專利名稱：用于電阻抗成像掃描裝置的電極和電阻抗成像掃描裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求I的前序所述的用于電阻抗成像(electricalimpedance tomography (EIT))掃描裝置的電極組件、包括多個(gè)所述電極組件的帶狀裝置以及根據(jù)權(quán)利要求24的前序所述的檢測電阻抗成像圖像的方法。
背景技術(shù)：
電阻抗成像(EIT)技術(shù)是ー種用于研究和檢測不透明體包括生物物種的組成和功能的非侵入性成像技木。最近，EIT已經(jīng)成功地應(yīng)用于患者。對于重癥監(jiān)護(hù)醫(yī)生、胸腔科醫(yī)師和理療醫(yī)師來說，電阻抗成像(EIT)技術(shù)是ー種可提供區(qū)域肺通氣和灌注(血液流動(dòng))的實(shí)時(shí)信息的成像方法。與常規(guī)方法相反，EIT不需要患者通過傳感器呼吸，不應(yīng)用電離X射線，并且可以用于長時(shí)間，例如24小時(shí)或甚至更長時(shí)間。因此，EIT可以連續(xù)使用，因此適合于實(shí)時(shí)和長期監(jiān)測治療效果。EIT于1983年首次用于監(jiān)測呼吸功能，并保持允許肺容積、 血流量和心臟活動(dòng)的區(qū)域變化的連續(xù)的、非侵入性檢測的唯一的床邊方法。該技術(shù)的更多細(xì)節(jié)可以在 Costa EL, Lima RG, Amato MB. in Curr Opin Crit Care. 2009Feb; 15 (I) : 18 24上發(fā)表的文章“Electrical impedance tomography”中找到，其在此通過參考引入。在EIT中，如美國專利US5626146所披露的，多個(gè)電極，通常從8到32個(gè)，設(shè)置在對象的胸部的周圍。控制單元確保電信號，例如電流施加在皮膚上的ー對或多對電極以形成電場，其反過來由其它電極檢測。用于施加電流的電極稱為“電流注入電極”，盡管其中一個(gè)可能作為基準(zhǔn)電位，例如接地。通常情況下，3至IOmA在50 200kHz注入。采用剩余的電極，檢測所產(chǎn)生的電壓井隨后用于估計(jì)胸部中電阻抗的分布。具體的算法得到開發(fā)以將電壓轉(zhuǎn)換成圖像。為了克服阻抗估計(jì)的不適定性質(zhì)，大多數(shù)EIT成像算法使用另外的假設(shè)，稱為先驗(yàn)信息和正則化。先驗(yàn)信息可以是，例如，有關(guān)對象胸部的幾何信息。典型的正則化假設(shè)是，胸內(nèi)阻抗分布將沒有突然的變化。另ー個(gè)假設(shè)是，所有電極正確地連接到患者皮膚。由此產(chǎn)生的圖像提供胸部中真實(shí)的阻抗分布的合理的估計(jì)。為了對于用戶例如臨床醫(yī)生是有用的，計(jì)算得到的阻抗分布圖像轉(zhuǎn)換成顯示空氣存在，空氣缺失，或空氣含量變化，血液含量變化和/或肌肉偏移進(jìn)身體空間的圖像。代替空氣，任何可呼吸的氣體混合物可以使用在EIT中。按順序迅速繪制的，毎秒幾次和類似ー部電影，這些圖像形成進(jìn)出每個(gè)肺部區(qū)域的氣體和血流量的可視化表示，允許醫(yī)生實(shí)時(shí)評估肺功能和/或心臟功能。廣泛使用EIT的當(dāng)前主要障礙是可靠性差和成本高。電極可以很容易斷開，與皮膚的電氣接觸可能會(huì)有數(shù)量級的不同，從高達(dá)500歐姆至10000歐姆。由于電源電壓限制，連接不良的電極不能注入必需的預(yù)定的電流。因此，所產(chǎn)生的圖像往往包含由于非均勻的電流注入導(dǎo)致的偽假象。這些偽假象可以被誤認(rèn)為是生理信號，并可能導(dǎo)致錯(cuò)誤診斷和不恰當(dāng)?shù)闹委煛Ｓ捎陔姌O接觸不好導(dǎo)致的偽假象的ー個(gè)例子在圖6b中給出。即使用戶可能知道電極接觸不良，但是他/她可能不知道可以進(jìn)行何種適當(dāng)?shù)募m正措施。Rigaud 等在 又-早 Experimental acquisition system for impedancetomography with active electrode approach"(in Med Biol Eng&Comput, Nov1993,31:593 599)中描述了ー種實(shí)驗(yàn)EIT檢測系統(tǒng)，包括含有多個(gè)所謂的“有源電極”的采集系統(tǒng)以及含有參考電壓源和采集電路的控制單元。每個(gè)有源電極包括ー個(gè)電壓緩沖器，一組開關(guān)和一個(gè)開關(guān)邏輯單元，由采集系統(tǒng)控制。鄰近電扱，電流源、電壓緩沖器和開關(guān)組連接。通過這些裝置，電極成為多功能的。在Rigaud的文章中，電極的開關(guān)邏輯單元與數(shù)據(jù)線并聯(lián)連接。因此，每個(gè)電極需要適當(dāng)?shù)膶ぶ?、?shù)字存儲(chǔ)和同歩。由于每個(gè)電極必須有ー個(gè)唯一的地址，可編程的微芯片或?qū)ｉT的硬線尋址必須用于此目的。這使得用于電極的控制電路的制造是昂貴的。由Rigaud提出的方案假定所有電極一直運(yùn)作良好。在他們的文章中，也沒有披露規(guī)定去檢查電極的正常功能。此外，也沒有提及鑒別沒有與皮膚接觸良好的電極的方法。然而，非正常運(yùn)行的電極或與皮膚接觸不好的電極對結(jié)果有不利的影響，因此需要消除。在Rigaud的文章中，兩個(gè)電極的差分電壓通過隨后的低通濾波器硬線連接到硬 件解調(diào)器。這具有解調(diào)迅速的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是模擬解調(diào)器的硬件實(shí)現(xiàn)是昂貴的和不夠靈活的。由Rigaud所披露的裝置包含如電極那么多的電流源。這些電流源通過中央計(jì)算機(jī)接通和關(guān)斷。理論上和實(shí)踐上，多于ー個(gè)電流源可以同時(shí)激活的從而注入可能危及生命的電流水平。Rigaud沒有披露防止在它們分布的電極布置中同時(shí)注入電流的任何方法。在用于監(jiān)測壓カ過濾過程中進(jìn)展情況目的的本質(zhì)安全的EIT的一個(gè)實(shí)施中，如 York 等在 An Intrinsically Safe Electrical Tomography System , Industria丄Electronics,2003，ISIE 1 03, 2003IEEE International Symposium on9-llJune, 2003, vol. 2, pages 946 951，和/或在"Towards Process Tomography forMonitoring Pressure Filtration , IEEE Sensors Journal, vol. 5, no. 2, April 2005 中披露的，多個(gè)電極，通常在16和24之間，布置在感興趣的對象的周圍，在這種情況下，所述感興趣的對象是用于在化工廠中從固相分離液體的加壓過濾的容器。在根據(jù)York等的該裝置中，四個(gè)繼電器專用于控制任何給定的電極的電信號，一個(gè)連接電極至電流源的正極線，一個(gè)連接到電流源的負(fù)極線，一個(gè)連接到電壓表的正極線，以及一個(gè)連接到電壓表的負(fù)極線。