками 134 и 136, для выполнения множества измерений характеристик катушки с помощью одной катушки 125 во множестве отдельных местоположений относительно целевой области пациента.
Согласно другим примерным аспектам настоящего изобретения множество измерений характеристик катушки могут быть вручную выполнены медицинским работником с помощью портативного устройства с катушкой, имеющего одну катушку, выполненную согласно примерным аспектам настоящего изобретения. Необходимо получить точные данные о положении для измерений характеристик катушки, вручную выполняемых медицинским работником. Примерные методики для получения точных данных о положении будут более подробно описаны далее со ссылкой на примерную систему 200 визуализации методом магнитоиндукционной томографии по фиг. 7.
Одна примерная методика для обеспечения точной информации о положении для каждого результата измерения характеристик катушки включает выполнение измерений характеристик катушки во множестве заданных местоположений относительно целевой области. На фиг. 4 изображена одна примерная методика для выполнения множества измерений характеристик катушки с помощью портативного устройства с катушкой согласно примерным аспектам настоящего изобретения.
Более конкретно, целевая область пациента может быть накрыта одним или несколькими непроводящими полотнами, имеющими известную толщину. Например, первое непроводящее полотно 150 может быть размещено поверх целевой области. Как показано, первое непроводящее полотно 150 содержит множество знаков (например, «1», «2», «3», «4», «5», «6» и т. д.), указывающих медицинскому работнику место выполнения каждого измерения характеристик катушки. Информация о положении для каждого измерения может быть определена из местоположения знаков и глубины или толщины непроводящего полотна 150.
После выполнения медицинским работником измерений характеристик катушки, указанных знаками на непроводящем полотне 150, одно или несколько вторых непроводящих полотен могут быть размещены поверх первого непроводящего полотна 150. Например, второе непроводящее полотно 152 и второе непроводящее полотно 154 могут быть размещены поверх первого непроводящего полотна 150. Как показано, второе непроводящее полотно 152 и второе непроводящее полотно 154 могут содержать множество знаков (например, «7», «8», «9», «10»), указывающих медицинскому работнику место выполнения измерений характеристик катушки.
После выполнения медицинским работником измерений характеристик катушки, указанных знаками на вторых непроводящих полотнах 152 и 154, одно или несколько третьих непроводящих полотен могут быть размещены поверх вторых непроводящих полотен 152 и 154. Например, третье непроводящее полотно 156 может быть размещено поверх вторых непроводящих полотен 152 и 154. Как показано, третье непроводящее полотно 156 может содержать множество знаков (например, «11» «12»), указывающих медицинскому работнику место выполнения измерений характеристик катушки. Данный процесс можно повторять для такого количества измерений характеристик катушки, сколько необходимо для выполнения множества измерений характеристик катушки с помощью одной катушки во множестве отдельных местоположений относительно целевой области.
Вышеуказанный пример описан со ссылкой на множество непроводящих полотен в целях иллюстрации и пояснения. Средним специалистам в данной области техники с учетом описания, предоставленного в данном документе, будет понятно, что вышеуказанная методика может быть реализована с применением одного или нескольких непроводящих полотен. Например, знаки «1» – «12» на фиг. 4 могут быть расположены на одном непроводящем полотне.
Как показано на фиг. 1, на этапе (106) способ (100) включает обработку результатов измерения характеристик катушки для создания изображения целевой области. Например, может быть получен доступ к модели, определяющей отношение между результатами измерения характеристик катушки, полученными с помощью одной катушки, и распределением удельной проводимости целевой области. Трехмерный график удельной проводимости целевой области может быть создан с помощью модели по меньшей мере частично на основании множества результатов измерения характеристик катушки. Одно или несколько изображений распределения удельной проводимости целевой области могут быть созданы из трехмерного графика удельной проводимости. Один примерный способ обработки множества результатов измерения характеристик катушки для создания изображения распределения удельной проводимости целевой области будет более подробно описан далее со ссылкой на фиг. 11.
Как показано на фиг. 1, на этапе (108) способ включает вывод изображения целевой области для оценки состояния здоровья. Например, изображение может быть напечатано с помощью печатающего устройства на подходящем материальном носителе для изучения и анализа медицинским работником. Согласно другому примеру, изображение может быть представлено на устройстве отображения для изучения и анализа медицинским работником.
На фиг. 5 изображено одно примерное изображение 180 распределения удельной проводимости целевой области, которое может быть создано из множества результатов измерения характеристик катушки с помощью одной катушки согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения. Изображение 180 представляет вид в поперечном сечении позвоночника пациента, пересекающий и показывающий позвоночный канал. На изображении 180 отображено распределение удельной проводимости по осям x, y и z с такими единицами измерения, как сантиметры. Изображение 180 содержит шкалу 182, указывающую тона по шкале серого, соответствующие варьирующим степеням удельной проводимости в таких единицах измерения, как См/м. Как показано, изображение 180 отображает отличающиеся значения удельной проводимости участков ткани человека в области позвоночника.
На фиг. 6 показано другое примерное изображение 190, которое может быть создано из множества результатов измерения характеристик катушки с помощью одной катушки согласно примерным вариантам осуществления настоящего изобретения. Изображение 190 представляет сагиттальный вид области позвоночника пациента, выполненный со смещением и параллельно позвоночнику и демонстрирующий ребра или поперечные отростки позвонков. На изображении 180 отображено распределение удельной проводимости по осям x, y и z с такими единицами измерения, как сантиметры. Изображение 190 содержит шкалу 192, указывающую тона по шкале серого, соответствующие варьирующим степеням удельной проводимости целевой области в таких единицах измерения, как См/м. Как показано, изображение 190 удельной проводимости отображает отличающиеся значения удельной проводимости участков ткани человека в области позвоночника и может предоставлять изображение области позвоночника пациента. Разрез пересекает и показывает структуру, связанную с соединением ребер с поперечными отростками позвонков. Изображения 180 и 190, вместе с другими изображениями, могут предоставлять различные изображения области позвоночника пациента для оценки состояния здоровья и других целей.
