Розроблення та макетування імпедансного томографа для вимірювання розподілення комплексних опорів

Structure and concepts of impedance CT scan for complex resistance distribution measurements of EIT section are proposed. The prototype of the CT scanner and the results of modeling are represented. Tomograph allows the impedance measurements inclusive transfer resistance for building a phantom (output voltage module and phase shift between output voltage and sours current). This allows you to extend the capabilities of diagnostic imaging in biology, medicine and technology. A prototyping tool showed both the opportunity and the relative ease of creating hardware tomograph. Experience has shown the need to reduce layout instrumental amplifier noise using narrowband filters.В статье предложены структурная и принципиальная схемы импедансного томографа, который позволяет проводить измерения комплексного передаточного сопротивления по обводу фантома (модуля выходного напряжения и сдвига фаз между этим напряжением и током задающего источника). Это позволяет расширить возможности томографии для диагностики в биологии, медицине и технике. Проведено макетирование прибора, которое показало как саму возможность, так и относительную простоту создания аппаратной части томографа. Опыт эксплуатации макета показал необходимость уменьшения собственных шумов инструментального усилителя при помощи узкополосных фильтров.В статті запропоновано структуру та принципову схему імпедансного томографа, який дозволяє проводити вимірювання комплексного передаточного опору по обводу фантома (модуля вихідної напруги та зсуву фаз між цією напругою і струмом джерела дії). Це дозволяє розширити можливості томографії для діагностики в біології, медицині та техніці. Проведено макетування приладу, яке показало як саму можливість, так і відносну простоту створення апаратної частини томографа. Досвід експлуатації макета показав необхідність зменшення власних шумів інструментального підсилювача за допомогою вузько смугових фільтрів

Чутливість напруг по обводу контуру фантома до змін комплексних опорів неоднорідностей в електроімпедансній томографії

Introduction. The analysis of surface conductivity influence of inhomogeneities to the changes of complex phantom contour voltages comparing with a homogeneous phantom with complex surface conductivity is carried out. The analysis of the influence of finite element and all phantom generally anisotropy on the calculated complex voltages is conducted. The results. The model of square finite element is obtained. It consists of 1024х1024 finite elements obtained by simplified approximate formulas. The relative increments of voltage values are unchanged regardless of the difference in the absolute values of voltages measured at different positions of the current source. It is proposed to rotate the phantom grids of finite elements and conductivity zones with the current source rotation to overcome this anisotropy. Conclusions. Final conclusions about the limits of the measuring device sensitivity could be done only after the data accumulation of solving the inverse problem by zones conductivity method.Проведен анализ влияния значений поверхностной проводимости неоднородностей на изменение значений комплексных напряжений по обводу контура фантома в сравнении с однородным фантомом с комплексной поверхностной проводимостью. Выполнен анализ влияния анизотропии конечного элемента и всего фантома в целом на вычисляемые комплексные напряжения. Получена модель конечного квадратного элемента, составленного из 1024х1024 конечных элементов, полученных по упрощенным формулам. Отмечено, что независимо от разницы абсолютных значений напряжений, вычисленных при различных положениях источника тока, их относительные приращения остаются неизменными. Для борьбы с такого рода анизотропией предложено вместе с источником поворачивать сетки фантомов, как конечных элементов, так и зон проводимости. Окончательные выводы о границах чувствительности измерительных устройств можно будет сделать после накопления статистических данных решения обратной задачи, выбранным авторами метода зон проводимости.Проведено аналіз впливу значень поверхневої провідності неоднорідностей на зміну значень комплексних напруг по обводу контуру фантома, порівняно з однорідним фантомом з комплексною поверхневою провідністю. Проведено аналіз впливу анізотропії скінченного елемента та всього фантома в цілому на обчислювані комплексні напруги. Отримано модель скінченного квадратного елемента, який складається з 1024х1024 скінченних елементів, отриманих по спрощеним наближеним формулам. Констатовано, що незалежно від різниці абсолютних значень напруг, виміряних при різних положеннях джерела струму, їх відносні прирощення залишаються незмінними. Для боротьби з такого роду анізотропією запропоновано разом з джерелом обертати сітки фантомів, як скінченних елементів, так і зон провідності. Остаточні висновки про межі чутливості вимірювальних пристроїв можна буде зробити лише після накопичення статистичних даних розв’язання зворотної задачі, обраним авторами методом зон провідності

Аналіз джерел струму на операційних підсилювачах, згідно вимог їх прецизійності в широкій смузі робочих частот для задач електроімпедансної томографії