這4個(gè)繼電器的控制是通過將它們設(shè)置作為菊花鏈系列串(daisy chain)中的ー個(gè)單比特(single-bit)移位寄存器并用連接的PC控制菊花鏈系列串(daisy chain)來進(jìn)行的。上面提到的檢測緩慢，即每分鐘約I 2幅圖像的速度，表示對于監(jiān)測加壓過濾過程的目的沒有缺點(diǎn)。雖然指出除了監(jiān)測加壓過濾期間的進(jìn)展外，由York等人所描述的EIT系統(tǒng)可以很容易地應(yīng)用于其它目的，但是如果所述系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)療目的，將出現(xiàn)許多問題。其中ー些原因如下(a)用于檢測電壓的放大器和電極之間的巨大的距離，通常為50米，形成干擾和噪聲方面的問題，(b)低圖像速率是不能接受的，因?yàn)樵诨铙w中的變化以快得多的速度發(fā)生(例如，呼吸或心跳速率);和(c)由于零件的機(jī)械使用，由York所使用的機(jī)電繼電器的壽命是有限的，通常為5萬次循環(huán)，這對于醫(yī)療檢測是不能接受的。美國專利申請US2005/0059901 Al披露ー種改善在頻域中檢測的可靠性的方法。該方法提出捜索提供最佳信噪比的注入電流的頻率。它不考慮電極可能不能與皮膚接觸。如果電極不與皮膚接觸，所述公開的方法因此將不工作。已知接觸阻抗可以計(jì)算為檢測的電壓和電流的商數(shù)。然而，這種檢測不利于確定何時(shí)電極進(jìn)行充分的接觸以獲得可靠的EIT圖像。與預(yù)期的阻抗比較也沒有幫助，因?yàn)殡娏髯⑷胙b置可能超出其操作范圍，從而導(dǎo)致檢測的偽假象。已經(jīng)有人建議在圖形用戶界面上顯示故障電極和/或觸發(fā)報(bào)警聲以使用戶知道情況。這些措施都沒有防止可能的誤導(dǎo)性的圖像的計(jì)算。目前的EIT系統(tǒng)的另一個(gè)缺點(diǎn)是成本高。EIT系統(tǒng)分別檢測每個(gè)電極的電壓以平均檢測中固有的噪聲。這種實(shí)施是相當(dāng)昂貴的，因?yàn)樗枰珉姌O那么多的檢測通道。一個(gè)便宜得多的實(shí)施將是一個(gè)一個(gè)檢測胸部周圍的電壓，即采用復(fù)用技術(shù)。這種技術(shù)是本領(lǐng)域中已知的，并允許共享重要資源，如昂貴的差分放大器和快速模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。然而，在檢測中存在可通過平均消除的顯著的噪音。出于這個(gè)原因，將檢測時(shí)間最大化是有利的。例如，如果其中一個(gè)電極故障時(shí)，為這樣的故障電極所分配的時(shí)間完全浪費(fèi)掉了。具有一種從檢測順序中排除無功能的電極以最大化用于有功能的電極的時(shí)間的方法將是很大的優(yōu)勢。一種在非接觸電極存在下能夠提供可靠的EIT圖像的裝置還沒有被描述過，因此 是目前不可獲得的。基于上述原因，顯然需要這樣強(qiáng)大的裝置以避免誤解圖像和不適當(dāng)?shù)闹委煛?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種可靠的電極組件，其可以以低成本制造。另一個(gè)目的是提供一種用于電極的組裝電路，其不需要事先尋址和昂貴的電子零件。一個(gè)進(jìn)一步的目的是提出一種裝置和方法，通過它們，無功能的電極可以從檢測順序中排除出去。另一個(gè)目的是提供一種在由于無功能的或功能差的電極導(dǎo)致的錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)存在下形成可靠的EIT圖像的裝置和方法。另一個(gè)目的是提供一種用于尤其是肺和心臟的醫(yī)療檢查目的形成可靠的EIT圖像的裝置和方法。另一個(gè)目的是增加EIT方法的多功能性，特別是用于醫(yī)療檢查。此外，另一目的是獨(dú)立地控制電流注入的方式和電壓讀出的方式。本發(fā)明的描述上述目的通過根據(jù)權(quán)利要求I和權(quán)利要求13所述的發(fā)明的電極以及根據(jù)權(quán)利要求16所述的帶狀裝置和根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法得到解決。用于EIT掃描裝置的發(fā)明的電極組件包括-電極，-電流供給單元，-電壓緩沖單元，-開關(guān)邏輯單元，-用于將電流供給單元和電壓緩沖單元與電極連接的線路，-用于將電流供給單元和電壓緩沖單元與開關(guān)邏輯單元連接的線路，以及-開關(guān)邏輯單元與用于根據(jù)即基于從開關(guān)邏輯單元接收到的數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)電流供給單元和電壓緩沖單元的開關(guān)相接觸，其特征在于，開關(guān)邏輯單元包括第一移位寄存器的至少一個(gè)元件和第二移位寄存器的至少一個(gè)元件。有利的，該電極組件結(jié)構(gòu)允許多個(gè)電極的順序驅(qū)動(dòng)，電極例如在帶狀結(jié)構(gòu)上對齊。不需要提供每個(gè)電極一個(gè)特定的地址，通過該地址電極由微處理器尋址。沒有單獨(dú)的地址，電極驅(qū)動(dòng)器的制造成本可保持在低水平。因此，造成一次性電極和帶狀結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)是可能的。采用至少兩個(gè)移位寄存器元件，其中一個(gè)元件是第一移位寄存器(即第一菊花鏈系列串(daisy chain))的一部分，一個(gè)元件是第二移位寄存器(即第二菊花鏈系列串(daisy chain))的一部分，開關(guān)邏輯單元允許在不同的時(shí)間間隔推進(jìn)兩種不同的命令結(jié)構(gòu)。這導(dǎo)致有利的情況，即根據(jù)本發(fā)明，第一電流注入命令結(jié)構(gòu)在第一時(shí)間間隔觸發(fā)，第二檢測命令結(jié)構(gòu)在第二優(yōu)選更快時(shí)間間隔觸發(fā)，使得在特定的電流應(yīng)用配置中許多檢測成為可能。人體中感興趣的不同區(qū)域的監(jiān)測可能需要不同的電流注入和電壓讀出方式。例如，要監(jiān)測位于接近前胸壁的心臟，主要應(yīng)用電流注入到心臟附近，而不是在背側(cè)部分注入 電流，是有利的。同時(shí)，由此產(chǎn)生的電壓應(yīng)使用所有電極進(jìn)行檢測。因?yàn)榫哂兄辽賰蓚€(gè)移位寄存器的電極組件的設(shè)計(jì)，這是可能的。相比較而言，只有一種方式的電流注入和電壓讀取可以通過一個(gè)單一移位寄存器(即通過一個(gè)菊花鏈系列串(daisy chain))移動(dòng)。雙移位寄存器的設(shè)置使得檢測的時(shí)間效率更高，其中故障電極存在。如果一個(gè)電極故障，快速循環(huán)通過該故障電極是有利的，從而有效地跳過它并且將檢測移動(dòng)到下一個(gè)電極而不切換電流注入電極。采用根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)移位寄存器的設(shè)置，這成為可能。此夕卜，與如上所引用的York等人所述的已知的裝置相反，整個(gè)掃描方式必須一次又一次重新加載。同時(shí)，更多檢測值是有錯(cuò)誤的。發(fā)明的電極組件的雙移位寄存器的設(shè)置比使用機(jī)電繼電器的傳統(tǒng)系統(tǒng)快得多(通?？