Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для визуализации и диагностики патологических изменений в тканях груди и других органах, находящихся в непосредственной близости от поверхности тела. The invention relates to the field of medical technology and can be used to visualize and diagnose pathological changes in breast tissue and other organs located in close proximity to the surface of the body.
Известно, что многие опухоли, в частности злокачественные опухоли молочной железы, обладают электропроводностью, существенно отличающейся от электропроводности окружающих здоровых тканей [В. Rigaud, J.P. Morucci and N. Chauveau, "Bioelectrical impedance techniques in medicine. Part I: Bioimpedance measurement. Second section: impedance spectrometry", Crit. Rev. Biomed. Eng. 1996, 24 (4-6), p. 257-351]. Этот факт может быть использован для обнаружения и локализации таких опухолей. Известны устройства для визуализации пространственного распределения электропроводности (импеданса) внутри тела, например электроимпедансный томограф [А.В. Корженевский, В.Н. Корниенко, М. Ю. Культиасов, Ю.С. Культиасов, В.А. Черепенин. Электроимпедансный компьютерный томограф для медицинских приложений // Приборы и техника эксперимента, 1997, N 3, с. 133-140]. В электроимпедансном томографе к парам электродов, расположенных вдоль замкнутого контура на поверхности тела, подключают источник переменного тока, а на остальных парах электродов измеряют разности потенциалов. Результаты измерений, полученные при различных комбинациях подключений электродов, используют для реконструирования с помощью вычислительного устройства распределения электропроводности в плоскости контура электродов. Такой томограф не позволяет реконструировать трехмерные распределения электропроводности, а его разрешающая способность быстро падает от периферии к центру контура электродов и недостаточна для диагностики опухолей груди. It is known that many tumors, in particular malignant tumors of the mammary gland, have electrical conductivity significantly different from the electrical conductivity of surrounding healthy tissues [B. Rigaud, J.P. Morucci and N. Chauveau, "Bioelectrical impedance techniques in medicine. Part I: Bioimpedance measurement. Second section: impedance spectrometry", Crit. Rev. Biomed. Eng. 1996, 24 (4-6), p. 257-351]. This fact can be used to detect and localize such tumors. Known devices for visualizing the spatial distribution of electrical conductivity (impedance) inside the body, for example, an electric impedance tomograph [A.V. Korzhenevsky, V.N. Kornienko, M. Yu. Kultiasov, Yu.S. Kultiasov, V.A. Cherepenin. Electric impedance computed tomograph for medical applications // Instruments and experimental technique, 1997, N 3, p. 133-140]. In an electric impedance tomograph, an alternating current source is connected to pairs of electrodes located along a closed circuit on the surface of the body, and potential differences are measured on the remaining pairs of electrodes. The measurement results obtained with various combinations of electrode connections are used to reconstruct the conductivity distribution in the plane of the electrode contour using a computing device. Such a tomograph does not allow reconstructing the three-dimensional distributions of electrical conductivity, and its resolution quickly drops from the periphery to the center of the electrode circuit and is insufficient for the diagnosis of breast tumors.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является электроимпедансный маммограф [A. Nowakovsky, J. Wortek and J. Stelter, "A technical university of Gdansk electroimpedance mammograph", Proc. IX Int. Conf. Electrical Bio- impedance, Heidelberg, 1995, p. 434-437; J. Wortek, J. Stelter, A. Nowakovsky, "Impedance mammograph 3D phantom studies", Proc. X Int. Conf. Electrical Bio-Impedance, Barcelona, 1998, p. 521-524] , содержащий двумерный набор электродов, расположенных на внутренней поверхности жесткой полусферы, мультиплексоров, подключающих к различным парам электродов источник переменного тока и измеритель разности потенциалов. Измеренные разности потенциалов передаются в вычислительное устройство, осуществляющее реконструирование и визуализацию трехмерного распределения импеданса внутри полусферы. К настоящему моменту не были опубликованы данные, подтверждающие работоспособность этого устройства при измерениях на человеческом теле. Это обусловлено рядом его недостатков. Расположение электродов на полусферической поверхности ограничивает применимость устройства, поскольку контакт со всеми электродами может быть обеспечен только для груди определенного размера, заданного радиусом полусферы. При этом в устройстве нет элементов, позволяющих оценивать