Одна примерная область применения для оценки состояния здоровья с применением методик визуализации методом магнитоиндукционной томографии с помощью одной катушки может включать использование изображений, созданных согласно примерным аспектам настоящего изобретения, для идентификации раковой ткани в целевой области. Более конкретно, может быть известно, что раковая ткань характеризуется повышенной электрической удельной проводимостью вследствие ангиогенеза. Изображение распределения удельной проводимости целевой области может быть особенно полезным при идентификации раковой ткани во внутренних органах, таких как поджелудочная железа. Идентификация рака в ткани молочной железы может быть особенно подходящей областью применения магнитоиндукционной томографии с помощью одной катушки, поскольку жировая ткань в молочной железе может характеризоваться очень низкой удельной проводимостью. Раковая ткань молочной железы может характеризоваться значительно более высокой удельной проводимостью, чем жировая ткань, и можно ожидать, что она будет выделяться на изображении распределения удельной проводимости ткани.
Другая примерная область применения для оценки состояния здоровья с применением методик визуализации методом магнитоиндукционной томографии с помощью одной катушки может включать использование изображений, созданных согласно примерным аспектам настоящего изобретения, для оценки состояния ожога пациента. Ожоги классифицируются как ожоги первой степени, второй степени, третьей степени и четвертой степени в зависимости от уровня тяжести ожога. При ожогах первой степени, как правило, повреждению подвергается только наружный слой кожи, при этом при более тяжелых ожогах третьей степени возможно фактически полное сжигание кожи. При ожогах четвертой степени возможна гибель ткани до кости. Для всех видов ожогов характерно некоторое изменение физических свойств кожи и нижерасположенных тканей. Например, могут наблюдаться разрушенные жировые слои, скопление жидкости, поток химически измененной крови и т. д. Ожоги также могут иметь различные характеристики в зависимости от механизма повреждения (температуры, длительности, расположения и т. д.). В качестве одного примера, солнечный ожог может быть обширным, но не очень глубоким, при этом электрический ожог может присутствовать большей частью под кожей.
Изображения целевой области, созданные согласно примерным аспектам настоящего изобретения, могут использоваться на ранней стадии лечения ожогов, возможно во время транспортировки, для идентификации степени тяжести, типа и глубины ожога обеспечения надлежащего лечения. Более конкретно, изображения могут быть проанализированы для идентификации изменений физических свойств кожи путем идентификации углублений при глубоких ожогах или путем идентификации разрывов при невидимых повреждениях под кожей. Скопление жидкости, кровопотеря, обугленная ткань, отсутствие ткани и т.д. также могут быть идентифицированы из изображений распределения удельной проводимости целевой области.
Другая примерная область применения для оценки состояния здоровья с применением методик визуализации методом магнитоиндукционной томографии с помощью одной катушки может включать использование изображений, созданных согласно примерным аспектам настоящего изобретения, для оценки наличия заболевания периферических артерий. Вследствие изоляционных свойств небольших кровеносных сосудов наблюдается снижение удельной проводимости ткани при расширении кровеносных сосудов и ее повышение при сужении кровеносных сосудов. Согласно аспектам настоящего изобретения изображения распределения удельной проводимости целевой области могут быть созданы в сочетании с преднамеренно спровоцированным расширением или сужением кровеносных сосудов в целевой области. Изображения могут быть проанализированы для выявления упругости сосудов. Например, для здорового субъекта с нормальным кровяным давлением может быть характерно повышение удельной проводимости приблизительно на 0,5 См/м после поднятия руки или ноги на короткий период времени. Отсутствие указанного повышения у субъекта может быть признаком жесткости кровеносных сосудов.
Вышеуказанные примерные области применения визуализации методом магнитоиндукционной томографии с помощью одной катушки представлены в целях иллюстрации и пояснения. Средним специалистам в данной области техники с учетом описания, предоставленного в данном документе, будет понятно, что визуализация методом магнитоиндукционной томографии с помощью одной катушки согласно примерным аспектам настоящего изобретения может быть использована для оценки ряда состояний здоровья пациента без отхода от объема настоящего изобретения.
Примерные системы для визуализации методом магнитоиндукционной томографии
На фиг. 7 изображена примерная система 200 для визуализации методом магнитоиндукционной томографии образца 210, такого как образец ткани человека. Система 200 содержит устройство 220 с катушкой, имеющее одну катушку 225, для получения результатов измерения характеристик катушки для визуализации методом магнитоиндукционной томографии согласно примерным аспектам настоящего изобретения. Катушка 225 может представлять собой одну катушку, имеющую множество концентрических проводящих витков, расположенных в одной или нескольких плоскостях на печатной плате. Одна примерная конструкция катушки для визуализации методом магнитоиндукционной томографии согласно примерным аспектам настоящего изобретения будет описана более подробно ниже со ссылкой на фиг. 8 и 9.
Устройство 220 с катушкой по фиг. 7 может содержать источник РЧ-энергии (например, колебательный контур), выполненный с возможностью возбуждения катушки 225 РЧ-энергией на заданной частоте (например, 12,5 МГц) после размещения катушки 225 рядом с образцом 210. Возбужденная катушка 225 может генерировать магнитные поля, которые могут индуцировать вихревые токи в образце 210. Указанные индуцированные вихревые токи в образце могут приводить к возникновению потерь в катушке 225 (например, изменению импеданса). Устройство 220 с катушкой может содержать схему (например, схему измерения) для определения потерь в катушке, соответствующих катушке 225, во время измерения характеристик катушки в конкретном местоположении относительно образца 210.