烨П?，對于16-電極系統(tǒng)典型地每30秒產(chǎn)生一幅圖像幀。優(yōu)選地，所述的第一移位寄存器的至少一個(gè)元件和所述的第二移位寄存器的至少一個(gè)元件(即移位寄存器的元件)由兩個(gè)不同的時(shí)鐘、時(shí)鐘速率和/或時(shí)鐘線控制。優(yōu)選地，所述的第一移位寄存器的至少一個(gè)元件和所述的第二移位寄存器的至少一個(gè)元件位于電極附近，優(yōu)選離開不超過I厘米，更優(yōu)選直接位于電極上。優(yōu)選地，所述的移位寄存器的至少一個(gè)元件是一個(gè)觸發(fā)器。更優(yōu)選地，所述的移位寄存器的至少一個(gè)元件是一個(gè)2比特觸發(fā)器。2比特觸發(fā)器允許在命令結(jié)構(gòu)中分配多達(dá)4種不同的設(shè)置。有利的，2比特觸發(fā)器由兩個(gè)平行的觸發(fā)器尤其是兩個(gè)邊沿觸發(fā)的D-觸發(fā)器或兩個(gè)主從的D-觸發(fā)器組成。優(yōu)選地，開關(guān)邏輯單元包括第一移位寄存器的至少一個(gè)元件，例如一個(gè)觸發(fā)器，用于通過至少一個(gè)第一開關(guān)連接電極和電流供給單元，和第二移位寄存器的至少一個(gè)元件，例如一個(gè)觸發(fā)器，用于通過至少一個(gè)第二開關(guān)連接電壓緩沖單元和模擬線Al及A2。優(yōu)選地，設(shè)置一個(gè)由第一移位寄存器的至少一個(gè)元件控制的第三開關(guān)，用于連接電極與參考電位例如接地或認(rèn)為是必要的并且由裝置所提供的任何其它的電壓水平。該接地不必須是一個(gè)恒定電壓。它也可以，例如，是一個(gè)交流電壓。優(yōu)選地，第一移位寄存器的至少一個(gè)元件(例如，一個(gè)2比特觸發(fā)器)與第一和第三開關(guān)連接。由此，注入電流電路可以在注入源和參考電壓例如接地之間在任何選定的電極對上實(shí)現(xiàn)閉合。優(yōu)選地，電壓緩沖單元包括第一和第二電壓緩沖器、所述第二開關(guān)和用于將第一和第二電壓緩沖器之一或兩者連接各自的第一和第二模擬線Al及A2的第四開關(guān)。以此方式，可以在任何選定的電極對之間檢測電壓差以及因此電壓。優(yōu)選地，第二移位寄存器的至少一個(gè)元件(例如，一個(gè)2比特觸發(fā)器)與第二和第四開關(guān)連接。單獨(dú)開關(guān)驅(qū)動(dòng)具有可以實(shí)施不同檢測方式的優(yōu)點(diǎn)。一種優(yōu)選的方式是順時(shí)針或逆時(shí)針方式檢測電極對之間的電壓降。優(yōu)選地，當(dāng)從檢測平面的圓心以角度檢測時(shí)所述電極對彼此分開至少60度。在任何情況下，電極對可以是例如相鄰電極對。能夠選擇可能不同于電壓讀出順序的電流注入方式是特別有利的。一個(gè)重要用途是從檢測排除故障電極和重新分配節(jié)省的時(shí)間用于在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電極上檢測。發(fā)明的 組件的另一種用途是集中分析某些器官，例如心臟。電流注入集中在靠近心臟的電極上，而所有電極的檢測都考慮在內(nèi)。另一個(gè)用途是以一種給定的電流注入方式在隨后的掃描中檢測不同的電壓起伏。這種第二檢測掃描產(chǎn)生基本獨(dú)立的一套檢測，有助于在分析的后面階段中的降噪程序。優(yōu)選地，進(jìn)一步的或第五開關(guān)設(shè)置用于將基準(zhǔn)信號線，通常是正弦波(Sinusrave)，與電流供給單元連接。第五開關(guān)的設(shè)置(其實(shí)際上對應(yīng)于第一開關(guān)的設(shè)置)確定是否正弦波施加到所選擇的電極上。正弦波確定注入電流的振幅和頻率。正弦波的頻率構(gòu)成電壓檢測的選擇頻率。優(yōu)選地，電流供給單元、電壓緩沖單元、第一移位寄存器的至少一個(gè)元件、第二移位寄存器的至少一個(gè)元件和/或開關(guān)集成在集成電路中，即設(shè)計(jì)成集成電路。優(yōu)選地，移位寄存器的元件(即第一移位寄存器的至少一個(gè)元件和第二移位寄存器的至少一個(gè)元件)集成在集成電路中。這種集成電路是足夠小的以致安裝在各電極上或在各電極附近。優(yōu)選地，集成電路設(shè)置在或連接至電極。這允許包括多個(gè)電極組件的帶狀設(shè)置的最佳的緊湊設(shè)計(jì)。有利的，具有安全保護(hù)單元，例如比較器電路，與第二電流源連接，設(shè)置用于檢測通過所述第二電流源的電壓降。安全保護(hù)電路具有控制功能，允許防止下列情況，注入電流(即通過測試樣品或身體的所有電流的總和)增加到預(yù)定的最大閾值水平之上。從而避免危險(xiǎn)的高注入電流水平。優(yōu)選地，安全保護(hù)單元包括至少一個(gè)電阻和開關(guān)，開關(guān)與開關(guān)邏輯單元接觸，每當(dāng)電極作為注入電極時(shí)，開關(guān)可控制地通過電阻將第二電流源接地。優(yōu)選地，檢測的電壓在解調(diào)之前轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。因此，A/D轉(zhuǎn)換發(fā)生在解調(diào)之前。這具有的優(yōu)點(diǎn)是檢測的信號在解調(diào)之前可以直接進(jìn)行分析和評價(jià)，而無需加以修改。用于EIT掃描裝置的可選擇的發(fā)明的電極組件包括-電極，-電流供給單元，-電壓緩沖單元，-開關(guān)邏輯單元，-用于將電流供給單元和電壓緩沖單元與電極連接的線路，
-用于將電流供給單元和電壓緩沖單元與開關(guān)邏輯單元連接的線路，以及-開關(guān)邏輯單元與用于根據(jù)從開關(guān)邏輯單元接收到的數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)電流供給單元和電壓緩沖單元的開關(guān)相接觸，其特征在于安全保護(hù)單元，例如比較器電路，與第二電流源連接，設(shè)置用于檢測通過所述第二電流源的電壓降。 有利的，該電極組件當(dāng)與許多相同的電極組件組合使用時(shí)采用一次僅通過一個(gè)注入電極注入電流允許EIT檢測的安全執(zhí)行。如果由于某種錯(cuò)誤，幾個(gè)電極作為注入電極，患者暴露于電流的風(fēng)險(xiǎn)變得過高。在這種情況下，通過第二電流源的電壓降降低到預(yù)定的閾值水平以下。在這個(gè)時(shí)刻。安全保護(hù)電路的開關(guān)驅(qū)動(dòng)，作為預(yù)防措施，所有的電流注入停止。優(yōu)選地，開關(guān)邏輯單元包括第一移位寄存器的至少一個(gè)元件，例如一個(gè)觸發(fā)器，和第二移位寄存器的至少一個(gè)元件，例如一個(gè)觸發(fā)器。