Introduction. The typical approaches for the current sources designing are considered. The difficulties of providing their precision in a wide frequency range are formulated. The necessary requirements for their precision in a wide frequency range are also specified. Formulation  of the problem. The most of existing current sources are implemented using operational amplifiers. It is shown by short review of them. Such solutions do not fully provide the requirements of precision in their work in a wide frequency range. The possibility of using operational amplifiers is analyzed; the limits of their application are determined. The research methods and the analysis of results. The load current on the frequency analytical dependencies for these schemes were calculated and critically analyzed. The results are illustrated on the graphs. The ratios for practical recommendations for such schemes designing are calculated. Conclusions.  The arguments for inexpediency of operational amplifiers application for schemes of current sources in all frequency range are presented. The operational amplifiers with a greater bandwidth should be used for large load resistance values. The other elements of the electrical circuits (namely transconductance amplifiers) using is proposed.В работе рассмотрены особенности функционирования  двух классических схем источников тока для электоимпедансной  томографии, - операционный усилитель с нагрузкой в цепи обратной связи и схема Хауленда в широкой полосе частот. В каждой из схем использован операционный усилитель и отрицательная обратная связь по току для увеличения выходного сопротивления этих схем. Приведены соответствующие аналитические зависимости тока нагрузки от частоты для обоих источников. Даны практические  рекомендации при выборе операционных усилителей для таких схем, учитывая требования к прецизионности в  широкой полосе частот.В роботі розглянуті особливості функціонування двох класичних схем джерел струму в ЕІТ, - операційний підсилювач з навантаженням (досліджуваним об’єктом) у колі зворотного зв’язку, та схеми Хауленда в широкій смузі частот. В кожній зі схем використаний ОП та негативний ЗЗ за струмом для збільшення вихідного опору цих джерел. Приведені відповідні аналітичні залежності струму навантаження від частоти для обох джерел. Надані практичні рекомендації при виборі ОП для таких схем, згідно вимог їх прецизійності в широкійсмузі частот

Потенційна чутливість імпедансної томографії

The analysis of EIT phantom outline voltage measuring accuracy is carried out in this article. This accuracy is necessary for exposure of single inhomogeneity presence: "small" (it’s square is equal 3% of global phantom square), "middle" (8,5%) and “big” (19,59%) with different surface conductivity values of these inhomogeneities (background is phantom with surface conductivity σ=1). Measuring was imitated by homogeneous phantom and phantoms with inhomogeneities voltage calculating and voltage difference computing (increment) between homogeneous phantom and phantoms with inhomogeneities. Inhomogeneities with bigger surface conductivity value than background conductivity value give significantly less voltage increments than inhomogeneities with smaller surface conductivity value than background. More sensitivity with closer position to phantom outline and bigger inhomogeneities size is illustrated by means of numerous increments values. Necessary measuring accuracy numerical assessments are proposed for considered inhomogeneities.В работе проведен анализ точности измерений в импедансной томографии напряжений по обводу фантома, необходимой для выявления (по измерениям) наличия отдельных неоднородностей: «маленькой» (площадь составляет 3% от общей площади фантома), «средней» (8,5%) и «большой» (19,59%) при разных значениях поверхностной проводи мости этих неоднородностей (на фоне фантома с поверхностной при σ=1). Измерения были сымитированы расчетами напряжений равномерного фантома, фантомов с неоднородностями и расчетом разницы напряжений (приращений) между равномерным фантомом и фантомами с неоднородностями. Показано, что неоднородности с поверхностной проводимостью большей, чем проводимость «фона» дают значительно меньшие приращения напряжений, чем неоднородности с меншими проводимостями, чем у фона.В роботі проведено аналіз точності вимірювань в імпедансній томографії напруг по обводу фантома, необхідної для розрізнення (по вимірюванням) наявності поодиноких неоднорідностей: «маленької» (площа становить 3% від загальної площі фантома), «середньої» (8,5%) та «великої» (19,59%) при різних значеннях поверхневої провідності цих неоднорідностей (на фоні фантома з поверхневою провідністю σ=1). Вимірювання було імітовано розрахунками напруг рівномірного фантома, фантомів з неоднорідностями та обчисленням різниць напруг (прирощень) між рівномірним фантомом та фантомами з неоднорідностями. Показано, що неоднорідності з поверхневою провідністю, більшою, ніж провідність «фону» дають суттєво менші прирощення напруг, ніж неоднорідності з меншими, ніж «фону» провідностям. Проілюстровано (чисельними значеннями прирощень) більшу чутливість при розташуванні неоднорідностей ближче до краю фантома та більших за розміром неоднорідностей. Наведено числові оцінки необхідної точності вимірювань для розглянутих варіантів неоднорідностей