Результаты измерения характеристик катушки могут быть получены с помощью одной катушки 225 устройства 220 с катушкой, при этом устройство 220 с катушкой располагают в ряде различных местоположений и ориентаций относительно образца 210. Собранные результаты измерения характеристик катушки могут быть переданы на вычислительную систему 240, в которой результаты измерения характеристик катушки могут быть проанализированы для создания трехмерного графика электромагнитных характеристик образца 210, например, трехмерного графика удельной проводимости или трехмерного графика диэлектрической проницаемости образца 210.
В некоторых конкретных реализациях устройство 220 с катушкой может быть прикреплено к устройству 230 перемещения. Устройство 230 перемещения может представлять собой роботизированное устройство, которое под управлением, например, вычислительной системы 240 или другого подходящего устройства управления, перемещает устройство 220 с катушкой по осям x, y и z относительно образца 210 с целью размещения катушки 225 во множестве различных отдельных местоположений относительно образца 210. Устройство 220 с катушкой может находиться под управлением (например, вычислительной системы 240) для получения результатов измерения характеристик катушки с помощью катушки 225 в каждом из множества отдельных местоположений.
Альтернативно устройство 220 с катушкой может быть размещено вручную во множестве отдельных местоположений для осуществления измерения характеристик катушки. Например, медицинский работник может вручную разместить портативное устройство 220 с катушкой относительно образца 210 для получения результатов измерения характеристик катушки во множестве отдельных местоположений относительно образца 210.
Для создания точного трехмерного графика электромагнитных характеристик образца 210 данные о положении должны быть соотнесены с каждым из полученных результатов измерения характеристик катушки. Данные о положении могут указывать положение (например, определенное по оси x, оси y и оси z относительно образца 210) катушки 225, а также ориентацию катушки 225 (например, угол наклона относительно образца 210). При использовании устройства 230 перемещения для размещения катушки 225 положение и ориентация катушки 225 могут быть определены по меньшей мере частично на основании управляющих команд позиционирования, предназначенных для управления размещением устройства 230 перемещения во множестве отдельных местоположений.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения изображения, захваченные камерой 235, расположенной над образцом 210 и устройством 220 с катушкой, могут быть обработаны в сочетании с сигналами от различных датчиков, связанных с устройством 220 с катушкой, для определения данных о положении для каждого результата измерения характеристик катушки. Более конкретно, устройство 220 с катушкой может содержать один или несколько датчиков 226 движения (например, трехосный акселерометр, гироскоп и/или другие датчики движения) и датчик 228 глубины. Ориентация одной катушки 225 относительно поверхности может быть определена с помощью сигналов от датчиков 226 движения. Например, сигналы от трехосного акселерометра могут быть использованы для определения ориентации одной катушки 225 во время измерения характеристик катушки.
Может быть использован датчик 228 глубины для определения расстояния от одной катушки до образца 210 (например, положение по оси z). Датчик 228 глубины может содержать одно или несколько устройств, выполненных с возможностью определения местоположения катушки 225 относительно поверхности. Например, датчик 228 глубины может содержать один или несколько лазерных датчиков и/или акустических датчиков расположения. В другой реализации датчик 228 глубины может содержать одну или несколько камер, выполненных с возможностью захвата изображений образца 210. Изображения могут быть обработаны для определения глубины до образца 210, например, с помощью технологий «структура из движения».
Изображения, захваченные камерой 235, могут быть использованы для определения положения катушки 225 по оси x и оси y. Более конкретно, устройство 220 с катушкой также может содержать графический символ, расположенный на поверхности устройства 220 с катушкой. После осуществления множества измерений характеристик катушки устройство 235 захвата изображений может захватывать изображения графического символа. Изображения могут быть переданы на вычислительную систему 240, которая может обрабатывать изображения на основании местоположения графического символа для определения положения по оси x и оси y относительно образца 210. В конкретных реализациях камера 235 может содержать телецентрическую линзу для уменьшения ошибки параллакса.
Вычислительная система 240 может принимать результаты измерения характеристик катушки, вместе с данными о местоположении и ориентации катушки, и может обрабатывать данные для создания трехмерного графика электромагнитных характеристик образца 210. Вычислительная система 240 может содержать одно или несколько вычислительных устройств, например, одно или несколько из настольного компьютера, портативного компьютера, сервера, мобильного устройства, дисплея с одним или несколькими процессорами, или другое подходящее вычислительное устройство, имеющее один или несколько процессоров и одно или несколько запоминающих устройств. Вычислительная система 240 может быть реализована с помощью одного или нескольких сетевых компьютеров (например, в кластере или другой распределенной вычислительной системе). Например, вычислительная система 240 может быть связана с одним или несколькими удаленными устройствами 260 (например, с помощью проводного или беспроводного соединения или сети).
Вычислительная система 240 содержит один или несколько процессоров 242 и одно или несколько запоминающих устройств 244. Один или несколько процессоров 242 могут включать любое подходящее устройство обработки, такое как микропроцессор, микроконтроллер, интегральная схема или другое подходящее устройство обработки. Запоминающие устройства 244 могут содержать одну или несколько частей из одного или нескольких видов материальных постоянных машиночитаемых носителей, включая без ограничения RAM, ROM, жесткие диски, флеш-диски, оптические носители, магнитные носители или другие запоминающие устройства. Вычислительная система 240 также может содержать одно или несколько устройств 262 ввода (например, клавиатуру, мышь, сенсорный экран, сенсорную панель, микрофон и т.д.) и одно или несколько устройств 264 вывода (например, дисплей, громкоговорители и т.д.).