качество каждого контакта, а также корректировать процесс реконструирования изображения в случае наличия электродов с недостаточным контактом, что уменьшает достоверность обследования. Источник тока и измеритель разности потенциалов подключаются к парам электродов, располагающимся на полусфере, что требует наличия четырех мультиплексоров, являющихся при большом числе электродов наиболее сложной и дорогой частью устройства, вносящей наибольшие помехи в результаты измерений из-за межканального проникновения сигналов. В прототипе использовано всего 64 электрода, что явно недостаточно для получения удовлетворительной разрешающей способности, однако дальнейшее увеличение их количества затруднено в значительной степени из-за сложности коммутации при выбранной схеме измерения. Из-за относительно малого расстояния между электродами, измеряемые разности потенциалов, в случае использования тока безопасной величины, оказываются небольшими, что уменьшает отношение сигнал/шум и качество визуализации, а при увеличении количества электродов ситуация еще ухудшится. Используемый способ реконструирования изображений, основанный на методе возмущений, требует для 64 электродной системы порядка 10 минут вычислений на рабочей станции, существенно превосходящей по производительности современные персональные компьютеры. Уже для 180 электродов - количества, минимально необходимого для практического применения устройства, по оценкам авторов прототипа потребуется порядка 10 часов счета [A. Nowakovsky, J. Wortek and J. Stelter, "A technical university of Gdansk electroimpedance mammograph", Proc. IX Int. Conf. Electrical Bio-Impedance, Heidelberg, 1995, p. 434-437], что неприемлемо в клинической практике. The closest in technical essence to the proposed device is an electrical impedance mammograph [A. Nowakovsky, J. Wortek and J. Stelter, "A technical university of Gdansk electroimpedance mammograph", Proc. IX Int. Conf. Electrical Bio-impedance, Heidelberg, 1995, p. 434-437; J. Wortek, J. Stelter, A. Nowakovsky, "Impedance mammograph 3D phantom studies", Proc. X Int. Conf. Electrical Bio-Impedance, Barcelona, 1998, p. 521-524], containing a two-dimensional set of electrodes located on the inner surface of the rigid hemisphere, multiplexers connecting an alternating current source and a potential difference meter to different pairs of electrodes. The measured potential differences are transmitted to a computing device that performs reconstruction and visualization of the three-dimensional distribution of the impedance within the hemisphere. To date, no data have been published confirming the operability of this device when measured on the human body. This is due to a number of its shortcomings. The location of the electrodes on a hemispherical surface limits the applicability of the device, since contact with all electrodes can only be ensured for a chest of a certain size, given a hemisphere radius. Moreover, the device does not have elements that can evaluate the quality of each contact, as well as adjust the process of reconstructing the image in the presence of electrodes with insufficient contact, which reduces the reliability of the examination. The current source and the potential difference meter are connected to the pairs of electrodes located on the hemisphere, which requires four multiplexers, which, with a large number of electrodes, are the most complex and expensive part of the device, which introduces the greatest interference into the measurement results due to inter-channel signal penetration. In the prototype, only 64 electrodes were used, which is clearly not enough to obtain a satisfactory resolution, however, a further increase in their number is difficult to a large extent due to the complexity of switching with the selected measurement scheme. Due to the relatively small distance between the electrodes, the measured potential differences, when a safe value current is used, turn out to be small, which reduces the signal-to-noise ratio and visualization quality, and with an increase in the number of electrodes the situation will worsen. The perturbation method used for reconstructing images requires for the 64 electrode system about 10 minutes of calculations at the workstation, which significantly exceeds the performance of modern personal computers. Already for 180 electrodes - the amount minimally necessary for the practical use of the device, according to the authors of the prototype, about 10 hours of counting will be required [A. Nowakovsky, J. Wortek and J. Stelter, "A technical university of Gdansk electroimpedance mammograph", Proc. IX Int. Conf. Electrical Bio-Impedance, Heidelberg, 1995, p. 434-437], which is unacceptable in clinical practice.