Чутливість в електроімпедансній томографії

Introduction. The concept of sensitivity in Electrical Impedance Tomography is introduced (first – fourth type). The experimental researches measuring the voltages on the phantom outline are conducted on the created layout (for uniform cylindrical vessel with brine and placed inhomogeneities in a vessel). The main part. The inverse problems are solved for simulated on PC phantom (the third type sensitivity) and from measured results (the fourth type sensitivity) by conductivity zones method using regularization by A. Tykhonov. The sensitivity to conductivity increasing of elements inside the phantom is significantly less than the sensitivity to resistance increasing. The results of measured voltages processing and the results of projection reconstruction (obtained from mathematical model and from measured results) are described. Conclusions. The satisfactory agreements of reconstruction results between themselves and with mathematical and measured phantoms are shown.Введено понятие чувствительности в электроимпедансной томографии (первого…четвертого рода). Проведено экспериментальные исследования по измерению напряжений по обводу контура на созданном макете (для равномерного цилиндрического сосуда с раствором соли и с размещенными в сосуде неоднородностями). Методом зон проводимости (с использованием регуляризации по А.Н. Тихонову) решено обратные задачи электроимпедансной томографии для фантома, имитированного на ЭВМ (чувствительность третьего рода) и по результатам натурных измерений (чувствительность четвертого рода). Чувствительность (первого…четвертого рода) к увеличению проводимости графоэлементов в середине фантома оказалась значительно меньшей, чем чувствительность к увеличению сопротивления. Приведено результаты обработки измеренных напряжений и результаты реконструкции по проекциям, полученным по математической модели и по результатам натурных измерений. Показано удовлетворительное совпадение полученных результатов реконструкции между собою, а также с математическим и натурным фантомами.Введено поняття чутливості в електроімпедансній томографії (першого…четвертого роду). Проведено експериментальні дослідження по вимірюванню напруг по обводу контуру на створеному макеті (для рівномірного циліндричної судини з розчином солі та з розміщеними в судині неоднорідностями). Методом зон провідностей (з використанням регуляризації за А.Н. Тихоновим) розв’язано зворотні задачі електроімпедансної томографії для фантома, імітованого на ЕОМ (чутливість третього роду) та за результатами натурних вимірювань (чутливість четвертого роду). Чутливість (першого…четвертого роду) до збільшення провідності графоелементів усередині фантома виявилася значно меншою, ніж чутливість до збільшення опору. Наведено результати оброблення виміряних напруг та результати реконструкції за проекціями, отриманими за математичною моделлю та за результатами натурних вимірювань. Показане задовільне співпадіння отриманих результатів реконструкції між собою та з математичним і натурним фантомами

Оцінка рівня кавітації методами імпедансної томографії

In article is offered the technique of an estimation of presence and development degree cavitations to a liquid in pipes methods of an impedance tomography. For technique realization are used methods of reconstruction of an image with use of a method of final elements and a method of "zones" of conductivity on electric model of the phantom (tomography slice) in the form of squares of resistance with two diagonals and the "zones" consisting of these squares. Presence of the integrated zones provides radical reduction of usages of systems in systems of the equations of iterative procedure of Newton-Rafsona (at number increase reconstruction phantoms). Resolution of a method of reconstruction remains same, as well as for classic a method of final elements. The problem of conditionality of a matrix derivative of transfer resistance on surface conductivity of the phantom is thus eliminated. The choice of the form of "zones" of conductivity defines accuracy of reconstruction at a various arrangement of heterogeneity in the phantom.В статье предлагается методика оценки наличия и степени развития кавитации жидкости в трубах методами импеданс ной томографии. Для реализации методики используются методы реконструкции образа с использованием метода конечных элементов и метода «зон» проводимости по электрической модели фантома (томографического сечения) в виде квадратов сопротивлений с двумя диагоналями и «зон», состоящих из этих квадратов. Наличие укрупнённых зон обеспечивает радикальное уменьшение порядков систем в системах уравнений итерационной процедуры Ньютона-Рафсона (при увеличении числа реконструированных фантомов). Разрешающая способность метода реконструкции остаётся такой же, как и для классического метода конечных элементов. При этом устраняется проблема обусловленности матрицы производных от передаточных сопротивлений по поверхностной проводимости фантома. Выбор формы «зон» проводимости определяет точность реконструкции при различном расположении неоднородности внутри фантома.В статті запропоновано методику оцінки наявності і степені розвитку кавітації рідини в трубах методами імпедансної томографії. Для реалізації методики використовуються методи реконструкції образу з використанням методу кінцевих елементів та методу «зон» провідності по електричній моделі фантома (томографічного розтину) у вигляді квадратів опорів з двома діагоналями та «зон», які складаються з цих квадратів. Наявність укрупнених «зон» забезпечує радикальне зменшення порядків систем в системах рівнянь ітераційної процедури Ньютона-Рафсона (при збільшенні кількості реконструйованих фантомів). Геометрична роздільна здатність методу реконструкції залишається такою самою, як і для класичного методу кінцевих елементів. При цьому не виникає проблема зумовленості матриці похідних від передаточних опорів по поверхневим провідностям фантома. Вибір форми «зон» провідності визначає точність реконструкції при різному розташуванні неоднорідності усередині фантома