Запоминающие устройства 244 могут хранить команды 246, которые при их исполнении одним или несколькими процессорами 242 вызывают выполнение операций одним или несколькими процессорами 242. Вычислительное устройство 240 может быть приспособлено для работы в качестве специализированной машины, обеспечивающей необходимые функциональные возможности путем получения доступа к командам 246. Команды 246 могут быть реализованы в аппаратном обеспечении или программном обеспечении. При использовании программного обеспечения может быть использован любой подходящий язык программирования, язык сценариев или другой тип языка или комбинации языков для реализации идей, описанных в данном документе.
Как показано, запоминающие устройства 244 могут хранить команды 246, которые при их исполнении одним или несколькими процессорами 242 вызывают реализацию одним или несколькими процессорами 242 модуля 248 магнитоиндукционной томографии («MIT»). Модуль 248 MIT может быть выполнен с возможностью реализации одного или нескольких способов визуализации методом магнитоиндукционной томографии, описанных в данном документе, с помощью одной катушки, например, способа, показанного на фиг. 11.
Одно или несколько запоминающих устройств 244 по фиг. 7 также могут хранить данные, такие как результаты измерения характеристик катушки, данные о положении, трехмерные графики электромагнитных характеристик и другие данные. Как показано, одно или несколько запоминающих устройств 244 могут хранить данные, связанные с аналитической моделью 250. Аналитическая модель 250 может определять отношение между результатами измерения характеристик катушки, полученными с помощью одной катушки, и распределением электромагнитных характеристик образца 210. Особенности примерной аналитической модели будут описаны ниже более подробно.
Модуль 248 MIT может быть выполнен с возможностью приема входных данных из устройства 262 ввода, из устройства 220 с катушкой, из устройства 230 перемещения, из данных, хранящихся в одном или нескольких запоминающих устройствах 244, или других источников. Затем модуль 248 MIT может анализировать такие данные в соответствии с описанными способами и предоставлять пользователю пригодные к использованию выходные данные, такие как трехмерные графики электромагнитных характеристик, посредством устройства 264 вывода. Альтернативно анализ может быть реализован посредством одного или нескольких удаленных устройств 260.
Технология, описанная в данном документе, относится к вычислительным системам, серверам, базам данных, программным приложениям и другим системам на основе компьютеров, а также предпринимаемым действиям и информации, отправленной на указанные системы и от них. Среднему специалисту в данной области техники с учетом описания, предоставленного в данном документе, будет понятно, что гибкость, свойственная системам на основе компьютеров, предусматривает значительное разнообразие возможных конфигураций, комбинаций, решений задач и функциональных возможностей среди компонентов. Например, процессы, описанные в данном документе, могут быть реализованы с помощью одного вычислительного устройства или нескольких вычислительных устройств, работающих совместно. Базы данных и приложения могут быть реализованы в одной системе или распределены среди нескольких систем. Распределенные компоненты могут работать последовательно или параллельно.
Примерная количественная аналитическая модель для одной катушки
Далее будет описана примерная количественная аналитическая модель для получения трехмерного графика удельной проводимости из множества результатов измерения характеристик катушки, полученных с помощью одной катушки. Количественная модель разработана для произвольного распределения удельной проводимости, но при этом диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость рассматриваются как пространственно однородные. Количественная аналитическая модель была разработана для геометрии катушки, содержащей множество концентрических круглых витков, все из которых лежат в общей плоскости и соединены последовательно, причем считается, что переходный ток имеет одинаковые значения во всех точках на витках. Допускается произвольное изменение в пространстве распределения удельной проводимости, при этом раствор для электрического поля ограничен небольшой удельной проводимостью (<10 См/м). Предполагается сохранение условий с отсутствием заряда, в результате чего считается, что электрическое поле имеет нулевую дивергенцию. При этих условиях поля возникают только в результате действия внешних и вихревых токов.
Количественная аналитическая модель может устанавливать взаимоотношение между изменением действительной части импеданса (например, омическими потерями) катушки и различными параметрами, включая распределение удельной проводимости образца, положение и ориентацию одной катушки относительно образца, геометрию катушки (например, радиус каждого из множества концентрических проводящих витков) и другие параметры. Одна примерная модель приведена ниже:
-Zre – результат измерения характеристик катушки (например, действительная часть потерь импеданса катушки). µ – магнитная проницаемость в свободном пространстве. ω – частота возбуждения катушки. ρk и ρj – радиусы каждого проводящего витка j и k для каждой пары взаимодействующих витков j,k. Функция Q1/2 известна как кольцевая функция или тороидальная гармоническая функция, имеющая аргумент ηj и ηk, как показано далее:
Со ссылкой на систему координат, расположенную в центре концентрических витков, так что все витки лежат в пределах плоскости XY, ρ обозначает радиальное расстояние от оси катушки до точки в образце, при этом z обозначает расстояние от плоскости катушки до той же точки в образце.
Модель вводит электрическую удельную проводимость 
как функцию от положения. Интегралы могут быть вычислены с помощью сетки конечных элементов (например, с четырехгранными элементами) с целью создания распределения удельной проводимости для множества результатов измерения характеристик катушки, как будет более подробно описано ниже.
Примерное устройство с катушкой для визуализации методом магнитоиндукционной томографии
Как описано выше, авторы изобретения разработали количественную аналитическую модель, которая определяет отношение между множеством результатов измерения характеристик катушки, полученных с помощью одной катушки, имеющей множество концентрических проводящих витков, соединенных последовательно, и распределением удельной проводимости образца. Далее будет описана примерная конструкция катушки, которая приблизительно соответствует катушке, предусматриваемой примерной количественной моделью.
