JP5469574B2 - Electrical impedance tomography measuring device. - Google Patents
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- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
Description
この発明は、生体断面における組織に関する電気的特性値を測定し表示する生体の電気的インピーダンス断層像測定装置に関するものである。 The present invention relates to a living body electrical impedance tomographic image measuring apparatus that measures and displays electrical characteristic values related to a tissue in a cross section of a living body.
従来、EIT(Electrical Impedance Tomography)と称される電気インピーダンスCTが知られている。この装置は、例えば胸部生体表面に、例えば心電図用電極を水平かつ等間隔に8枚貼着し、微弱な定電流を加えることにより、体表面に生じる電位分布から生体内部の呼吸による換気量の変化に由来する電気インピーダンスを推定し、断層画像を得るものである。 Conventionally, an electrical impedance CT called EIT (Electrical Impedance Tomography) is known. This device, for example, applies eight electrocardiogram electrodes horizontally and at equal intervals to the surface of a living body of the chest, for example. By applying a weak constant current, the volume of ventilation due to respiration inside the body is determined from the potential distribution generated on the body surface. The electrical impedance resulting from the change is estimated and a tomographic image is obtained.
このEITは、電極を貼るだけであるから非侵襲で拘束性が少なく、装置が小型であり、可搬性があり、測定に特別な技術を要することがなく、リアルタイムの画像を得ることができ、長時間の測定が可能である等の利点を有する。 This EIT is only non-invasive because it only sticks electrodes, the device is small, the device is small, portable, no special techniques are required for measurement, and real-time images can be obtained. There is an advantage that measurement can be performed for a long time.
さらに、EITを用いた応用として、血流由来の電気インピーダンスの変化を測定することにより、例えば肺血流を非侵襲かつリアルタイムで測定する試みをも広く行われている。 Furthermore, as an application using EIT, attempts have been widely made to measure, for example, pulmonary blood flow non-invasively and in real time by measuring changes in blood-derived electrical impedance.
しかしながら、例えば体幹部での血流由来の電気インピーダンス変化を測定しようとしたとき、血流由来の電気インピーダンス変化は呼吸由来の電気インピーダンス変化の1/10程度と小さいため、これを高精度かつ高速に測定することは容易ではない。 However, for example, when an electrical impedance change derived from blood flow in the trunk is to be measured, the electrical impedance change derived from blood flow is as small as about 1/10 of the electrical impedance change derived from respiration. It is not easy to measure.
EITを用いた血流由来の電気インピーダンスの変化を測定する方法として、EITで測定したインピーダンスから心拍に同期した成分を抽出したり、装置を低ノイズ化したりすることにより、血流由来の電気インピーダンスの測定精度を向上させる方法(特許文献1参照)が知られているが実用に足りうる精度は得られなかった。 As a method of measuring changes in electrical impedance derived from blood flow using EIT, by extracting a component synchronized with the heartbeat from the impedance measured by EIT or reducing the noise of the device, electrical impedance derived from blood flow A method for improving the measurement accuracy (see Patent Document 1) is known, but accuracy sufficient for practical use has not been obtained.
血管に生理食塩水を注入し、インピーダンスを極端に低下させ、血流を測定する方法も提案されているが、手間がかかるだけでなく、効果は極めて短時間であるため、連続的なモニタリングには適さない。 A method of injecting physiological saline into blood vessels to extremely reduce impedance and measuring blood flow has also been proposed, but not only is it time-consuming, but the effect is extremely short. Is not suitable.
EITを用いて肺をはじめとする体幹の臓器における血流由来の電気インピーダンスを測定する場合、呼吸による胸郭等の体型の変化が直接電気インピーダンスの変化に影響するため、呼吸の影響の除去により微小な血流由来の電気インピーダンスの測定精度を向上することが可能であるが、従来の機器で、肺野全体のガス量の絶対値を常時、連続的にモニタすることは困難である。 When measuring electrical impedance derived from blood flow in trunk organs such as the lung using EIT, changes in body shape such as thorax due to breathing directly affect changes in electrical impedance. Although it is possible to improve the measurement accuracy of electrical impedance derived from a minute blood flow, it is difficult to always continuously monitor the absolute value of the gas amount of the entire lung field with a conventional device.
これに対し、近年EITでは、電気インピーダンスの絶対値を得るEITが開発され、肺野全体のガス量の絶対値を常時、連続的にモニタすることが可能となりつつある。 On the other hand, in recent years, EIT has been developed to obtain the absolute value of the electrical impedance, and it is now possible to continuously monitor the absolute value of the gas amount of the entire lung field continuously.