Целью изобретения является осуществление электрической маммографии путем обеспечения необходимого качества реконструирования и визуализации трехмерного распределения электропроводности в биологических тканях, достигаемого повышением надежности и точности измерений, разрешающей способности и быстродействия. Изобретение открывает для клинического использования новый метод диагностики опухолей груди и других приповерхностных областей. The aim of the invention is the implementation of electrical mammography by ensuring the necessary quality of reconstruction and visualization of the three-dimensional distribution of electrical conductivity in biological tissues, achieved by increasing the reliability and accuracy of measurements, resolution and speed. The invention opens up for clinical use a new method for the diagnosis of breast tumors and other surface areas.
Согласно изобретению устройство для визуализации трехмерного распределения электропроводности биологических тканей и диагностики опухолей груди - электрический маммограф, содержит двумерный набор электродов, располагаемых на поверхности тела, источник переменного тока, измеритель разности потенциалов, выходной мультиплексор, подключающий поочередно электроды к источнику переменного тока, входной мультиплексор, подключающий поочередно электроды к измерителю разности потенциалов и вычислительное устройство, реконструирующее и визуализирующее распределение электропроводности внутри тела по результатам измерений разностей потенциалов. Устройство отличается тем, что к источнику тока и измерителю разности потенциалов подключено по одному дополнительному электроду, которые располагаются на большом расстоянии от двумерного набора электродов, например, на конечностях, при этом источник тока подключается между первым дополнительным электродом и выходным мультиплексором, измеритель разности потенциалов подключается между вторым дополнительным электродом и входным мультиплексором. Схема измерений с дополнительными электродами позволяет уменьшить количество мультиплексоров, поскольку необходимо коммутировать только по одному выводу источника тока и измерителя разности потенциалов, а не по два, как в случае измерений без дополнительных электродов. Это уменьшает помехи, обусловленные межканальным проникновением сигналов в мультиплексорах, а также упрощает и удешевляет устройство. Использование дополнительных электродов увеличивает амплитуду регистрируемых сигналов из-за увеличения расстояния между точками измерения потенциалов и таким образом улучшает соотношение сигнал/шум и точность измерений. Удаленность дополнительных электродов от двумерного набора электродов позволяет предполагать невозмущенное электрическое поле в обследуемой области близким к полю точечного заряда, а эквипотенциальные поверхности сферическими, что упрощает и ускоряет процесс реконструирования электропроводности. Для реконструирования трехмерного распределения электропроводности используется метод обратного проецирования вдоль эквипотенциальных поверхностей электрического поля, причем проецируемые данные получают путем взвешенного усреднения относительной разности между опорной напряженностью электрического поля, соответствующей среде с однородной электропроводностью, и измеренной напряженностью электрического поля вдоль линии пересечения эквипотенциальной поверхности, проходящей через точку, где реконструируется электропроводность, с поверхностью, на которой располагается двумерный набор электродов. Компоненты вектора напряженности электрического поля определяются как разности потенциалов между соседними электродами двумерного набора с последующей двумерной линейной интерполяцией. Метод обратного проецирования является наиболее быстрым среди методов, применяемых в электроимпедансной томографии, однако его использование для трехмерного случая и реконструирование статического распределения электропроводности становится возможным только при надлежащем выборе проецируемых величин и использовании синтезированного опорного набора данных, полученных аппроксимацией реально измеренных потенциалов согласно методике, описанной в [А.В. Корженевский, В.Н. Корниенко, М.Ю. Культиасов, Ю.С. Культиасов, В.А. Черепенин. Электроимпедансный компьютерный томограф для медицинских приложений // Приборы и техника эксперимента, 1997, N 3, с. 133-140]. Поскольку для трехмерного случая проецируемые данные берутся на линии пересечения эквипотенциальной поверхности с поверхностью, на которой расположены электроды, напряженность электрического поля должна быть усреднена вдоль этой линии. Простое усреднение не дает удовлетворительного результата, поскольку наиболее информативной является та часть линии, точки которой ближе всего расположены к точке, где производится реконструирование электропроводности. Чтобы учесть этот факт, необходимо производить взвешенное усреднение с весовой функцией, убывающей с ростом расстояния от текущей точки на линии усреднения до точки, где реконструируется электропроводность. Численное моделирование и экспериментальное исследование показали, что близким к оптимальному является выбор весовой функции вида 1/R4, где R - расстояние от точки, где реконструируется электропроводность, до текущей точки на линии, вдоль которой производится усреднение. Для многих случаев, когда трудно обеспечить достаточный электрический контакт с телом пациента одновременно всех электродов, источник