Катушка согласно примерным аспектам настоящего изобретения может содержать множество концентрических проводящих витков, расположенных в двух плоскостях на многослойной печатной плате. Множество концентрических проводящих витков может включать множество первых концентрических проводящих витков, расположенных в первой плоскости, и множество вторых концентрических проводящих витков, расположенных во второй плоскости. Вторая плоскость может быть отделена от первой плоскости расстоянием между плоскостями. Расстояние между плоскостями может быть выбрано таким образом, что катушка приблизительно соответствует катушке, находящейся в одной плоскости, предусматриваемой в примерной количественной аналитической модели для визуализации методом магнитоиндукционной томографии, описанной в данном документе.
Кроме того, множество проводящих витков могут быть соединены последовательно с помощью множества соединительных дорожек. Множество соединительных дорожек могут быть расположены таким образом, что может быть уменьшено их влияние на поля, генерируемые соединительными дорожками. Таким образом, катушка согласно примерным аспектам настоящего изобретения может иметь характеристики, которые приблизительно соответствуют множеству круглых витков, расположенных концентрично относительно друг друга и в одной плоскости.
На фиг. 8 изображена примерная катушка 300, применяемая для визуализации методом магнитоиндукционной томографии согласно примерным аспектам настоящего изобретения. Как показано, катушка 300 содержит десять концентрических проводящих витков. Более конкретно, катушка 300 содержит пять первых концентрических проводящих витков 310, расположенных в первой плоскости, и пять вторых концентрических проводящих витков 320, расположенных во второй плоскости. Первые и вторые концентрические проводящие витки 310 и 320 могут представлять собой медные дорожки размером 1 мм или 0,5 мм на многослойной печатной плате. В одном примере реализации радиусы пяти концентрических проводящих витков в каждой плоскости равны приблизительно 4 мм, 8 мм, 12 мм, 16 мм и 20 мм соответственно. Другие подходящие размеры и промежуток могут быть выбраны без отхода от объема настоящего изобретения.
Как показано, каждый из множества первых концентрических проводящих витков 310 расположен таким образом, что он перекрывает один из множества вторых концентрических проводящих витков 320. Кроме того, первые концентрические проводящие витки 310 и вторые концентрические проводящие витки 320 могут быть разделены расстоянием 315 между плоскостями. Расстояние 315 между плоскостями может быть выбрано таким образом, что катушка 300 приблизительно соответствует одной плоскости концентрических витков, как предусматривается количественной аналитической моделью. Например, расстояние между плоскостями может находиться в диапазоне от приблизительно 0,2 мм до приблизительно 0,7 мм, например, приблизительно 0,5 мм.
Множество первых проводящих витков 310 может содержать первый наиболее близкий к центру проводящий виток 314. Первый наиболее близкий к центру проводящий виток 314 может быть соединен с источником РЧ-энергии. Множество вторых проводящих витков 320 может содержать второй наиболее близкий к центру проводящий виток 324. Второй наиболее близкий к центру проводящий виток 324 может быть соединен с опорным узлом (например, узлом заземления или общим узлом).
Катушка 300 также содержит множество соединительных дорожек 330, применяемых для последовательного соединения первых концентрических проводящих витков 310 и вторых концентрических проводящих витков 320. Более конкретно, соединительные дорожки 330 последовательно соединяют множество первых концентрических проводящих витков 310 друг с другом и могут последовательно соединять множество вторых концентрических проводящих витков 320 друг с другом. Соединительные дорожки 330 также могут содержать соединительную дорожку 235, которая последовательно соединяет самый крайний первый концентрический проводящий виток 312 с самым крайним вторым концентрическим проводящим витком 314.
Как более подробно показано на фиг. 9, соединительные дорожки 330 могут быть расположены таким образом, что поля, излучаемые соединительным дорожками, противодействуют друг другу. Более конкретно, соединительные дорожки 330 могут быть выровнены в радиальном направлении таким образом, что направление протекания тока одной из множества соединительных дорожек, расположенных в первой плоскости, противоположно направлению протекания тока одной из множества соединительных дорожек, расположенных во второй плоскости. Например, как показано на фиг. 9, соединительная дорожка 332, расположенная в первой плоскости, может быть практически выровнена в радиальном направлении с соединительной дорожкой 334, расположенной во второй плоскости. Направление тока, протекающего в соединительной дорожке 332, может быть противоположным направлению тока, протекающего в соединительной дорожке 234, вследствие чего поля, генерируемые соединительными дорожками 332 и 334, противодействуют или нейтрализуют друг друга.
Как дополнительно изображено на фиг. 9, каждый из множества первых проводящих витков 210 и вторых проводящих витков 320 может содержать зазор 340, способствующий соединению проводящих витков с помощью соединительных дорожек 330. Каждый зазор может находиться в диапазоне от приблизительно 0,2 мм до приблизительно 0,7 мм, например, приблизительно 0,5 мм.
Зазоры 340 могут быть смещены друг относительно друга, способствуя соединению множества концентрических проводящих витков 310 и 320 последовательно. Например, зазор, соответствующий одному из множества первых концентрических проводящих витков 310, может быть смещен относительно зазора, соответствующего другому из множества первых концентрических проводящих витков 310. Аналогично, зазор, соответствующий одному из множества вторых концентрических проводящих витков 320, может быть смещен относительно зазора, соответствующего другому из множества вторых концентрических проводящих витков 320. Зазор, соответствующий одному из первых концентрических проводящих витков 310, может быть смещен относительно зазора, соответствующего одному из множества вторых концентрических проводящих витков 320. Смещенные зазоры могут не располагаться на одной и той же оси, соответствующей катушке 300.