例えば、関心領域におけるインピーダンス分布を、予測された境界電圧と実測された境界電圧の最小2乗誤差を生成して反復的な処理により収束させて電気インピーダンスの絶対値を得るものが知られている(特許文献2参照)。しかしながら、上記の手法によるEITは、他の装置を用いたキャリブレーションが必要であることに加え、得られる電気インピーダンスが、実測値から一意に電気インピーダンスの絶対値を得ることができない。すなわち、上記において得られる電気的インピーダンスの絶対値は、幾つかの正解の一つに過ぎない、という精度上の問題があり、この方法で呼吸の影響を除去して算出した血流の電気インピーダンスは、精度的に実用に耐えうるものにはなり得ない。 For example, it is known that an impedance distribution in a region of interest is generated by generating a least square error between a predicted boundary voltage and an actually measured boundary voltage, and converged by an iterative process to obtain an absolute value of electrical impedance. (See Patent Document 2). However, EIT by the above method requires calibration using another device, and the obtained electrical impedance cannot uniquely obtain the absolute value of the electrical impedance from the actually measured value. That is, there is a problem in accuracy that the absolute value of the electrical impedance obtained above is only one of several correct answers, and the electrical impedance of the blood flow calculated by removing the influence of respiration by this method Cannot be practically accurate.
また、所定の臓器全体の平均値として絶対的電気インピーダンスを推定後、これを基準値として局所的な相対的インピーダンスと合算して、局所的な絶対的インピーダンスを計算するEITも公知であるが、臓器の局所的な基準値は臓器全体で平均にしたものとの乖離が大きいため、得られる局所的な絶対的インピーダンスの信頼性が低く、この方法で呼吸の影響を除去して算出した血流の電気インピーダンスも、精度的に実用に耐えうるものにはなり得ない。 In addition, EIT is also known in which absolute electrical impedance is estimated as an average value of an entire predetermined organ, and this is added to local relative impedance as a reference value to calculate local absolute impedance. Since the local reference value of the organ is largely different from the average value for the whole organ, the reliability of the obtained local absolute impedance is low, and the blood flow calculated by removing the influence of respiration by this method Also, the electrical impedance cannot be practically accurate.
本発明は上記のような生体の電気的インピーダンス断層像測定装置の現状に鑑みてなされたもので、その目的は、呼吸による影響を的確に除去して高精度な血流由来の局所的な絶対的電気インピーダンスを得ることができる生体の電気的インピーダンス断層像測定装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the current state of the living body electrical impedance tomogram measuring apparatus as described above, and its purpose is to accurately remove the influence of respiration and to obtain a local absolute derived from highly accurate blood flow. It is an object to provide a biological electrical impedance tomogram measuring apparatus capable of obtaining an electrical impedance.
本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置は、生体の臓器や組織の位置およびその電気的特性に基づき、前記生体断面を分割し、各メッシュの電気的特性値を複数(n)に変化させて演算可能な3次元以上の数学モデルを作成する数学モデル作成手段と、定電流を印加するための入力ペア電極と電位差を検出するための出力ペア電極とを含む生体の表面の所定の位置を囲繞するように貼着された複数の電極と、前記入力ペア電極に定電流を印加する定電流印加手段と、前記数学モデルを用いて任意のメッシュの電気的特性値を複数(n)に変化させ、前記入力ペア電極に定電流を印加した場合に、前記出力ペア電極にそれぞれ発生する複数(n)の第一の電位差(Dmodel)を算出するDmodel算出手段と、前記入力ペア電極に定電流を印加した場合に、前記出力ペア電極に発生する第二の電位差(Dmean(t))を測定する測定手段と、前記第二の電位差を、呼吸由来成分と心拍由来成分に分離する、呼吸心拍分離手段と、前記呼吸心拍分離手段により分離された、前記第二の電位差の呼吸由来成分から、所定呼吸状態を検出する呼吸状態検出手段と、所定心拍状態を検出する心拍状態検出手段と、前記心拍由来成分から、前記呼吸状態検出手段により検出された所定呼吸状態にある複数の第二の電位差、を抽出する第一の抽出手段と、前記心拍状態検出手段により検出された所定心拍状態に基づき、前記第一の抽出手段により抽出された複数の第二の電位差を同期加算して、呼吸由来成分が除去された第二の電位差、を抽出する第二の抽出手段と、前記呼吸由来成分が除去された第二の電位差を用いて、各画素に対応した複数(n)の血流由来の電気的特性値を算出するEIT(n)算出手段と、前記複数(n)の血流由来の電気的特性値から各画素における最適な血流由来の電気的特性値を決定する決定手段と、各画素における最適な血流由来の電気的特性値に基づき断層画像を表示する血流断層画像表示制御手段とを備えることを特徴とする。 The electrical impedance tomographic image measuring apparatus according to the present invention divides the biological section based on the position of the organ or tissue of the living body and the electrical characteristics thereof, and changes the electrical characteristic value of each mesh to a plurality (n). A predetermined position on the surface of the living body, including a mathematical model creation means for creating a mathematical model of three or more dimensions that can be calculated in advance, and an input pair electrode for applying a constant current and an output pair electrode for detecting a potential difference A plurality of electrodes attached so as to surround, a constant current applying means for applying a constant current to the input pair electrodes, and changing the electrical characteristic value of an arbitrary mesh to a plurality (n) using the mathematical model Dmodel calculating means for calculating a plurality (n) of first potential differences (Dmodel) generated in the output pair electrodes when a constant current is applied to the input pair electrodes; Measuring means for measuring a second potential difference (Dmean (t)) generated at the output pair electrode when a constant current is applied to the output pair, and separating the second potential difference into a respiratory-derived component and a heartbeat-derived component , Respiratory heart rate separation means, respiratory state detection means for detecting a predetermined respiratory state from the respiratory-derived component of the second potential