тока может быть снабжен пороговым детектором выходного напряжения, позволяющим определить, имеет ли подключенный в данный момент к источнику тока электрод достаточный контакт с телом. Вычислительное устройство в этом случае использует для реконструирования изображений только данные, измеренные на электродах, имеющих достаточный контакт с телом. Для обеспечения возможности обследований молочной железы при больших вариациях ее размера, двумерный набор электродов располагается на жесткой диэлектрической плоскости, а каждый электрод представляет собой электропроводящий выступ. При обследовании плоскость с электродами прижимают к железе, сплющивая ее по направлению к грудной клетке. Это увеличивает количество электродов, находящихся в контакте с телом, и уменьшает толщину слоя тканей, подлежащего визуализации. Наличие выступающих из плоскости электродов увеличивает давление каждого электрода на кожу и тем самым улучшает его электрический контакт с телом. В зависимости от размера обследуемого объекта, та или иная часть электродов на периферии плоскости не имеет контакта с телом. Такие электроды определяются с помощью упомянутого выше порогового детектора выходного напряжения. При наличии электродов, имеющих недостаточный контакт с телом, в процессе реконструирования электропроводности вместо потенциалов, измеренных на таких электродах, используются значения, вычисленные в предположении об однородном распределении электропроводности в теле. Между электродами кроме полезной разности потенциалов, обусловленной протеканием тока, присутствует также гальваническая разность потенциалов. Работа измерителя разности потенциалов, чувствительного только к переменной составляющей, не нарушается присутствием постоянной гальванической разности потенциалов, однако, из-за различия гальванических потенциалов разных электродов, входное напряжение измерителя изменяется скачком при переключении входного мультиплексора. Переходной процесс при таких скачках влияет на результаты измерений, и это влияние тем больше, чем меньше интервал времени между переключением и началом измерения разности потенциалов. Поэтому для уменьшения погрешности при сохранении общей длительности измерений необходимо, чтобы входной мультиплексор переключал измеритель разности потенциалов на очередной электрод только после того, как выходной мультиплексор выполнит полный цикл подключений источника тока ко всем остальным электродам.According to the invention, a device for visualizing the three-dimensional distribution of the electrical conductivity of biological tissues and diagnosing breast tumors - an electric mammograph, contains a two-dimensional set of electrodes located on the surface of the body, an alternating current source, a potential difference meter, an output multiplexer that alternately connects the electrodes to an alternating current source, an input multiplexer, alternately connecting the electrodes to the potential difference meter and a computing device reconstructing and visualizing the distribution of electrical conductivity inside the body according to the results of measurements of potential differences. The device is characterized in that one additional electrode is connected to the current source and the potential difference meter, which are located at a large distance from the two-dimensional set of electrodes, for example, on the limbs, while the current source is connected between the first additional electrode and the output multiplexer, the potential difference meter is connected between the second additional electrode and the input multiplexer. The measurement scheme with additional electrodes makes it possible to reduce the number of multiplexers, since it is necessary to switch only one output of the current source and the potential difference meter, and not two, as in the case of measurements without additional electrodes. This reduces the interference caused by the inter-channel penetration of signals in the multiplexers, and also simplifies and reduces the cost of the device. The use of additional electrodes increases the amplitude of the recorded signals due to the increase in the distance between the points of potential measurement and thus improves the signal-to-noise ratio and accuracy of measurements. The remoteness of the additional electrodes from the two-dimensional set of electrodes allows us to assume that the unperturbed electric field in the studied region is close to the field of a point charge, and the equipotential surfaces are spherical, which simplifies and accelerates the process of reconstructing electrical conductivity. To reconstruct the three-dimensional distribution of electrical conductivity, the back projection method is used along equipotential surfaces of the electric field, the projected data being obtained by averaging the relative difference between the reference electric field strength corresponding to a medium with uniform electric conductivity and the measured electric field strength along the intersection line of the equipotential surface passing through the point where electrical conductivity is being reconstructed b, with the surface on which the two-dimensional set of electrodes. The components of the electric field vector are defined as the potential difference between adjacent electrodes of a two-dimensional set with subsequent two-dimensional linear