Как показано в описанных далее результатах эксперимента, катушка 300 по фиг. 8 и 9 может обеспечивать хорошее приближение катушки, предусматриваемой количественной аналитической моделью для визуализации методом магнитоиндукционной томографии. Таким образом, результаты измерения характеристик катушки с помощью катушки 300 могут быть использованы для создания трехмерных графиков электромагнитных характеристик образцов, представляющих интерес (например, образцов ткани человека).
Примерная схема для получения результатов измерения характеристик катушки
На фиг. 10 изображена примерная схема 400, которая может применяться для получения результатов измерения характеристик катушки с помощью катушки 300 по фиг. 8 и 9. Как показано, схема 400 по фиг. 10 содержит источник 410 РЧ-энергии (например, колебательный контур), выполненный с возможностью возбуждения катушки 300 РЧ-энергией. Источник 410 РЧ-энергии может представлять собой кварцевый генератор с фиксированной частотой, выполненный с возможностью подачи РЧ-энергии на фиксированной частоте на катушку 300. Фиксированная частота может составлять, например, приблизительно 12,5 МГц. В одном примерном варианте осуществления источник 410 РЧ-энергии может быть соединен с наиболее близким к центру концентрическим проводящим витком из множества первых концентрических проводящих витков катушки 300. Наиболее близкий к центру концентрический проводящий виток из множества вторых концентрических проводящих витков катушки 300 может быть соединен с опорным узлом (например, общим узлом или узлом заземления).
Схема 400 может содержать один или несколько процессоров 420 для управления различными функциями схемы 400, а также для обработки информации, полученной схемой 400 (например, информации, полученной схемой 430 измерения). Один или несколько процессоров 420 могут включать любое подходящее устройство обработки, такое как цифровой сигнальный процессор, микропроцессор, микроконтроллер, интегральная схема или другое подходящее устройство обработки.
Один или несколько процессоров 420 могут быть выполнены с возможностью управления различными компонентами схемы 400 с целью сбора результатов измерения потерь в катушке с помощью катушки 300. Например, один или несколько процессоров 420 могут управлять варактором 415, соединенным параллельно с катушкой 300, для введения катушки 300 в резонанс или почти резонанс после размещения катушки 300 рядом с образцом для измерения характеристик катушки. Один или несколько процессоров 420 также могут управлять схемой 430 измерения для получения результатов измерения характеристик катушки после размещения катушки 300 рядом с образцом.
Схема 430 измерения может быть выполнена с возможностью получения результатов измерения характеристик катушки с помощью катушки 300. Результаты измерения характеристик катушки могут указывать потери в катушке 300, возникающие в результате действия вихревых токов, индуцированных в образце. В одной реализации схема 430 измерения может быть выполнена с возможностью измерения действительной части изменений полной проводимости катушки 300. Действительная часть изменений полной проводимости катушки 300 может быть преобразована в действительную часть изменений импеданса катушки 300 как значение, обратное полной проводимости, в целях аналитической модели.
Полная проводимость катушки 300 может быть измерена несколькими путями. В одном варианте осуществления схема 430 измерения измеряет полную проводимость с помощью схемы 432 измерения фазового сдвига и схемы 434 измерения усиления напряжения. Например, схема 430 измерения может содержать измеритель фазы и усиления AD8302, доступный от Analog Devices. Схема 432 измерения фазового сдвига может измерять фазовый сдвиг между током и напряжением, связанный с катушкой 300. Схема 434 измерения усиления напряжения может измерять отношение напряжения на катушке 300 к напряжению измерительного резистора, последовательно соединенного с катушкой 300. Полная проводимость катушки 300 может быть определена (например, с помощью одного или нескольких процессоров 420) на основании фазы и усиления катушки 300, полученных с помощью схемы 430 измерения.
После получения результатов измерения характеристик катушки один или несколько процессоров 420 могут сохранять результаты измерения характеристик катушки, например, в запоминающее устройство. Один или несколько процессоров 420 также могут передавать результаты измерения характеристик катушки одному или нескольким удаленным устройствам с целью обработки для создания трехмерного графика электромагнитных характеристик образца с помощью устройства 440 связи. Устройство 440 связи может содержать любой подходящий интерфейс или устройство для передачи информации на удаленное устройство посредством проводных или беспроводных соединений и/или сетей.
Примерные способы визуализации методом магнитоиндукционной томографии
На фиг. 11 изображена блок-схема последовательности этапов выполнения примерного способа (500) визуализации методом магнитоиндукционной томографии согласно примерным аспектам настоящего изобретения. Способ (500) может быть реализован с помощью одного или нескольких вычислительных устройств, например, одного или нескольких вычислительных устройств вычислительной системы 240, изображенной на фиг. 7. Кроме того, на фиг. 11 в целях иллюстрации и пояснения изображены этапы, выполняемые в определенном порядке. Средним специалистам в данной области техники с учетом описания, предоставленного в данном документе, будет понятно, что этапы любого из способов, описанных в данном документе, могут быть модифицированы, исключены, перегруппированы, адаптированы или развернуты различными путями без отхода от объема настоящего изобретения.
На этапе (502) способ может включать получение доступа ко множеству результатов измерений характеристик катушки, выполненных с помощью одной катушки во множестве различных отдельных местоположений относительно образца. Например, множество результатов измерения характеристик катушки могут быть доступны из запоминающего устройства или могут быть приняты из устройства с катушкой, имеющего одну катушку, выполненного с возможностью получения результатов измерения характеристик катушки. Результаты измерения характеристик катушки могут представлять собой результаты измерения потерь в катушке, полученные с помощью одной катушки после возбуждения одной катушки РЧ-энергией и ее размещения рядом с образцом в одном из множества отдельных местоположений.