difference separated by the respiratory heart rate separation means, and heart rate state detection means for detecting a predetermined heart rate state A first extraction means for extracting a plurality of second potential differences in a predetermined respiratory state detected by the respiratory state detection means from the heartbeat-derived component; and a predetermined heartbeat detected by the heartbeat state detection means A second extraction means for synchronously adding a plurality of second potential differences extracted by the first extraction means based on the state to extract a second potential difference from which a respiratory-derived component has been removed; and the call EIT (n) calculating means for calculating a plurality (n) blood flow-derived electrical characteristic values corresponding to each pixel using the second potential difference from which the derived component is removed, and the plurality (n) of blood A determination means for determining an electrical characteristic value derived from an optimal blood flow in each pixel from an electrical characteristic value derived from the flow, and a blood flow for displaying a tomographic image based on the electrical characteristic value derived from the optimal blood flow in each pixel And a tomographic image display control means.
本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置では、前記血流由来の電気的特性値とは、抵抗率、導電率、誘電率、透磁率、のいずれか一つ、あるいは複数であることを特徴とする。 In the electrical impedance tomographic image measuring apparatus according to the present invention, the electrical characteristic value derived from the blood flow is one or more of resistivity, conductivity, dielectric constant, and permeability. And
本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置では、前記Dmodel算出手段により算出される各画素に対応した複数(n)の電気的特性値の二乗、又は絶対値が最小であるものを最適な電気的特性値と決定することを特徴とする。 In the electrical impedance tomographic image measuring apparatus according to the present invention, the optimum electrical characteristics are obtained by squaring a plurality of (n) electrical characteristic values corresponding to the respective pixels calculated by the Dmodel calculating means, or having the smallest absolute value. Characteristic value is determined.
本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置では、呼吸状態検出手段は、前記第二の電位差から前記呼吸心拍分離手段により分離した呼吸由来成分を用い、所定の呼吸状態を検出することを特徴とする。 In the electrical impedance tomographic image measuring apparatus according to the present invention, the respiratory state detecting means detects a predetermined respiratory state using a respiratory-derived component separated by the respiratory heartbeat separating means from the second potential difference. To do.
本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置では、心電図データを検出する心電図検出手段を有し、前記所定の心拍状態を検出するとは、心電図データからR波を検出することを特徴とする。 The electrical impedance tomographic image measuring apparatus according to the present invention has an electrocardiogram detection means for detecting electrocardiogram data, and detecting the predetermined heartbeat state detects an R wave from the electrocardiogram data.
本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置では、前記所定呼吸状態を検出するとは、所定のガス量を検出することを特徴とする。 In the electrical impedance tomographic image measuring apparatus according to the present invention, detecting the predetermined respiratory state detects a predetermined gas amount.
本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置では、心電図データを検出する心電図検出手段を有し、第二の抽出手段は心電図データのR波のタイミングで同期加算することを特徴とする。 The electrical impedance tomographic image measuring apparatus according to the present invention has electrocardiogram detection means for detecting electrocardiogram data, and the second extraction means performs synchronous addition at the timing of the R wave of the electrocardiogram data.
本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置では、前記Dmodel算出手段は、予め定められた生体内の組織の電気的特性値を用いて、第一の電位差を算出することを特徴とする。 In the electrical impedance tomographic image measuring apparatus according to the present invention, the Dmodel calculating means calculates the first potential difference using a predetermined electrical characteristic value of the tissue in the living body.
本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置によれば、所定の呼吸状態と所定の心拍状態を検出し、同期加算することにより、呼吸による影響を的確に除去した、血流由来の電気的特性値の局所的な絶対値を高精度に得ることができる。特に、呼吸による胸郭などの体型の変化による影響を受けずに、血流などの流体を精度良く連続的にモニタリング可能とする。 According to the electrical impedance tomographic image measuring apparatus according to the present invention, a predetermined respiratory state and a predetermined heartbeat state are detected, and synchronous addition is performed, thereby accurately removing the influence of respiration and the blood-derived electrical characteristics. The local absolute value of the value can be obtained with high accuracy. In particular, fluid such as blood flow can be continuously monitored with high accuracy without being affected by changes in the body shape such as the thorax due to respiration.