優(yōu)選地，這種可選擇的電極組件包括關(guān)于任何其它電極組件的在這里披露的單獨(dú)任一優(yōu)選特征或組合。發(fā)明的帶狀裝置包括許多所述的電極組件，以間隔開的關(guān)系設(shè)置在支撐帶元件上，所述支撐帶元件還包括用于將電極組件的電流供給單元、電壓緩沖單元和開關(guān)邏輯單元與控制電路連接的連接線。這種帶狀裝置可以廉價(jià)地進(jìn)行制造。因此可以用作一次性裝置。優(yōu)選地，相鄰的電極組件的開關(guān)邏輯單元彼此串聯(lián)連接。優(yōu)選地，不同的電極組件的電流供給單元和電壓緩沖單元彼此并聯(lián)連接。優(yōu)選地。帶狀裝置設(shè)置有連接第二電流源和所有電極的安全保護(hù)連接線，用于通過多個(gè)注入電流源檢測同時(shí)發(fā)生的電流注入。該安全保護(hù)線具有控制功能，允許防止以下情況，注入電流增加到預(yù)定的最大閾值水平之上。從而避免危險(xiǎn)的高注入電流水平。優(yōu)選地，設(shè)置的控制電路包括掃描單元、檢測單元、支撐功能單元和計(jì)算單元，所述單元通過連接線與電極接觸。優(yōu)選地，檢測單元包括第一和第二差分放大器以及連接至所述第一和第二差分放大器的第一和第二 A/D轉(zhuǎn)換器。以此方式一個(gè)放大器能夠準(zhǔn)確檢測小的電壓差，其它放大器能夠準(zhǔn)確檢測高電壓差。由于被檢查的樣品即身體的相對良好的導(dǎo)電性，通常預(yù)期小的電壓差，并例如用第一放大器檢測，其例如具有相對較高的增益。然而，如果一對的一個(gè)或兩個(gè)電極是有缺陷的，預(yù)期的電壓差是高的，能夠由第二放大器可靠地確定，其例如具有相對低的增益。優(yōu)選地，所述第一和第二差分放大器包括兩個(gè)不同的增益，優(yōu)選第一放大器具有100至1000的范圍內(nèi)的增益，所述第二放大器具有在I至100范圍內(nèi)的增益。優(yōu)選地，掃描單元設(shè)計(jì)用于提供用于控制第一移位寄存器的至少一個(gè)元件和第二移位寄存器的至少一個(gè)元件的數(shù)據(jù)信號，以及用于計(jì)時(shí)第一移位寄存器的至少一個(gè)元件和第二移位寄存器的至少一個(gè)元件的時(shí)鐘信號。優(yōu)選地，第一移位寄存器的至少一個(gè)元件和第二移位寄存器的至少一個(gè)元件在兩個(gè)不同的時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)時(shí)。因此，開關(guān)邏輯單元可以在不同的時(shí)間間隔觸發(fā)兩個(gè)不同的命令結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，支撐功能單元設(shè)計(jì)用于提供電源電壓和參考信號給注入電流源。
更優(yōu)選地，支撐功能單元設(shè)計(jì)用于提供電源電壓、參考信號和激勵(lì)信號給注入電流源。優(yōu)選地，計(jì)算單元連接至檢測單元，設(shè)計(jì)成用于使用從檢測單元接收到的數(shù)據(jù)計(jì)算期望的EIT掃描圖像。發(fā)明的EIT掃描系統(tǒng)包括如上描述的帶狀裝置和連接至控制電路的圖像計(jì)算裝置。檢測EIT圖像的發(fā)明的方法包括使用以間隔開的關(guān)系設(shè)置的多個(gè)電極組件，每個(gè)電極組件包括-電極，
-電流供給單元，-電壓緩沖單元，-開關(guān)邏輯單元，-用于將電流供給單元和電壓緩沖單元與電極連接的線路，-用于將電流供給單元和電壓緩沖單元與開關(guān)邏輯單元連接的線路，以及-開關(guān)邏輯單元與用于根據(jù)從開關(guān)邏輯單元接收到的數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)電流供給單元和電壓緩沖單元的開關(guān)相接觸，電極組件通過用于將電流供給單元、電壓緩沖單元和開關(guān)邏輯單元與控制電路連接的連接線進(jìn)行連接，其特征在于，開關(guān)邏輯用第一移位寄存器(27)的至少一個(gè)元件和第二移位寄存器(29)的至少一個(gè)元件進(jìn)行控制?？蛇x地，所述方法的特征還在于，由電極進(jìn)行的電流注入由用于防止一次經(jīng)一個(gè)以上電極同時(shí)發(fā)生電流注入的安全保護(hù)電路進(jìn)行控制。根據(jù)可選擇的具體實(shí)施例，檢測EIT圖像的發(fā)明的方法包括使用以間隔開的關(guān)系設(shè)置的多個(gè)電極組件，每個(gè)電極組件包括-電極，-電流供給單元，-電壓緩沖單元，-開關(guān)邏輯單元，-用于將電流供給單元和電壓緩沖單元與電極連接的線路，-用于將電流供給單元和電壓緩沖單元與開關(guān)邏輯單元連接的線路，以及-開關(guān)邏輯單元與用于根據(jù)從開關(guān)邏輯單元接收到的數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)電流供給單元和電壓緩沖單元的開關(guān)相接觸，電極組件通過用于將電流供給單元、電壓緩沖單元和開關(guān)邏輯單元與控制電路連接的連接線進(jìn)行連接，其特征在于，由電極進(jìn)行的電流注入由用于防止一次經(jīng)一個(gè)以上電極同時(shí)發(fā)生電流注入的安全保護(hù)電路進(jìn)行控制。可選地，所述方法的特征還在于，開關(guān)邏輯用第一移位寄存器(27)的至少一個(gè)元件和第二移位寄存器(29)的至少一個(gè)元件進(jìn)行控制。兩種所述方法使得EIT檢測的安全和可靠的應(yīng)用成為可能。開關(guān)邏輯允許以一次單一電極作為注入電極的方式控制檢測。安全保護(hù)電路提供一種額外保障以確保如果由于故障電極組件或控制電路導(dǎo)致一個(gè)以上的電極同時(shí)作為電流注入電極，所有的電流注入停止。
優(yōu)選地，所述第一移位寄存器(27)和所述第二移位寄存器(29)每個(gè)是由不同的時(shí)鐘、不同的時(shí)鐘速率或不同的時(shí)鐘線控制的。優(yōu)選地，所述安全保護(hù)電路包括如上所述的安全保護(hù)單元(22)。優(yōu)選地，安全保護(hù)單元包括至少一個(gè)電阻和開關(guān)，開關(guān)與開關(guān)邏輯單元接觸，每當(dāng)電極作為注入電極時(shí)，開關(guān)可控制地通過電阻將第二電流源接地。本發(fā)明的詳細(xì)描述如在任何常規(guī)的EIT系統(tǒng)中，電流注入以形成電場，該電場隨后由放置在胸部周圍的多個(gè)電極進(jìn)行檢測。為了獲得最大的靈活性，每個(gè)電極可以用于注入電流。在8個(gè)電極的布置中，例如，這導(dǎo)致8個(gè)不同的電流注入的位置和用于每個(gè)電流注入位置的8個(gè)檢測。通常情況下，共8x 8=64個(gè)檢測將產(chǎn)生，在下面的章節(jié)中稱為檢測向量b。或者，采用其它掃描方式，可以導(dǎo)致更多或更少的檢測。 在本發(fā)明中，多個(gè)電極布置在患者的胸部的周圍的帶狀結(jié)構(gòu)上。這樣一種帶狀物的兩端連接在一個(gè)連接器中，處于固定的或可變的長度。優(yōu)選地，連接器例如用應(yīng)變儀檢測帶狀物的伸長。帶狀結(jié)構(gòu)的拉伸力隨后有利地與關(guān)于任何接觸不良的電極的信息一起提供給用戶。后者如下檢測安裝在患者的胸部的周圍的相同的帶狀結(jié)構(gòu)上的多個(gè)電流源施加交流電流在I和IOmARMS之間，優(yōu)選為5和IOmA RMS之間，在50kHz和200kHz之間的頻率。注入電流源是電壓控制的高輸出阻抗電流源。其中一個(gè)電極作為接地電極、參考電位或電流吸收器。為了通過電極與皮膚之間的可變接觸阻抗驅(qū)動(dòng)電流，每個(gè)電流源工作在閉環(huán)控制模式。其結(jié)果是，輸出電壓會(huì)發(fā)生變化，以適應(yīng)不同的和隨時(shí)間變化的電極-皮膚阻抗。