В одной реализации одна катушка может содержать множество концентрических проводящих витков. Например, одна катушка может иметь множество первых концентрических проводящих витков, размещенных в первой плоскости, и множество вторых концентрических проводящих витков, размещенных во второй плоскости. Множество концентрических проводящих витков могут быть соединены с помощью соединительных дорожек, размещенных таким образом, чтобы оказывать меньшее влияние на поле, созданное катушкой. Например, одна катушка может иметь геометрию катушки 300, изображенную на фиг. 8 и 9.
Измерения характеристик катушки могут быть выполнены во множестве отдельных положений относительно образца. Каждый результат измерения характеристик катушки может быть взят в отличном отдельном положении относительно образца. Большее количество результатов измерения характеристик катушки может привести к повышенной точности при создании трехмерного графика электромагнитных характеристик из результатов измерения характеристик катушки.
В одном конкретном варианте осуществления результаты измерения характеристик катушки могут включать множество различных наборов данных результатов измерения характеристик катушки. Каждый из наборов данных может быть создан путем проведения множества измерений характеристик катушки с помощью одной катушки. Одна катушка может быть разной для каждого набора данных. Например, каждый набор данных может быть связан с одной катушкой, имеющей отличный общий размер и/или внешний диаметр относительно любой из других одних катушек, связанных с другими наборами данных. Наборы данных могут быть получены в различные моменты времени. Наборы данных могут быть совместно обработаны согласно примерным аспектам настоящего изобретения для создания трехмерного графика распределения электрических характеристик образца, как описано ниже.
На этапе (504) по фиг. 11 способ включает соотнесение данных о положении с каждым из множества результатов измерения характеристик катушки. Данные о положении для каждого результата измерения характеристик катушки могут указывать положение и ориентацию одной катушки относительно образца после осуществления измерения характеристик катушки. Данные о положении могут быть соотнесены с каждым результатом измерения характеристик катушки, например, в запоминающем устройстве вычислительной системы.
Данные о положении могут быть получены несколькими путями. В одной реализации данные о положении могут быть получены для каждого результата измерения из данных, связанных с устройством перемещения, применяемым для размещения одной катушки относительно образца во множестве отдельных местоположений относительно образца. Например, может осуществляться управление устройством перемещения для размещения одной катушки во множестве определенных местоположений относительно образца. Данные о положении могут быть определены из этих местоположений.
Сигналы от одного или нескольких датчиков (например, одного или нескольких датчиков движения и одного или нескольких датчиков глубины), связанных с одной катушкой, также могут применяться для определения данных о положении для измерения характеристик катушки. Также могут быть захвачены изображения устройства с катушкой, содержащего одну катушку, при осуществлении множества измерений характеристик катушки. Положение одной катушки может быть определено, например, на основании положения графического символа на поверхности устройства с катушкой, показанного на изображениях.
На этапе (506) способ включает получение доступа к аналитической модели, определяющей отношение между результатами измерения характеристик катушки, полученными с помощью одной катушки, и электромагнитной характеристикой образца. Например, аналитическая модель может быть доступна, например, из запоминающего устройства. В одной конкретной реализации аналитическая модель устанавливает взаимоотношение между изменением импеданса одной катушки, имеющей множество концентрических проводящих витков, и распределением удельной проводимости образца. Более конкретно, аналитическая модель может устанавливать взаимоотношение между изменением импеданса одной катушки и рядом параметров. Параметры могут включать распределение удельной проводимости образца, положение и ориентацию, связанные с каждым результатом измерения потерь в катушке, и геометрию катушки (например, радиус каждого из концентрических проводящих витков).
На этапе (508) способ включает оценивание аналитической модели на основании множества результатов измерения характеристик катушки и соответствующих данных о положении. Более конкретно, может быть выполнена инверсия с помощью модели для определения распределения удельной проводимости, которое наиболее точно приводит к множеству полученных результатов измерения характеристик катушки. В одном примерном аспекте инверсия может быть выполнена путем дискретизации образца в сетку конечных элементов. Сетка конечных элементов может содержать множество многогранных элементов, таких как четырехгранные элементы. Форма и разрешение сетки конечных элементов могут быть адаптированы под анализируемый образец. Для практических целей данные о местоположении катушки могут быть использованы для того, чтобы предотвратить построение сетки конечных элементов тех участков пространства, в которых находилась катушка, тем самым улучшая эффективность. После создания сетки конечных элементов для образца распределение удельной проводимости для сетки конечных элементов может быть рассчитано с помощью нелинейного метода наименьших квадратов или метода наименьших квадратов с ограничениями.
Более конкретно, множество возможных распределений электромагнитных характеристик может быть рассчитано для сетки конечных элементов. Каждое из этих возможных распределений электромагнитных характеристик может быть оценено с помощью функции затрат, такой как среднеквадратическая погрешность. Функция затрат может присваивать затраты каждому возможному распределению электромагнитных характеристик по меньшей мере частично на основании разницы между полученными результатами измерения характеристик катушки и теоретическими результатами измерения характеристик катушки с помощью модели. Возможное распределение электромагнитных характеристик с наименьшими затратами может быть выбрано в качестве распределения электромагнитных характеристик для образца. Среднему специалисту в данной области техники с учетом описания, предоставленного в данном документе, будет понятно, что могут быть использованы другие подходящие методики для определения распределения электромагнитных характеристик с помощью аналитической модели без отхода от объема настоящего изобретения.
На этапе (510) может быть создан трехмерный график электромагнитных характеристик на основании распределения электромагнитных характеристик, идентифицированного с помощью алгоритма инверсии. Трехмерный график характеристик может представлять распределение электромагнитных характеристик (например, распределение удельной проводимости) для множества трехмерных участков, связанных с образцом. Двухмерные виды, взятые вдоль поперечных разрезов трехмерного графика электромагнитных характеристик, затем могут быть собраны и представлены, например, на устройстве отображения. Трехмерные виды графика электромагнитных характеристик также могут быть созданы, повернуты и представлены, например, на устройстве отображения.