本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置によれば、例えば、肺野の換気と血流の絶対値の変化を同時にモニタリングすることにより、酸素化が悪いときに換気が悪いのか血流が悪いのかが一目瞭然となり、適切な治療方針を選択することが可能となる。 According to the electrical impedance tomography measurement apparatus of the present invention, for example, by monitoring the ventilation of the lung field and the change in the absolute value of the blood flow at the same time, the ventilation is bad or the blood flow is bad when oxygenation is bad. It becomes clear at a glance and it becomes possible to select an appropriate treatment policy.
また、従来、肺塞栓の患者では、SpO2が急激に低下したことは分かっても、その原因が肺塞栓であることを特定することが難しかったが、本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置により、肺塞栓も迅速に特定することが可能となり、カテーテルによる吸引や血栓溶解剤の投与等の処置を迅速に行うことが可能となる。 Conventionally, in patients with pulmonary embolism, although it has been known that SpO 2 has rapidly decreased, it has been difficult to specify that the cause is pulmonary embolism. With the device, pulmonary embolism can also be quickly identified, and treatments such as suction with a catheter and administration of a thrombolytic agent can be performed quickly.
さらに、腎臓や心臓といった臓器の血流もモニタリングが可能であるので、投薬による薬効をリアルタイムで確認したり、電気的特性値の絶対値から心拍出量等のパラメータを非侵襲で測定したりすることも可能となる。 In addition, blood flow in organs such as the kidney and heart can be monitored, so that the efficacy of medication can be confirmed in real time, and parameters such as cardiac output can be measured non-invasively from the absolute value of electrical characteristics. It is also possible to do.
以下添付図面を参照して、本発明に係る生体の電気的インピーダンス断層像測定装置の実施例を説明する。各図において、同一の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。図1には、本発明に係る生体の電気的インピーダンス断層像測定装置の実施形態を示す構成図が示されている。この装置は、電位差検出手段を構成する電極部10と電極制御部20を備え、電極制御部20がコンピュータシステム30に接続されている。 Embodiments of a bioelectrical impedance tomographic image measurement apparatus according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In each figure, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a biological electrical impedance tomogram measuring apparatus according to the present invention. This apparatus includes an electrode unit 10 and an electrode control unit 20 that constitute a potential difference detection unit, and the electrode control unit 20 is connected to a computer system 30.
コンピュータシステム30は、CPUや主記憶部及び外部記憶部などを含む本体部31と、本体部31に接続されたLEDなどにより構成される表示部32とキーボードやマウスなどにより構成される入力部33とを備えている。本体部31には、FEM(有限要素法)などの3次元以上の数学モデルを作成する数学モデル作成手段34としてのソフトウエアが備えられている。 The computer system 30 includes a main unit 31 including a CPU, a main storage unit, an external storage unit, and the like, a display unit 32 including LEDs connected to the main unit 31, and an input unit 33 including a keyboard and a mouse. And. The main body 31 is provided with software as mathematical model creation means 34 for creating a mathematical model of three or more dimensions such as FEM (finite element method).
3次元胸部FEMモデルを例とすると、健常男性1名のX線CT画像を参考にして、CT画像を図3に示すように組織ごとに領域分けして、領域に組織番号を付して数学モデル作成手段34に保持させる。各組織と番号及び抵抗率の対応関係を示す表1の内容を有するデータベースを備え、対応付けを行うことが可能としておく。上記の領域分け処理は、例えば1.3mmスライス幅のCT画像234枚(鎖骨から腎上部)に対して行う。 Taking a three-dimensional chest FEM model as an example, referring to an X-ray CT image of one healthy male, the CT image is divided into regions for each tissue as shown in FIG. The model creating means 34 holds the model. A database having the contents of Table 1 showing the correspondence between each organization, number, and resistivity is provided so that the association can be performed. The region dividing process is performed on, for example, 234 CT images having a 1.3 mm slice width (from the clavicle to the upper kidney).
次に、3次元胸部FEMモデルに対し、図1の電極部10における電極11−1〜11−8を含む各電極(例えば、縦6.5mm、横5mm)を設定する。具体的には、図4に示すようにスライス画像に中心から等角度の8本線lを引き、生体表面に横5mmの電極をプロットし、例えば1.3mmスライス幅のCT画像を所定枚数重ねることにより電極の縦の寸法に対応させる。 Next, each electrode (for example, 6.5 mm in length and 5 mm in width) including the electrodes 11-1 to 11-8 in the electrode unit 10 of FIG. 1 is set for the three-dimensional chest FEM model. Specifically, as shown in FIG. 4, eight slices l of equal angles from the center are drawn on the slice image, 5 mm wide electrodes are plotted on the surface of the living body, and for example, a predetermined number of 1.3 mm slice width CT images are overlaid. It corresponds to the vertical dimension of the electrode.