在正常操作中，該電壓通常將低于電源電壓的50 %。如果電流源不能驅(qū)動(dòng)預(yù)先設(shè)定的電流通過人體，它會(huì)輸出一個(gè)接近電源電壓的電壓，通常高于電源電壓的80 %。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，所有電極上的電壓優(yōu)選在所有電極的第一完整掃描中進(jìn)行檢測。為了這個(gè)目的，可以使用放置在電極上的電壓緩沖器。它們輸送檢測的電壓至模擬檢測單元，其根據(jù)所檢測的電壓確定特定電極是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，如果8個(gè)電極放置胸部的周圍，將需要8個(gè)檢測評估各電極的接觸質(zhì)量。如果電極不是與皮膚充分接觸，相應(yīng)的電流源不能驅(qū)動(dòng)設(shè)定電流通過人體，所述電極處的電壓將接近電源電壓。如果相應(yīng)的電流吸收器(參考電位)電極沒有形成良好接觸，同樣適用。因此，如果檢測的電壓高于某一閾值，通常為80%的電源電壓，通過給定的電極對，兩個(gè)電極中的一個(gè)可以定為無功能的。所述閾值是獨(dú)立于要檢查的人體的。它是獨(dú)立于電極對皮膚的阻抗的，僅是電源供應(yīng)能力的函數(shù)。由于不清楚兩個(gè)電極中的哪一個(gè)，或可能兩個(gè)電極，造成高電壓檢測并因此沒有形成良好接觸，評估過程必須對連接到獨(dú)立的電極的兩個(gè)電極進(jìn)行重復(fù)。這樣一種程序是隱含在典型的EIT掃描中的，即其中兩個(gè)電流注入電極以循環(huán)方式繞身體周圍移動(dòng)，要么是相鄰的電極，或跳過要檢測的兩電極之間的任何數(shù)量的電極。因此，在EIT檢測開始時(shí)區(qū)分出所有的非正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電極，是可能的。導(dǎo)致兩次接觸不良的每個(gè)電極可以安全地定為“無功能的”。在下一步驟中，用無功能的電極檢測的所有值從進(jìn)一步的分析中排除。為了防止通過多個(gè)電流源意外注入交流電流，實(shí)施了一個(gè)可選的安全保護(hù)連接。這種安全保護(hù)連接是由一個(gè)通常2毫安(比較圖7)的單獨(dú)的DC或AC電流源提供的。在各電極上，用于控制板載AC電流源的開關(guān)可以連接用于連接例如I千歐電阻的另一開關(guān)至安全保護(hù)線(圖5)。如果電極的功能是注入AC電流，該第二開關(guān)連接電阻至安全保護(hù)連接，從而漏掉所有的DC電流。如果，偶然的，同時(shí)第二電極將嘗試注入AC電流，DC電流也可以由該第二電極轉(zhuǎn)移。其結(jié)果是，安全保護(hù)連接的電壓將下降50%，例如從2伏至I伏。中央控制單元優(yōu)選地設(shè)計(jì)成用來檢查這個(gè)電壓，如果電壓下降到I伏或更低，切斷所有電極的電源，從而防止危險(xiǎn)的高AC電流的注入。重建人體部分的阻抗圖的問題優(yōu)選通過采用一種本領(lǐng)域公知的技術(shù)有限元法(Finite Element Method, FEM)得到解決。FEM使用三角形的網(wǎng)狀物描述感興趣的空間或表面，然后問題的物理學(xué)應(yīng)用于網(wǎng)狀物，問題通過使用一定的邊界條件(即，因 為延伸網(wǎng)狀物至無限的空間是不可能的，必須限制網(wǎng)狀物至感興趣的所研究的介質(zhì)并描述網(wǎng)狀物的邊界發(fā)生的情況)得到解決。對于一組給定的電流注入電極和一個(gè)給定的導(dǎo)電率分布，EIT的正問題是計(jì)算在電壓檢測電極處的電位。通常情況下，重建問題通過Y(s)*V=C得到解決用于EIT的正問題，其中Y是電導(dǎo)矩陣，依賴于電導(dǎo)率s，V是一組電壓分布，和C是一組施加電流。假定只能檢測在給定的地方(即在電極處)在介質(zhì)邊界處的電壓，引入算子D。它返回對應(yīng)給定的系統(tǒng)和掃描方式的電壓檢測的一個(gè)向量，v=D(V)=Y-1*C。然后，上述正問題相對于參考電導(dǎo)率Stl使用泰勒展開進(jìn)行線性化，Δ v=S Δ σ ,
Svl其中，S是靈敏度矩陣’Λ σ 是 S — S。Δ V 是 V _ ν0。對于檢測中給定的變化Λ V，我們由此得到電導(dǎo)率的變化Λ σ。在圖像重建過程中,這個(gè)想法是從檢測中給定的變化Λ V找到電導(dǎo)率的變化Λ σ。為了計(jì)算Λ σ，人們必須逆轉(zhuǎn)矩陣S。此操作通常是非平凡的，并且不能使用矩陣的經(jīng)典逆轉(zhuǎn)來進(jìn)行。這一類問題已知在文獻(xiàn)中具有逆不適定問題。這意味著該問題比方程式具有更多的未知。盡管不適定性質(zhì)，一種計(jì)算解的方法是使用正則化技術(shù)，其意味著對感興趣的介質(zhì)進(jìn)行一些假設(shè)。在EIT中的想法本質(zhì)上是找到問題的最小二乘解Λ σ(Il SA σ-Δν||2)0由于問題是不適定的，增加正則化項(xiàng)，得到以下的成本函數(shù)(參見，例如，Adler 和 Guardo, 1996)Φ = 1|SA cr — Δν| +~||jPA<7| j其中，λ是正則化項(xiàng)的加權(quán)項(xiàng)，F(xiàn)是空間高通濾波器矩陣。人們可以注意到歐幾里得范數(shù)(平方)的使用不是強(qiáng)制的，也可用于另一個(gè)范數(shù)。然后，想法是盡量最小化這個(gè)成本函數(shù)，找到Λ σ的解。在這里，人們可以利用奇異值分解(Singular Value Decomposition, SVD)方法來解決問題。用于上述給出的成本函數(shù)的正則解在(Hansen, Rank-deficient and discrete ill-posed problems, 1998, SIAM, ISBN-978-0-898714-03-6,第 72 頁)中給出標(biāo)準(zhǔn)形式。我們首先將我們的成本函數(shù)轉(zhuǎn)換獲得標(biāo)準(zhǔn)形式表達(dá)式φ = -||/Ιχ-6|2+ |χ|| (方程式 I)
2 2其中x=FAo，b=A V。偽逆用于計(jì)算Λ σ Δσ = Ffx = [FrFj^i FTx = Lx,(方程式 11)
然后重寫成本函數(shù)如下
剛 φ = 告Il然后A 是 SL。
, SLA = ......I·==
ψ\ \\fr<>bemmA 的 SVD 是A = U Σ VT,其中UUT=I，VVt=I以及S是含有奇異值的對角矩陣。Hansen給我們用于這種正則化問題的解X = VO [ Σ τ Σ Γ1 Σ TUTb?？梢灾貙懮厦娴谋磉_(dá)式X = VEUTb,其中，Si是奇異值。因此，通過使用方程式II，Δ σ的正則解成為Δ ο = MEDAv,其中
IVM=' Hsl
ψ\ It fmb€mmD = UT,眺=泰在這個(gè)階段，幾乎在傳輸過程中，通過3個(gè)基礎(chǔ)矩陣M，E和D相乘并在E中改變正則化λ因子，可以計(jì)算重構(gòu)矩陣MED。這允許EIT系統(tǒng)適應(yīng)正則化項(xiàng)以得到所需的圖像質(zhì)量。找到最佳λ因子的一種方法可以是如描述在(Hansen, 1998)中的L-曲線法。根據(jù)一優(yōu)選的具體實(shí)施例，排除來自給定的例如是無功能性的或錯(cuò)誤的電極子集的數(shù)據(jù)是有利的。為了這個(gè)目的，通過重新啟動(dòng)在方程式I處的計(jì)算過程以及通過去除對應(yīng)排除的電極的電壓檢測的b和A的矩陣線，重復(fù)上述計(jì)算。程序的其余部分是完全如上面所述一樣的。