Результаты эксперимента №1
Сконструировали две катушки, имеющие геометрию катушки 300, изображенной на фиг. 8 и 9. Катушка «R» имела дорожку шириной 1 мм. Катушка «S» имела дорожку шириной 0,5 мм. Каждая дорожка была выполнена из 2 унций меди. Дорожки на катушке «R» имели эквивалентный диаметр круглого провода величиной 0,68 мм, эквивалентный в смысле наличия идентичных параметров. Дорожки на катушке «S» имели эквивалентный диаметр круглого провода величиной 0,36 мм.
Катушку размещали во множестве отдельных местоположений относительно образца, включая резервуар 30 см x 30 см x 13 см глубиной с водным раствором KCl, имеющим известную удельную проводимость. Изменение полной проводимости относительно свободного пространства измеряли, а затем использовали для вычисления потерь. Затем это значение сравнивали с теоретическими потерями, вычисленными с помощью количественной аналитической модели, описанной выше.
На фиг. 12 изображено сравнение теоретических потерь с наблюдаемыми потерями для катушки «R». На фиг. 12 отображена глубина от образца, или расстояние над ним, на оси абсцисс и потери в катушке на оси ординат. Кривая 602 обозначает наблюдаемые потери для катушки «R». Кривая 604 обозначает теоретические потери для бесконечной пластины толщиной 13 см. Кривая 606 обозначает теоретические потери для пластины конечных размеров.
На фиг. 13 изображено сравнение теоретических потерь с наблюдаемыми потерями для катушки «S». На фиг. 10 отображена глубина от образца, или расстояние над ним, на оси абсцисс и потери в катушке на оси ординат. Кривая 612 обозначает наблюдаемые потери для катушки «S». Кривая 614 обозначает теоретические потери для бесконечной пластины толщиной 13 см. Кривая 616 обозначает теоретические потери для пластины конечных размеров.
Как показано на фиг. 12 и 13, результаты измерения характеристик катушки, полученные с помощью геометрии катушки 300 по фиг. 8 и 9, почти точно соответствуют теоретическим омическим потерям, полученным с помощью примерной количественной аналитической модели, описанной в данном документе. В результате этого, катушка 300 по фиг. 8 и 9 может быть эффективным образом использована для визуализации методом магнитоиндукционной томографии с помощью одной катушки согласно примерным аспектам настоящего изобретения.
Результаты эксперимента №2
Для испытания примерной количественной аналитической модели согласно примерным аспектам настоящего изобретения образец, содержащий пластину квадратной формы размерами 9 см x 9 см и толщиной 2 см, разделяли на два слоя. Создавали сетку конечных элементов для образца, состоящую из 380 пятигранных элементов и 342 узлов. Электрическая удельная проводимость распределяется по узлам сетки с изменением удельной проводимости от 1,0 См/м возле углов до 3,0 См/м возле центра. На фиг. 13 показано теоретическое распределение удельной проводимости 620, определенное для образца согласно следующей формуле:
Девять виртуальных результатов измерения характеристик катушки были смоделированы с помощью одной катушки в девяти отдельных положениях катушки. Выполнили инверсию с помощью количественной аналитической модели по меньшей мере частично на основании девяти результатов измерения характеристик катушки. На фиг. 14 изображен полученный в результате трехмерный график 630 удельной проводимости, определенный с помощью инверсии. Как показано, трехмерный график 630 удельной проводимости приблизительно соответствует действительному распределению 620 удельной проводимости и определяется с помощью только девяти измерений характеристик катушки, осуществляемых с помощью одной катушки в отдельных положениях относительно образца.
Хотя объект настоящего изобретения был описан подробно в отношении его конкретных примерных вариантов осуществления, следует понимать, что специалисты в данной области техники, после осознания вышеизложенного, смогут легко выполнить изменения, вариации и эквиваленты этих вариантов осуществления. Соответственно, объем настоящего изобретения представлен скорее в качестве примера, а не ограничения, и объект изобретения не исключает включения таких модификаций, вариаций и/или дополнений к объекту настоящего изобретения, как будет понятно среднему специалисту в данной области техники.
1. Способ визуализации методом магнитоиндукционной томографии, включающий:
идентификацию целевой области на пациенте для медицинской визуализации;
получение множества результатов измерения характеристик катушки относительно целевой области с помощью одной катушки системы визуализации методом магнитоиндукционной томографии, причем множество результатов измерения потерь в катушке выполняют с помощью одной катушки во множестве отдельных местоположений относительно целевой области, причем одна катушка содержит один или несколько концентрических проводящих витков, расположенных в одной или нескольких плоскостях на печатной плате;
получение доступа к модели, определяющей отношение между результатами измерения характеристик катушки, полученными с помощью одной катушки, и распределением удельной проводимости целевой области; и
создание изображения распределения удельной проводимости целевой области из множества результатов измерения характеристик катушки на основании модели; и
вывод изображения для оценки состояния здоровья пациента.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что множество результатов измерения характеристик катушки получают с помощью портативного устройства с катушкой, причем портативное устройство с катушкой содержит одну катушку.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что множество результатов измерения характеристик катушки получают, когда одна катушка размещена на одном или нескольких непроводящих полотнах, накрывающих образец, причем непроводящие полотна содержат знаки, указывающие одно или несколько отдельных местоположений.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что множество результатов измерения характеристик катушки получают, когда целевая область прижата к изоляционной пластине, причем одну катушку размещают во множестве отдельных местоположений на другой стороне изоляционной пластины.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что множество результатов измерения характеристик катушки получают, когда пациент расположен на столе, имеющем непроводящую поверхность, причем одну катушку размещают в полости, расположенной в столе.