interpolation. The reverse projection method is the fastest among the methods used in electrical impedance tomography, however, its use for the three-dimensional case and reconstruction of the static distribution of electrical conductivity becomes possible only with the appropriate choice of projected quantities and the use of a synthesized reference data set obtained by approximating the actually measured potentials according to the method described in [A.V. Korzhenevsky, V.N. Kornienko, M.Yu. Kultiasov, Yu.S. Kultiasov, V.A. Cherepenin. Electric impedance computed tomograph for medical applications // Instruments and experimental technique, 1997, N 3, p. 133-140]. Since for the three-dimensional case, the projected data are taken on the line of intersection of the equipotential surface with the surface on which the electrodes are located, the electric field strength should be averaged along this line. Simple averaging does not give a satisfactory result, since the most informative is the part of the line whose points are closest to the point where the conductivity is reconstructed. To take this fact into account, it is necessary to perform averaged averaging with a weight function that decreases with increasing distance from the current point on the averaging line to the point where the electrical conductivity is reconstructed. Numerical modeling and experimental research have shown that the choice of a weight function of the form 1 / R 4 , where R is the distance from the point where the electrical conductivity is reconstructed to the current point on the line along which averaging is performed, is close to optimal. For many cases when it is difficult to ensure sufficient electrical contact with the patient’s body at the same time of all the electrodes, the current source can be equipped with a threshold output voltage detector, which allows to determine whether the electrode currently connected to the current source has sufficient contact with the body. In this case, the computing device uses only data measured on electrodes having sufficient contact with the body to reconstruct images. To enable the examination of the mammary gland with large variations in its size, a two-dimensional set of electrodes is located on a rigid dielectric plane, and each electrode is an electrically conductive protrusion. During the examination, the plane with the electrodes is pressed against the gland, flattening it towards the chest. This increases the number of electrodes in contact with the body and reduces the thickness of the tissue layer to be visualized. The presence of electrodes protruding from the plane increases the pressure of each electrode on the skin and thereby improves its electrical contact with the body. Depending on the size of the object being examined, one or another part of the electrodes on the periphery of the plane does not have contact with the body. Such electrodes are detected using the threshold output voltage detector mentioned above. In the presence of electrodes having insufficient contact with the body, in the process of reconstructing the electrical conductivity, instead of the potentials measured on such electrodes, the values calculated under the assumption of a uniform distribution of electrical conductivity in the body are used. Between the electrodes, in addition to the useful potential difference due to the flow of current, there is also a galvanic potential difference. The operation of the potential difference meter, sensitive only to the variable component, is not disturbed by the presence of a constant galvanic potential difference, however, due to the difference in the galvanic potentials of different electrodes, the input voltage of the meter changes abruptly when the input multiplexer is switched. The transient process at such jumps affects the measurement results, and this influence is greater, the smaller the time interval between switching and the start of measuring the potential difference. Therefore, to reduce the error while maintaining the total measurement duration, it is necessary that the input multiplexer switches the potential difference meter to the next electrode only after the output multiplexer performs a complete cycle of connecting the current source to all other electrodes.
На фиг. 1 изображена блок-схема электрического маммографа. На фиг. 2 показана блок-схема алгоритма реконструирования и визуализации трехмерного распределения электропроводности. На фиг. 3 изображено расположение элементов устройства при проведении маммографического обследования. На фиг. 4 приведена фотография электрического маммографа (без вычислительного устройства). На фиг. 5 демонстрируется реконструированное распределение электропроводности, полученное по результатам измерений на груди пациента, - электрическая маммограмма. In FIG. 1 is a block diagram of an electric mammograph. In FIG. 2 shows a block diagram of an algorithm for reconstructing and visualizing a three-dimensional distribution of electrical conductivity. In FIG. 3 shows the location of the elements of the device during a mammographic examination. In FIG. Figure 4 shows a photograph of an electric mammograph (without a computing device). In FIG. Figure 5 shows the reconstructed electrical conductivity distribution obtained from measurements on the patient’s chest — an electrical mammogram.