一例として、要素数2,660960、節点数527,571を有する3次元胸部FEMモデルの平面図を図5に示す。図5は、紙面に垂直な奥側が頭部であり、脊髄51の位置から明らかな通り、図5の上方が腹部側であり、下方が背中側である。主な臓器として、心臓52、右肺53、左肺54が示されている。なお、図5では、1スライス面に16個の電極Dが設定されているが、これは、正中切開患者のように電極位置を変えてEITデータを得る必要がある場合に備えたものである。 As an example, FIG. 5 shows a plan view of a three-dimensional chest FEM model having 2,660960 elements and 527,571 nodes. In FIG. 5, the back side perpendicular to the paper surface is the head, and as is clear from the position of the spinal cord 51, the upper side of FIG. 5 is the abdomen side and the lower side is the back side. A heart 52, right lung 53, and left lung 54 are shown as main organs. In FIG. 5, 16 electrodes D are set on one slice plane. However, this is for the case where it is necessary to obtain EIT data by changing the electrode position as in a midline incision patient. .
次に、上記の構築された3次元胸部FEMモデルについてDmodel算出手段35を用いて電極11−1〜11−8のいずれかの入力ペア電極(例えば、11−1&11−2)に所定の周波数の定電流を印加したときの、入力ペア電極とは異なる組み合わせの出力ペア電極(電極11−1〜11−8の組み合わせ)から出力される(第一の)電位差を、肺野の抵抗率を変えてシミュレーションする。 Next, with respect to the constructed three-dimensional chest FEM model, the input pair electrodes (for example, 11-1 & 11-2) of the electrodes 11-1 to 11-8 have a predetermined frequency using the Dmodel calculation means 35. When the constant current is applied, the (first) potential difference output from the output pair electrode (the combination of electrodes 11-1 to 11-8) different from the input pair electrode is changed, and the lung field resistivity is changed. And simulate.
次に、入力ペア電極を別のペア(例えば、11−2&11−3)に変えて同様に電位差をシミュレーションする。以下同様に、電極11−1〜11−8のいずれかのペア全てについて、順次に入力ペア電極として、同様に電位差をシミュレーションする。他のスライスに電極11−1〜11−8以外の電極が配置されている場合についても同様にして電位差のシミュレーションを行う。 Next, the input pair electrode is changed to another pair (for example, 11-2 & 11-3), and the potential difference is similarly simulated. Similarly, the potential difference is similarly simulated for all the pairs of the electrodes 11-1 to 11-8 as input pair electrodes sequentially. In the case where electrodes other than the electrodes 11-1 to 11-8 are arranged in other slices, the potential difference is similarly simulated.
肺抵抗率は個人差があるものの、通常、健常者の肺は5Ωm以上であり、肺炎の肺では3Ωm以下であることが多いことから、一例として、肺の抵抗率を5〜16.7Ωmの間において8段階(5、5.55、6.25、7.14、8.33、10、12.5、16.7Ωm)に変化させ、電極D1〜D8の入力ペア電極に1mAの定電流を印加したシミュレーションをについて説明する。なお、実際のシミュレーションでは導電率を用いるため、上記抵抗率と導電率の換算表を表2に示す。 Although there are individual differences in lung resistance, the normal lungs are usually 5 Ωm or more, and in lungs with pneumonia, it is often 3 Ωm or less. For example, the lung resistivity is between 5 and 16.7 Ωm. A simulation in which a constant current of 1 mA is applied to the input pair electrodes of the electrodes D1 to D8 will be described with reference to Fig. 5 in 8 steps (5, 5.55, 6.25, 7.14, 8.33, 10, 12.5, 16.7 Ωm). In addition, in order to use electrical conductivity in actual simulation, the conversion table of the said resistivity and electrical conductivity is shown in Table 2.
図5の電極D1〜D8において、縦方向に入力ペア電極をとり、横方向に出力ペア電極をとり、肺の抵抗率を16.7Ωmとして出力ペア電極から得られた電位差を表にして示すと図6の通りになる。入力出力が同じペアによる検出は不正確となるので、0とした。また、出力ペア電極に入力ペア電極の一つを含む場合の電位差も不正確と思われる。この図6のようなマトリクスを抵抗率毎(上記の例では8段階)に算出することにより得ることができ、Dmodel算出手段35により対象組織に対して設定された抵抗率と出力ペア電極から検出される電位差、の対応関係のデータベース36(図1)が構成される。 In the electrodes D1 to D8 in FIG. 5, the input pair electrodes are taken in the vertical direction, the output pair electrodes are taken in the horizontal direction, and the potential difference obtained from the output pair electrodes is shown in a table with the lung resistivity being 16.7 Ωm. It becomes 6 streets. Detection with the same input / output pair is inaccurate, so it was set to zero. In addition, the potential difference when the output pair electrode includes one of the input pair electrodes seems to be inaccurate. This matrix shown in FIG. 6 can be obtained by calculating for each resistivity (in the above example, 8 levels), and is detected from the resistivity set for the target tissue by the Dmodel calculation means 35 and the output pair electrode. Correspondence database 36 (FIG. 1) of potential differences to be performed is configured.