本發(fā)明在下文中參考附圖進(jìn)行描述。它們顯示在圖I中示意性地，發(fā)明的EIT掃描系統(tǒng)，包括通過包含數(shù)據(jù)和模擬線的總線系統(tǒng)彼此連接的32個(gè)單個(gè)電極，和控制電路，其可以是傳感器帶的一部分或可移除連接其上，以及連接至控制電路的圖像計(jì)算裝置。圖2中示意性地，電極驅(qū)動(dòng)單元，包括電流供給單元、電壓緩沖單元和開關(guān)邏輯單
J Li ο圖3中電流供給單元帶有用于連接電極和電流供給單元或基準(zhǔn)電位的一組命令開關(guān)。
圖4中電壓緩沖單元帶有第一和第二電壓緩沖器以及用于連接電壓緩沖器和模擬采樣線Al和A2的命令開關(guān)。圖5a中示意性地，開關(guān)邏輯單元，包括用于控制電流供給單元和電壓緩沖單元的開關(guān)的兩對觸發(fā)器。圖5b示意性地，開關(guān)邏輯單元，包括用于控制電流供給單元和電壓緩沖單元的開關(guān)的兩對觸發(fā)器；此外，示意性地，與開關(guān)邏輯有關(guān)的安全保護(hù)單元。圖6a為所有電極正常工作的原EIT圖像，圖6b中電極I、10和24是無功能的，電極I位于Χ=1、γ=0和電極數(shù)目逆時(shí)針增加的圖像結(jié)果，圖6c為根據(jù)本發(fā)明，校正的圖像。圖7中處于更詳細(xì)的圖I的控制電路，顯示其主要部件，即掃描單元、檢測單元、支撐功能單元和計(jì)算單元。圖8處于更詳細(xì)的圖7的檢測單元。IIEIT掃描系統(tǒng)；13傳感器帶；15電極；17電流供給單元；19電壓緩沖單元；21開關(guān)邏輯單元；22安全保護(hù)單元；23掃描單元；25總線系統(tǒng)；27第一移位寄存器的元件，這里例如2比特觸發(fā)器(觸發(fā)器I) ；29第二移位寄存器的元件，這里例如2比特觸發(fā)器(觸發(fā)器M) ；30控制電路；31電極驅(qū)動(dòng)器(電極組件)；33集成電子元件，即集成電路(IC) ；34模擬開關(guān)；35支撐功能單元；36電阻(具有例如I千歐電阻);37模擬檢測單元；39計(jì)算單元；41附加電流源，用于安全保護(hù)連接的電流源；43圖像計(jì)算裝置；45，47帶端
具體實(shí)施例方式圖I的EIT掃描系統(tǒng)11包括多個(gè)電極15，通常在8到32之間，其可以布置在要進(jìn)行檢查的人體例如人的胸部的表面上。每個(gè)電極15優(yōu)選地安裝在帶狀物13上，以便用戶可以方便地放置電極15在患者的胸部周圍。如圖2中所示的，在每個(gè)電極I附近，放置有注入電流供給單元17、電壓緩沖單元19，和開關(guān)邏輯單元21以及可選的安全保護(hù)單元22。由此，電極15、電流供給單元17、電壓緩沖單元19和開關(guān)邏輯單元21的組件構(gòu)成電極驅(qū)動(dòng)器或組件31。電極驅(qū)動(dòng)器31優(yōu)選地設(shè)計(jì)成帶有集成電子元件33即集成電路的電極15。電極驅(qū)動(dòng)器31由外部控制電路30控制(圖I和圖2)。注入電流供給單元17優(yōu)選地基于電壓控制的高輸出阻抗電流源。電流供給單元17施加電流在5和IOmA RMS之間，在通常50千赫和200千赫之間的頻率。較高或較低的頻率也是可能的。電壓緩沖單元19直接檢測在每個(gè)電極15上的電壓，并將該電壓輸送至總線系統(tǒng)25，其放置在對象即患者胸部周圍并連接所述電極驅(qū)動(dòng)器31和控制電路30。如在圖2中所示的，外部控制電路30與每個(gè)電極15和其集成電子元件33通過由數(shù)字通信數(shù)據(jù)線10、11、M0和Ml以及模擬信號線Al、A2組成的復(fù)合總線25通信?？刂齐娐?0還可以包含傳感器以檢測帶狀物所施加的力(圖中未示出)。優(yōu)選地，該傳感器是應(yīng)變計(jì)，其機(jī)械地連接到連接至控制電路箱30的傳感器帶13的兩個(gè)臂或兩端45、47。圖I示出了用于32個(gè)電極布置的其具體實(shí)施例的原理設(shè)計(jì)。所有的電極通過數(shù)據(jù)總線10、11、M0和Ml以及模擬總線Al和A2連接。通過由所述的總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，可以確定每個(gè)電極的功能。在優(yōu)選的具體實(shí)施例中，數(shù)據(jù)總線實(shí)施為從一個(gè)電極到下一個(gè)電極運(yùn)行的菊花鏈系列串(daisy chain)。圖5a示出了使用數(shù)字觸發(fā)器的本發(fā)明的開關(guān)邏輯單元的優(yōu)選實(shí)施。優(yōu)選地，兩個(gè)2比特觸發(fā)器27、29來實(shí)現(xiàn)，一個(gè)2比特觸發(fā)器27確定電極15的電流注入功能，另一個(gè)2 比特觸發(fā)器29確定檢測功能。兩個(gè)時(shí)鐘，時(shí)鐘I用于電流注入功能和時(shí)鐘M用于檢測功能，以不同的速率驅(qū)動(dòng)掃描程序(圖5)。時(shí)鐘I可以比時(shí)鐘M慢得多，例如在32個(gè)電極的布置中慢32倍。采用16個(gè)工作電極，時(shí)鐘I可以比時(shí)鐘M慢16倍。在32個(gè)電極中η個(gè)電極不工作的情況下，例如由于與皮膚接觸不良，因此在檢測循環(huán)中跳過，時(shí)鐘I的頻率可以比時(shí)鐘M慢(32-η)倍。但是，對于特定的掃描程序，在很短的期間比方說秒的一部分，兩個(gè)時(shí)鐘可以運(yùn)行在相同的速度或時(shí)鐘I甚至可以比時(shí)鐘M快。通常情況下，電極驅(qū)動(dòng)器31的邏輯單元21的第一 2比特觸發(fā)器，如第一 2比特觸發(fā)器27，串聯(lián)至位于隨后的電極驅(qū)動(dòng)器上的第二 2比特觸發(fā)器，從而第一 2比特觸發(fā)器的輸出連接至第二2比特觸發(fā)器的輸入。然后，第一2比特觸發(fā)器的輸出用作用于第一給定的電極驅(qū)動(dòng)器的邏輯信號，第二 2比特觸發(fā)器的輸出用作用于隨后的第二電極驅(qū)動(dòng)器的邏輯信號。這樣，一系列的2比特觸發(fā)器是菊花鏈系列串(daisy chain)式地通過帶狀物以形成一個(gè)大的移位寄存器?？蛇x擇的，I比特觸發(fā)器，代替2比特觸發(fā)器，可以用于形成更簡單的級聯(lián)菊花鏈系列串(daisy chain)數(shù)據(jù)傳輸電路。在進(jìn)一步的可選擇方案中,可以使用更高比特觸發(fā)器。鎖存器，代替2比特觸發(fā)器也可用于形成級聯(lián)菊花鏈系列串(daisychain)數(shù)據(jù)傳輸電路。一般來說，代替觸發(fā)器，使用鎖存器是本領(lǐng)域中已知的。與其它可能的使用移位寄存器的實(shí)施相反，這里只需要一個(gè)時(shí)鐘循環(huán)以從一個(gè)電極傳輸代碼到另一個(gè)電極。在每個(gè)電極中每個(gè)代碼比特一個(gè)觸發(fā)器，串聯(lián)至下一個(gè)，使本發(fā)明簡單和可靠。