THE CASE OF SURGICAL TREATMENT OF A CHILD WITH A DOUBLING OF THE ILEUM

This clinical observation was carried out over a teenager at age 17 with long lasting doubling of the ileum, formation of sinus openings in the lumen of the intestine, exhibited by recurrent intestinal bleeding and abdominal pain. Surgery was the only way to effectively treat the child. The indications for surgery were the clinical manifestations of chronic invagination resistant to conservative treatment

Assessing the level of cavitation methods impedance tomography

В статті запропоновано методику оцінки наявності і степені розвитку кавітації рідини в трубах методами імпедансної томографії. Для реалізації методики використовуються методи реконструкції образу з використанням методу кінцевих елементів та методу «зон» провідності по електричній моделі фантома (томографічного розтину) у вигляді квадратів опорів з двома діагоналями та «зон», які складаються з цих квадратів. Наявність укрупнених «зон» забезпечує радикальне зменшення порядків систем в системах рівнянь ітераційної процедури Ньютона-Рафсона (при збільшенні кількості реконструйованих фантомів). Геометрична роздільна здатність методу реконструкції залишається такою самою, як і для класичного методу кінцевих елементів. При цьому не виникає проблема зумовленості матриці похідних від передаточних опорів по поверхневим провідностям фантома. Вибір форми «зон» провідності визначає точність реконструкції при різному розташуванні неоднорідності усередині фантомаIn article is offered the technique of an estimation of presence and development degree cavitations to a liquid in pipes methods of an impedance tomography. For technique realization are used methods of reconstruction of an image with use of a method of final elements and a method of "zones" of conductivity on electric model of the phantom (tomography slice) in the form of squares of resistance with two diagonals and the "zones" consisting of these squares. Presence of the integrated zones provides radical re-duction of usages of systems in systems of the equations of iterative procedure of Newton-Rafsona (at number increase reconstruction phantoms). Resolution of a method of reconstruc-tion remains same, as well as for classic a method of final elements. The problem of condi-tionality of a matrix derivative of transfer resistance on surface conductivity of the phantom is thus eliminated. The choice of the form of "zones" of conductivity defines accuracy of reconstruction at a various arrangement of heterogeneity in the phantomВ статье предлагается методика оценки наличия и степени развития кавитации жидкости в трубах методами импеданс ной томографии. Для реализации методики используются методы реконструкции образа с использованием метода конечных элементов и метода «зон» проводимости по электрической модели фантома (томографического сечения) в виде квадратов сопротивлений с двумя диагоналями и «зон», состоящих из этих квадратов. Наличие укрупнённых зон обеспечивает радикальное уменьшение порядков систем в системах уравнений итерационной процедуры Ньютона-Рафсона (при увеличении числа реконструированных фантомов). Разрешающая способность метода реконструкции остаётся такой же, как и для классического метода конечных элементов. При этом устраняется проблема обусловленности матрицы производных от передаточных сопротивлений по поверхностной проводимости фантома. Выбор формы «зон» проводимости определяет точность реконструкции при различном расположении неоднородности внутри фантом

СЛУЧАЙ ОПЕРАТИВНОГО ЛЕЧЕНИЯ РЕБЕНКА С УДВОЕНИЕМ ПОДВЗДОШНОЙ КИШКИ

This clinical observation was carried out over a teenager at age 17 with long lasting doubling of the ileum, formation of sinus openings in the lumen of the intestine, exhibited by recurrent intestinal bleeding and abdominal pain. Surgery was the only way to effectively treat the child. The indications for surgery were the clinical manifestations of chronic invagination resistant to conservative treatment. Настоящее клиническое наблюдение проведено за подростком в возрасте 17 лет с длительно протекающим удвоением подвздошной кишки, образованием свищевых отверстий в просвет кишки, что проявилось рецидивирующими кишечными кровотечениями и абдоминальными болями. Оперативное вмешательство стало единственным методом эффективного лечения ребенка. Показанием для проведения операции послужили клинические проявления хронической кишечной инвагинации, не поддающейся консервативному лечению.