Для подтверждения возможности осуществления изобретения изготовлен лабораторный образец электрического маммографа, блок-схема которого приведена на фиг. 1. Маммограф состоит из двумерного набора электродов 1, состоящего из 256 цилиндрических электродов, расположенных на плоскости. Электроды подключены к выходному 2 и входному 3 мультиплексорам. Выход выходного мультиплексора подключен к одному из выводов источника переменного тока 4, второй вывод которого подключен к дополнительному электроду 5. Выход входного мультиплексора подключен к измерителю разности потенциалов 6, второй вход которого подключен к дополнительному электроду 7. К выходу источника переменного тока 4 подключен пороговый детектор выходного напряжения 8. Адресные входы мультиплексоров 2 и 3, входы управления источником тока 4 и измерителем разности потенциалов б, выход порогового детектора выходного напряжения 8, а также цифровой выход измерителя разности потенциалов 6 подключены к микропроцессорному управляющему устройству 9, которое соединяется с помощью линии связи 10 с персональным компьютером 11. To confirm the possibility of carrying out the invention, a laboratory sample of an electric mammograph was made, a block diagram of which is shown in FIG. 1. The mammograph consists of a two-dimensional set of electrodes 1, consisting of 256 cylindrical electrodes located on a plane. The electrodes are connected to output 2 and input 3 multiplexers. The output of the output multiplexer is connected to one of the terminals of the AC source 4, the second output of which is connected to the additional electrode 5. The output of the input multiplexer is connected to the potential difference meter 6, the second input of which is connected to the additional electrode 7. A threshold detector is connected to the output of the AC source 4 output voltage 8. Address inputs of multiplexers 2 and 3, inputs for controlling a current source 4 and a potential difference meter b, output of a threshold output voltage detector 8, as well as the digital output of the potential difference meter 6 are connected to a microprocessor control device 9, which is connected via a communication line 10 to a personal computer 11.
При подготовке к измерениям предварительно увлажненные дополнительные электроды 5 и 7 располагают на конечностях пациента, двумерный набор электродов 1 прижимают к обследуемой молочной железе так, чтобы плоскость с электродами была параллельна поверхности ребер, см. фиг. 3. По команде с персонального компьютера 11 микропроцессорное управляющее устройство 9 подключает с помощью мультиплексора 2 источник тока 4 к одному из электродов набора 1. Переменный ток с амплитудой порядка 1 мА и частотой 10 кГц протекает по цепи: источник тока 4, мультиплексор 2, электрод из набора 1, тело пациента, дополнительный электрод 5. С помощью мультиплексора 3 микропроцессорное управляющее устройство 9 подключает один из свободных электродов набора 1 ко входу измерителя разности потенциалов 6, который измеряет амплитуду переменного напряжения между электродом из набора 1 и дополнительным электродом 7 и передает ее в цифровом коде микропроцессорному управляющему устройству 9. Это устройство в свою очередь передает результат измерения по линии связи 10 в персональный компьютер 11. Измерения производятся для всех комбинаций подключения электродов из набора 1 к источнику переменного тока 4 и измерителю разности потенциалов 6 с помощью мультиплексоров 2 и 3. Если в процессе измерений электрод, подключенный к источнику переменного тока, имеет недостаточный контакт с телом, выходное напряжение повышается и срабатывает пороговый детектор выходного напряжения 8. Сигнал детектора фиксируется микропроцессорным управляющим устройством 9 и информация о нем передается в персональный компьютер 11, позволяя при реконструировании распределения проводимости исключить данные, измеренные с использованием этого электрода. Измеренные данные передаются в вычислительное устройство, снабженное программой для реконструирования трехмерного распределения электропроводности обратным проецированием вдоль эквипотенциальных поверхностей электрического поля разностей потенциалов между соседними электродами из двумерного набора электродов. Программа хранится на жестком диске персонального компьютера и загружается в его оперативную память при выполнении измерений. Блок-схема программы показана на фиг. 2. В блоке 12 измеренные потенциалы электродов двумерного набора 1, полученные по линии связи 10, используются для синтеза опорного набора потенциалов, соответствующих телу с однородной электропроводностью, согласно методу, изложенному в [А.В. Корженевский, В.Н. Корниенко, М. Ю. Культиасов, Ю.С. Культиасов, В.А. Черепенин. Электроимпедансный компьютерный томограф для медицинских приложений // Приборы и техника эксперимента, 1997, N 3, с. 133-140]. В экспериментально реализованном устройстве используется формула:
u (j) = c +c f (j)+c f2(j)+c f3(j) (1),