以上の不適切と思われる場合を除いた電位差データは40通りとなるため、それぞれについて設定した8つの抵抗率(導電率)に対する8つの電位差から回帰曲線を算出し、実質、多段階に抵抗率を変化させた場合の電位差をシミュレートすることが可能である。 Since there are 40 potential difference data excluding cases that seem to be inappropriate as described above, a regression curve is calculated from 8 potential differences with respect to 8 resistivity (conductivity) set for each, and the resistivity is substantially multi-stepped. It is possible to simulate the potential difference when changing.
一例として、電極D1,D2を入力ペア電極とし、電極D3,D4の出力ペア電極から得られる電位差によって作成される回帰曲線を図7に示す。また、電極D2,D3を入力ペア電極とし、電極D4,D5の出力ペア電極から得られる電位差によって作成される回帰曲線を図8に示す。それぞれの図に寄与率R2を示してあるが、いずれも0.99以上となり、高い相関が得られた。上述の回帰曲線を算出する代わりに抵抗率を細かく多段階に変化させてもよい。 As an example, FIG. 7 shows a regression curve created by the potential difference obtained from the output pair electrodes of the electrodes D3 and D4, with the electrodes D1 and D2 as input pair electrodes. FIG. 8 shows a regression curve created by the potential difference obtained from the output pair electrodes of the electrodes D4 and D5, with the electrodes D2 and D3 as input pair electrodes. Each figure shows the contribution ratio R 2 , which was 0.99 or more, and a high correlation was obtained. Instead of calculating the above regression curve, the resistivity may be finely changed in multiple stages.
図9に、上記のシミュレーションにおいて得られた電流部分布の例を示す。輝度の高い部分が電流密度の高い部分であり、電流が多く流れていることを示す。この図9において、左上部分において電流密度が高いのは電極D1,D2を入力ペア電極としているためである。また、肺は抵抗が高いために電流が多くは流れず、抵抗の低い心臓や肺の周囲に存在する血管や脂肪などに多くの電流が集中することが分かる。 FIG. 9 shows an example of the current distribution obtained in the above simulation. A portion with high luminance is a portion with high current density, which indicates that a large amount of current flows. In FIG. 9, the current density is high in the upper left part because the electrodes D1 and D2 are input pair electrodes. Further, it can be seen that since the lung has high resistance, a large amount of current does not flow, and a large amount of current concentrates on the low resistance heart, blood vessels and fats existing around the lung, and the like.
ここで、心臓は収縮拡張により、その大きさおよび電気的特性値が周期的に変化しており、その電気的特性値の変化量は呼吸による肺野のガス量による変化よりも大きい。そのため、例えば、小児のように、肺に比べ心臓が相対的に大きい場合、あるいはより高い精度を必要とする場合、心臓の大きさと電気的特性値を周期的に変化させられる数学モデルを使用し、時間情報をもつより精緻なDmodelを算出することで、より正確な血流由来の電気的特性値を推定することが可能である。 Here, the size and electrical characteristic value of the heart are periodically changed due to contraction and expansion, and the change amount of the electrical characteristic value is larger than the change due to the amount of gas in the lung field due to respiration. Therefore, for example, when the heart is relatively large compared to the lung, such as in children, or when higher accuracy is required, a mathematical model that can periodically change the size and electrical characteristics of the heart is used. By calculating a more precise Dmodel having time information, it is possible to estimate a more accurate electrical characteristic value derived from blood flow.
次に測定手段22について説明する。電極部10には、例えば8個の電極11−1〜11−8が備えられ、生体の表面を囲繞するように貼着される。ここで、生体の表面は、頭部、胴体、四肢等の所要部における表面とすることができるが、ここでは胸部を対象とし、呼吸により肺内ガス量および胸郭等の体型に変化がある場合の肺血流の測定を例示する。電極11−1〜11−8は、生体に等間隔に生体に貼着される。電極11−1〜11−8は、図2に示されるように複数スライスに配置しても良い。 Next, the measuring means 22 will be described. The electrode unit 10 includes, for example, eight electrodes 11-1 to 11-8 and is attached so as to surround the surface of the living body. Here, the surface of the living body can be the surface of a required part such as the head, torso, limbs, etc., but here the subject is the chest and there is a change in the amount of gas in the lungs and the body shape such as the rib cage due to breathing 2 illustrates measurement of pulmonary blood flow. The electrodes 11-1 to 11-8 are attached to the living body at equal intervals. The electrodes 11-1 to 11-8 may be arranged in a plurality of slices as shown in FIG.