在另一個(gè)具體實(shí)施例中，鎖存器用于從電極到電極傳輸代碼。優(yōu)選地,如在圖5a中所不的,可以使用兩個(gè)不同的時(shí)鐘循環(huán),一個(gè)用于注入模式(時(shí)鐘I)和另一個(gè)用于檢測模式(時(shí)鐘M)。因此，電極驅(qū)動(dòng)器31上的邏輯單元21的兩個(gè)2比特觸發(fā)器，即第一 2比特觸發(fā)器27和第二 2比特觸發(fā)器29，串聯(lián)至隨后的電極驅(qū)動(dòng)器上的第三2比特觸發(fā)器和第四2比特觸發(fā)器，從而第一 2比特觸發(fā)器的輸出連接第三2比特觸發(fā)器的輸入，第二 2比特觸發(fā)器的輸出連接第四2比特觸發(fā)器的輸入。然后，第一和第二 2比特觸發(fā)器的輸出用作用于第一給定的電極驅(qū)動(dòng)器的邏輯信號，第三和第四2比特觸發(fā)器的輸出用作用于隨后的第二電極驅(qū)動(dòng)器的邏輯信號。這樣，帶有兩個(gè)不同時(shí)鐘循環(huán)的兩個(gè)系列的2比特觸發(fā)器是菊花鏈系列串(daisy chain)式地通過帶狀物以形成移位寄存器。同樣在這里可以使用其它類型的觸發(fā)器或鎖存器代替觸發(fā)器以形成菊花鏈系列串(daisychain)數(shù)據(jù)傳輸電路。有利的，使用的觸發(fā)器類型是邊沿觸發(fā)D-觸發(fā)器和/或主從D-觸發(fā)器。從圖I和圖7可以看出，控制電路30驅(qū)動(dòng)互連電極驅(qū)動(dòng)器31的總線25。支撐功能單元35提供所有的電源電壓(S卩，在本示例性具體實(shí)施例中由兩根電源電 壓輸送線和兩根地線組成)和基準(zhǔn)正弦波以控制電流供給單元17，其在各電極15上作為單獨(dú)的注入電流源進(jìn)行操作。線路“安全保護(hù)”由另外的電流源(41)驅(qū)動(dòng)。如果電極驅(qū)動(dòng)器31的其中一個(gè)打開其板載注入電流源，“安全保護(hù)”線路切換到一個(gè)電阻36 (例如，如在圖5b所示的I千歐)。開關(guān)34和電阻36—起形成一個(gè)安全保護(hù)單元22，其是電極驅(qū)動(dòng)器31的集成電子元件33的一部分。如果，偶然的，幾個(gè)電極驅(qū)動(dòng)器31將其板載的注入電流源同時(shí)打開，“安全保護(hù)”線路上的電流將通過幾個(gè)各自的電阻分流，因此“安全保護(hù)”線路上的電壓將下降到閾值以下。這樣的情況由顯示在圖7中的支撐功能單元35檢測，結(jié)果，切斷電源線以防止過量的電流注入。在一個(gè)優(yōu)選的具體實(shí)施例中，每個(gè)電極驅(qū)動(dòng)器31可以具有不同的功能，如表I和表2中示出的。電極驅(qū)動(dòng)器31可以作為一個(gè)注入電流源，作為基準(zhǔn)電位，連接電極與模擬總線Al或A2,或結(jié)合所有這些功能。在圖3中顯示了電流供給單元17的優(yōu)選的實(shí)施。該電流供給單元17包括一組命令開關(guān)用于連接電極與注入電流供給或基準(zhǔn)電位(例如接地)。圖3中所示的示例性的電流供給單元17包括10千歐(如用IOk表示的)或82歐姆(如用82R表示的)電阻元件和具有100毫微法(由IOOn表示的)電容的電容器。在圖4中顯示了電壓緩沖單元19的優(yōu)選實(shí)施。該電壓緩沖單元19包括第一和第二電壓緩沖器以及分別用于連接電極緩沖器與模擬采樣線Al和A2的兩個(gè)各自的命令開關(guān)。可選擇的，切換電極驅(qū)動(dòng)器31以便電極是無源的，即電極與所有模擬信號線(即Al和A2)和電極斷開連接。如描述在圖7中的，在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選具體實(shí)施例中，電極驅(qū)動(dòng)器31由包含四個(gè)功能塊一個(gè)掃描單元23，一個(gè)模擬檢測單元37，一個(gè)支撐功能單元35，和一個(gè)計(jì)算單元39的控制電路30控制。掃描單元23作出用于每個(gè)電極驅(qū)動(dòng)器31的兩個(gè)2比特命令。I個(gè)2比特命令限定電極驅(qū)動(dòng)器31的電流注入功能，另一個(gè)2比特命令限定它的檢測功能，如表I和表2中所不的。表I :AC電流注入命令結(jié)構(gòu)。NOP意思是“沒有操作”，即沒有連接到電極
功能 Γ ~ΓΤΙ~ 開關(guān)I I開關(guān)3 j開關(guān)5 NOPO O斷開斷開斷開
電流源 i ο ISWm~
參考電位 ο i WW 11表2檢測命令結(jié)構(gòu)
權(quán)利要求
1.用于EIT掃描裝置(11)的電極組件包括 -電極(15), -電流供給單元(17)， -電壓緩沖單元(19)， -開關(guān)邏輯單元(21)， -用于將電流供給單元(17)和電壓緩沖單元(19)與電極(15)連接的線路， -用于將電流供給單元(17)和電壓緩沖單元(19)與開關(guān)邏輯單元(21)連接的線路，以及 -開關(guān)邏輯單元(21)與用于根據(jù)從開關(guān)邏輯單元(21)接收到的數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)電流供給単元(17)和電壓緩沖單元(19)的開關(guān)相接觸， 其特征在干， 開關(guān)邏輯單元(21)包括第一移位寄存器(27)的至少ー個(gè)元件和第二移位寄存器(29)的至少ー個(gè)元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電極組件，其特征在于，移位寄存器(27，29)的元件由兩個(gè)不同的時(shí)鐘、時(shí)鐘速率和/或時(shí)鐘線控制。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的電極組件，其特征在于，移位寄存器(27，29)的元件位于電極附近。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的電極組件，其特征在于，所述的第一移位寄存器(27)的至少ー個(gè)元件和/或所述的第二移位寄存器(29)的至少ー個(gè)元件是觸發(fā)器，優(yōu)選2比特觸發(fā)器。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的電極組件，其特征在于，開關(guān)邏輯單元(21)包括用于通過至少ー個(gè)第一開關(guān)連接電流供給單元(17)和電極(15)的第一移位寄存器的至少ー個(gè)元件，和用于通過至少ー個(gè)第二開關(guān)連接電壓緩沖單元(19)和模擬線Al及A2的第二移位寄存器(29)的至少ー個(gè)元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電極組件，其特征在于，設(shè)置ー個(gè)由第一移位寄存器(27)的ー個(gè)元件控制的第三開關(guān)，用于連接電極(15)與參考電位。