где i - номер электрода из двумерного набора, к которому подключен источник тока, j - номер электрода, к которому подключен измеритель разности потенциалов, u (j) - синтезируемый опорный набор потенциалов, f (j) - заданное распределение потенциалов на границе эталонного объекта - однородной полубесконечной среды, f2(j) и f3(j) - распределение потенциалов для двух однородных взаимоортогональных электрических полей, вектора напряженности которых лежат в плоскости двумерного набора электродов, c (α = 0,1,2,3) - коэффициенты аппроксимации измеренного распределения разностей потенциалов u (j) с помощью формулы (1) методом наименьших квадратов. Для аппроксимации методом наименьших квадратов используются только потенциалы, измеренные на хороших контактах. Затем в блоках 13 и 14, путем вычитания значений потенциалов на соседних электродах для каждого варианта подключения источника тока, вычисляются компоненты вектора напряженности электрического поля для опорного и измеренного набора данных. В последнем случае для электродов с недостаточным контактом в качестве их потенциалов используются соответствующие потенциалы из опорного набора данных. Затем в блоке 15 вычисляется расстояние между электродом, к которому подключен источник тока для текущего набора измеренных потенциалов, и точкой, в которой реконструируется электропроводность. Это расстояние определяет радиус окружности, являющейся линией пересечения эквипотенциальной поверхности с плоскостью, на которой располагаются электроды и вдоль которой необходимо производить взвешенное усреднение. Напряженности электрического поля для измеренного и опорного набора данных вычисляются после линейной интерполяции соответствующих компонент векторов, вычисленных в блоках 13 и 14. Относительная разность напряженностей полей для опорного и измеренного набора данных умножается на весовую функцию 1/R4, где R - расстояние от точки, где реконструируется электропроводность, до текущей точки на линии, вдоль которой производится усреднение, и затем численно интегрируются вдоль окружности в блоке 16. Эти действия повторяются для всех точек, где реконструируется электропроводность и для всех вариантов подключения источника переменного тока к электродам. Процесс повторения с последовательным перебором точек и вариантов подключения источника тока контролируется блоком 17. Результат вычислений, после добавления к полученным величинам единицы, представляет собой трехмерное распределение электропроводности, нормированной на среднее значение, и может быть визуализирован на экране монитора или напечатан печатающим устройством, а также сохранен в архиве в виде файла. Программно-аппаратные средства, выполняющие эти функции, обозначены на схеме блоком 18. В экспериментально реализованном устройстве функции блоков 12-18 реализованы на персональном компьютере с подключенным к нему лазерным принтером. На фиг. 3 изображено расположение элементов устройства при проведении маммографического обследования. На фиг. 4 показан внешний вид электрического маммографа (без вычислительного устройства). На фиг. 5 приведена электрическая маммограмма, полученная с помощью описываемого устройства. Маммограмма представляет собой набор из 7 изображений поперечных сечений груди, параллельных плоскости, на которой расположены электроды. Глубина сечений на фиг. 5 возрастает слева направо и сверху вниз с шагом 8 мм. На изображении отчетливо видны сосок 19 и ребра 20, а также граница 21 между областями электродов, имеющих достаточный (внутренняя область) и недостаточный (внешняя область) контакт с телом.In preparation for measurements, pre-moistened additional electrodes 5 and 7 are placed on the patient’s limbs, a two-dimensional set of electrodes 1 is pressed against the mammary gland under examination so that the plane with the electrodes is parallel to the surface of the ribs, see FIG. 3. On command from a personal computer 11, the microprocessor control device 9 connects a current source 4 to one of the electrodes of set 1 using a multiplexer 2. An alternating current with an amplitude of the order of 1 mA and a frequency of 10 kHz flows through the circuit: current source 4, multiplexer 2, electrode from set 1, the patient’s body, additional electrode 5. Using a multiplexer 3, the microprocessor control device 9 connects one of the free electrodes of set 1 to the input of the potential difference meter 6, which measures the amplitude of the variable voltage between the electrode from set 1 and the additional electrode 7 and transfers it in digital code to the microprocessor control device 9. This device, in turn, transfers the measurement result via communication line 10 to the personal computer 11. Measurements are made for all combinations of connecting the electrodes from set 1 to the source alternating current 4 and potential difference meter 6 using multiplexers 2 and 3. If during the measurement process the electrode connected to the AC source has insufficient contact with the body, you the input voltage rises and the threshold detector of the output voltage is triggered 8. The