電極11−1〜11−8を含む各電極は、リード線を介して電極制御部20に接続されている。電極制御部はリード線を介さず各電極上に直接配置してもよい。電極制御部20は、定電流印加手段21と測定手段22とを含む。定電流印加手段21と測定手段22とは、同じクロックを与えられて同期して動作する。 Each electrode including the electrodes 11-1 to 11-8 is connected to the electrode control unit 20 via a lead wire. The electrode control unit may be arranged directly on each electrode without using a lead wire. The electrode control unit 20 includes a constant current applying unit 21 and a measuring unit 22. The constant current applying unit 21 and the measuring unit 22 operate in synchronization with the same clock.
定電流印加手段21に印加される定電流の周波数は目的に応じて、数十kHz〜数百kHz、さらには細胞壁を直進する高い周波数(例えば数MHz以上)のうちの一つ、あるいは複数の組合せで使用する。定電流印加手段21は、図1の例に示した電極11−1〜11−8を含むスライス面を例にすると、電極11−1〜11−8のいずれかの入力ペア電極(例えば、11−1&11−2)に電流を印加する。 Depending on the purpose, the frequency of the constant current applied to the constant current applying means 21 is several tens of kHz to several hundred kHz, and one or more of high frequencies (for example, several MHz or more) that go straight through the cell wall. Use in combination. For example, the constant current applying unit 21 may be any one of the input pair electrodes (for example, 11) of the electrodes 11-1 to 11-8, taking the slice plane including the electrodes 11-1 to 11-8 shown in the example of FIG. -1 & 11-2).
測定手段22は、このとき電極11−1〜11−8のうちの2枚の電極を組み合わせた出力ペア電極で観測される(第二の)電位差を取り込み、ディジタル化してコンピュータシステム30へ送る。このとき、出力ペア電極を隣り合う2枚に限定すると、出力ペア電極は8通り存在するが、入力ペア電極の片方あるいは両方が含まれる出力ペア電極(11−1&11−2、11−1&11−8、11−2&11−3)による検出は不正確となるので、採用しない。 At this time, the measuring means 22 takes in the (second) potential difference observed at the output pair electrode obtained by combining two of the electrodes 11-1 to 11-8, digitizes it, and sends it to the computer system 30. At this time, if the output pair electrodes are limited to two adjacent ones, there are eight output pair electrodes, but output pair electrodes (11-1 & 11-2, 11-1 & 11-8) including one or both of the input pair electrodes. , 11-2 & 11-3) are not adopted because they are inaccurate.
次に、入力ペア電極を異なるペア(例えば、11−2&11−3)に変えて同様に電位差を求める。以下同様に、1シーケンス内で、電極11−1〜11−8のうち、あらかじめ設定されたペアを入力ペア電極として順次切り替え、前述の手順に基づき、出力ペア電極の電位差を測定する。このようにして1シーケンス中に得られた実測の電位差マトリクスをDmean(t)とする。電極11−1〜11−8以外の電極により測定されるスライスについても同様に電位差測定を行う。 Next, the input pair electrodes are changed to different pairs (for example, 11-2 & 11-3), and the potential difference is similarly obtained. Similarly, in one sequence, among the electrodes 11-1 to 11-8, a preset pair is sequentially switched as an input pair electrode, and the potential difference of the output pair electrode is measured based on the above-described procedure. The measured potential difference matrix thus obtained in one sequence is defined as Dmean (t). The potential difference measurement is similarly performed on slices measured by electrodes other than the electrodes 11-1 to 11-8.
ここで、定電流印加手段21に印加する定電流の周波数は、1MHzを超えるような高周波の定電流を直接印加するかわりに、複数の低い周波数の定電流を印加し、図1の補正手段46より高周波の定電流を印加したときに観測される電位差に補正することも可能である。補正手段46は、Cole−Cole方程式に基づき、周波数をスィープさせて平面上にプロットし、複数の低い周波数により測定した曲線を用いて高い周波数での電位差を推定する、ものである。 Here, the frequency of the constant current applied to the constant current applying means 21 is not directly applied with a high frequency constant current exceeding 1 MHz, but a plurality of low frequency constant currents are applied, and the correcting means 46 of FIG. It is also possible to correct the potential difference observed when a higher frequency constant current is applied. Based on the Cole-Cole equation, the correction means 46 sweeps the frequency and plots it on a plane, and estimates the potential difference at a high frequency using curves measured at a plurality of low frequencies.