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的電極組件，其特征在于，第一移位寄存器(27)的至少一個(gè)元件與第一及第三開關(guān)連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求5 7任一所述的電極組件，其特征在干，電壓緩沖單元(19)包括第一和第二電壓緩沖器、所述第二開關(guān)和用于將第一和第二電壓緩沖器之一或兩者連接各自的第一和第二模擬線Al及A2的第四開關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電極組件，其特征在于，第二移位寄存器(29)的至少ー個(gè)元件與第二及第四開關(guān)連接。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的電極組件，其特征在干，進(jìn)ー步的或第五開關(guān)設(shè)置用于將基準(zhǔn)信號線，通常是正弦波，與電流供給單元(17)連接。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的電極組件，其特征在干，電流供給單元(17)、電壓緩沖單元(19)、移位寄存器(27，29)的元件和開關(guān)集成在集成電路(33)中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電極組件，其特征在于，集成電路(33)設(shè)置在電極(15)上或連接電極(15)。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的電極組件，其特征在于，具有安全保護(hù)單元(22)，例如比較器電路，與第二電流源(41)連接，設(shè)置用于檢測通過所述第二電流源(41)的電壓降。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電極組件，其特征在于，安全保護(hù)單元(22)包括至少ー個(gè)電阻和開關(guān)，開關(guān)與開關(guān)邏輯單元(21)接觸，每當(dāng)電極(15)作為注入電極時(shí)，開關(guān)可控制地將第二電流源(41)連接至電阻。
15.帯狀裝置(13)包括多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求I 14所述的電極組件(31)，以間隔開的關(guān)系設(shè)置在支撐帶元件上，所述支撐帶元件還包括用于將電極組件(31)的電流供給單元(17),電壓緩沖單元(19)和開關(guān)邏輯單元(21)與控制電路(30)連接的連接線(25)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的帶狀裝置，其特征在于，相鄰的電極組件(31)的開關(guān)邏輯單元(21)彼此串聯(lián)連接。
17.根據(jù)權(quán)利要求15和16任一所述的帶狀裝置，其特征在于，不同的電極組件(31)的電流供給單元(17)和電壓緩沖單元(19)彼此并聯(lián)連接。
18.根據(jù)權(quán)利要求15 17任一所述的帶狀裝置，其特征在于，設(shè)置有連接第二電流源(41)和所有電極(15)的安全保護(hù)連接線，用于通過多個(gè)注入電流源(17)檢測同時(shí)發(fā)生的電流注入。
19.根據(jù)權(quán)利要求15 20任一所述的帶狀裝置，其特征在于，設(shè)置了控制電路(30)，包括 掃描單元(23)， 檢測單元(37)， 支撐功能單元(35)，和 計(jì)算單元(39)， 所述單元通過連接線(25)與電極組件(31)接觸。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的帶狀裝置，其特征在干，檢測單元包括第一和第二差分放大器以及連接至所述第一和第二差分放大器的第一和第二 A/D轉(zhuǎn)換器。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的帶狀裝置，其特征在于，所述第一和第二差分放大器包括兩個(gè)不同的増益。
22.根據(jù)權(quán)利要求19 21任一所述的帶狀裝置，其特征在干，掃描單元(23)設(shè)計(jì)用于提供用于控制第一移位寄存器(27)的至少ー個(gè)元件和第二移位寄存器(29)的至少ー個(gè)元件的數(shù)據(jù)信號，以及用于計(jì)時(shí)第一移位寄存器(27)的至少ー個(gè)元件和第二移位寄存器(29)的至少ー個(gè)元件的時(shí)鐘信號。
23.根據(jù)權(quán)利要求19 22任一所述的帶狀裝置，其特征在于，支撐功能単元(35)設(shè)計(jì)用于提供電源電壓和參考信號給注入電流源(17 )。
24.通過使用以間隔開的關(guān)系設(shè)置的多個(gè)電極組件(31)檢測EIT圖像的方法，每個(gè)電極組件包括 -電極(15), -電流供給單元(17)， -電壓緩沖單元(19)， -開關(guān)邏輯單元(21)，-用于將電流供給單元(17)和電壓緩沖單元(19)與電極(15)連接的線路， -用于將電流供給單元(17)和電壓緩沖單元(19)與開關(guān)邏輯單元(21)連接的線路，以及 -開關(guān)邏輯單元(21)與用于根據(jù)從開關(guān)邏輯單元(21)接收到的數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)電流供給単元(17)和電壓緩沖單元(19)的開關(guān)相接觸， 電極組件通過用于將電流供給單元(17)、電壓緩沖單元(19)和開關(guān)邏輯單元(21)與控制電路(30)連接的連接線(25)進(jìn)行連接， 其特征在干，開關(guān)邏輯用第一移位寄存器(27)的至少ー個(gè)元件和第二移位寄存器(29)的至少ー個(gè)元件進(jìn)行控制。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述第一移位寄存器(27)和所述第二移位寄存器(29)每個(gè)由不同的時(shí)鐘、不同的時(shí)鐘速率和/或不同的時(shí)鐘線控制。
26.根據(jù)權(quán)利要求24或25所述的方法，其特征在于，由電極進(jìn)行的電流注入由用于防止一次經(jīng)ー個(gè)以上電極(15)同時(shí)發(fā)生電流注入的安全保護(hù)單元(22)進(jìn)行控制。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，安全保護(hù)單元(22)包括至少ー個(gè)電阻和開關(guān)，開關(guān)與開關(guān)邏輯單元(21)接觸，每當(dāng)電極(15)作為注入電極時(shí)，開關(guān)可控制地將第二電流源(41)連接至電阻。
全文摘要
用于EIT掃描裝置(11)的電極組件包括電極(15)、電流供給單元(17)、電壓緩沖單元(19)、開關(guān)邏輯單元(21)、以及用于連接不同元件的線路，其中開關(guān)邏輯單元(21)包括第一移位寄存器(27)的至少一個(gè)元件和第二移位寄存器(29)的至少一個(gè)元件。帶狀裝置包括多個(gè)所述電極組件。用于檢測EIT圖像的方法使用這種優(yōu)選布置在這樣一種帶狀裝置中的電極組件。
文檔編號G01N27/04GK102821684SQ201180013816
公開日2012年12月12日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月16日
發(fā)明者約瑟夫克斯·布倫納, 尼古拉斯·羅比塔耶, 帕斯卡爾·奧利維爾·加格羅 申請人:斯威斯托姆公開股份有限公司