detector signal is recorded by a microprocessor control device 9 and information about it is transmitted to a personal computer 11, allowing for the reconstruction of the conductivity distribution to exclude data measured using this electrode. The measured data is transmitted to a computing device equipped with a program for reconstructing the three-dimensional distribution of electrical conductivity by reverse projecting along the equipotential surfaces of the electric field of the potential differences between adjacent electrodes from a two-dimensional set of electrodes. The program is stored on the hard drive of a personal computer and is loaded into its RAM memory during measurements. A block diagram of the program is shown in FIG. 2. In block 12, the measured potentials of the electrodes of the two-dimensional set 1 obtained through communication line 10 are used to synthesize a reference set of potentials corresponding to a body with uniform electrical conductivity, according to the method described in [A.V. Korzhenevsky, V.N. Kornienko, M. Yu. Kultiasov, Yu.S. Kultiasov, V.A. Cherepenin. Electric impedance computed tomograph for medical applications // Instruments and experimental technique, 1997, N 3, p. 133-140]. In an experimentally implemented device, the formula is used:
u (j) = c + c f (j) + c f 2 (j) + c f 3 (j) (1),
where i is the number of the electrode from the two-dimensional set to which the current source is connected, j is the number of the electrode to which the potential difference meter is connected, u (j) is the synthesized reference set of potentials, f (j) is the given potential distribution at the boundary of the reference object - a homogeneous semi-infinite medium, f 2 (j) and f 3 (j) is the potential distribution for two homogeneous mutually orthogonal electric fields, the intensity vectors of which lie in the plane of the two-dimensional set of electrodes, c (α = 0,1,2,3) - approximation coefficients of the measured distribution of potential differences u (j) using the formula (1) by the least square method. For the least squares approximation, only potentials measured at good contacts are used. Then, in blocks 13 and 14, by subtracting the potential values at the neighboring electrodes for each current source connection option, the components of the electric field strength vector are calculated for the reference and measured data sets. In the latter case, for electrodes with insufficient contact, the corresponding potentials from the reference data set are used as their potentials. Then, in block 15, the distance between the electrode to which the current source is connected for the current set of measured potentials and the point at which the conductivity is reconstructed is calculated. This distance determines the radius of the circle, which is the line of intersection of the equipotential surface with the plane on which the electrodes are located and along which weighted averaging is necessary. The electric field strengths for the measured and reference data sets are calculated after linear interpolation of the corresponding components of the vectors calculated in blocks 13 and 14. The relative difference in field strengths for the reference and measured data sets is multiplied by the weight function 1 / R 4 , where R is the distance from the point, where electrical conductivity is reconstructed, to the current point on the line along which averaging is performed, and then are numerically integrated along the circle in block 16. These actions are repeated for all points where Conductivity is designed for all options for connecting an AC source to electrodes. The repetition process with a sequential search of points and options for connecting the current source is controlled by block 17. The result of the calculations, after adding units to the obtained values, is a three-dimensional distribution of electrical conductivity, normalized to the average value, and can be visualized on a monitor screen or printed by a printing device, as well as saved in the archive as a file. The firmware performing these functions is indicated on the diagram by block 18. In the experimentally implemented device, the functions of blocks 12-18 are implemented on a personal computer with a laser printer connected to it. In FIG. 3 shows the location of the elements of the device during a mammographic examination. In FIG. 4 shows the appearance of an electric mammograph (without a computing device). In FIG. 5 shows an electric mammogram obtained using the described device. A mammogram is a set of 7 images of cross sections of the chest parallel to the plane on which the electrodes are located. The depth of sections in FIG. 5 increases from left to right and from top to bottom in increments of 8 mm. The nipple 19 and ribs 20 are clearly visible in the image, as well as the boundary 21 between the regions of electrodes having sufficient (inner region) and insufficient (outer region) contact with the body.