さらに、本体部31に備えられた呼吸心拍分離手段38により、電位差マトリクスDmean(t)から呼吸由来成分Dmean(t)Rと心拍由来成分Dmean(t)Cに分離する。具体的には、0.5〜1Hz程度のカットオフ周波数を設定し、ローパスフィルタにより呼吸由来成分をDmean(t)R、ハイパスフィルタにより心拍由来成分をDmean(t)C、をそれぞれ抽出する方法などが挙げられる。なお、カットオフ周波数は、実際にEITで呼吸を測定し、自動的に変化させることも可能である。図16(c)はある入力電極ペアと出力電極ペアによって測定した電位差マトリクスDmean(t)であり、そこから呼吸心拍分離手段38により分離した心拍由来成分を図16(d)、呼吸由来成分を図16(e)に示す。 Further, the respiratory heartbeat separation means 38 provided in the main body 31 separates the respiratory-derived component Dmean (t) R and the heartbeat-derived component Dmean (t) C from the potential difference matrix Dmean (t). Specifically, a method of setting a cutoff frequency of about 0.5 to 1 Hz, and extracting a respiratory-derived component Dmean (t) R by a low-pass filter and a heartbeat-derived component Dmean (t) C by a high-pass filter, respectively. Etc. Note that the cut-off frequency can be automatically changed by actually measuring respiration with EIT. FIG. 16 (c) shows a potential difference matrix Dmean (t) measured by a certain input electrode pair and output electrode pair. FIG. 16 (d) shows a heartbeat-derived component separated therefrom by the respiratory heartbeat separating means 38, and FIG. As shown in FIG.
図11(a)は、自然呼吸時に得られる電気インピーダンスの変化を示したものであり、呼吸由来の電気インピーダンス変化に心拍由来の電気インピーダンス変化が重畳していることがわかる。また、図11(b)は無呼吸状態での同様な電気インピーダンスの変化を示したものであり、呼吸による肺内ガス量の変化および胸郭形状の変化がないため、呼吸由来の電気インピーダンス変化の影響が除去され、心拍由来の電気インピーダンス変化のみが抽出されていることがわかる。逆に、肺野全体のガス量が同じタイミングでは、胸郭等の体幹部の体型もほぼ同じ形状であると考えられることから、呼吸状態検出手段39によって、呼吸成分Dmean(t)Rを用いて肺野全体のガス量の変化を推定することにより、肺内ガス量が所定の範囲にある状態を検出する。 FIG. 11A shows the change in electrical impedance obtained during natural breathing, and it can be seen that the electrical impedance change derived from heartbeat is superimposed on the electrical impedance change derived from respiration. FIG. 11 (b) shows a similar change in electrical impedance in the apnea state. Since there is no change in the amount of gas in the lungs due to breathing and no change in the rib cage shape, It can be seen that the influence is removed, and only the change in the electrical impedance derived from the heartbeat is extracted. On the contrary, when the gas amount of the entire lung field is the same, the body shape of the trunk such as the thorax is considered to be almost the same shape. Therefore, the respiratory state detection means 39 uses the respiratory component Dmean (t) R. A state in which the lung gas amount is within a predetermined range is detected by estimating a change in the gas amount of the entire lung field.
本体部31のEIT(n)算出手段37は、測定した電位差から呼吸成分を抽出した電位差マトリクスDmean(t)Rと、データベース36に記憶されているシミュレート結果である複数(n)の抵抗率に対する電位差マトリクスDmodel(n)と、感度理論の基づく感度マトリクス(sensitivity matrix)あるいはヤコビアン(Jacobian matrix)として知られる重み付けの補正係数を用い、各画素に対する抵抗率等の電気的特性値を複数(n)算出する。ここで、感度マトリクス等の補正係数は公知の手法により算出し、データベース36として記憶しておくことができる。また、nは、設定した肺抵抗率の数であり、本例では表2などに示すように8種としたが、0.2Ωm刻みで300種、などを事前に計算しておき、データベース36としてもよい。 The EIT (n) calculating means 37 of the main body 31 includes a potential difference matrix Dmean (t) R obtained by extracting a respiratory component from the measured potential difference, and a plurality of (n) resistivity values that are simulation results stored in the database 36. A potential difference matrix Dmodel (n) for a pixel and a weighting correction coefficient known as a sensitivity matrix based on sensitivity theory or a Jacobian matrix, and a plurality of electrical characteristic values such as resistivity for each pixel (n )calculate. Here, correction coefficients such as a sensitivity matrix can be calculated by a known method and stored as the database 36. In addition, n is the number of the set lung resistivity. In this example, eight types are used as shown in Table 2, but 300 types are calculated in advance in increments of 0.2 Ωm. It is good.
近年EITで広く採用されている感度マトリクスを用いた場合、Dmean(t)Rの各要素とDmodel(n)の各要素で除算により比較し、さらに各要素の重み付けをするために感度マトリクスを乗算して補正した値EIT(n)を画素毎に算出することができる。 When using a sensitivity matrix that has been widely adopted in recent years in EIT, each element of Dmean (t) R and each element of Dmodel (n) are compared by division, and the sensitivity matrix is multiplied to weight each element. Thus, the corrected value EIT (n) can be calculated for each pixel.
各画素について、Dmean(t)RとDmodel(n)に差がない状態のn、すなわち変化率がゼロとなるnのときが最終的に求めたい抵抗率であるので、理想的には感度マトリクスを乗算して補正したEIT(n)がゼロとなるnのときが最終的に求めたい抵抗率である。決定手段43は反復計算によりEIT(n)がゼロに収束するときを最終的に求めたい抵抗率に決定することもできるし、nを離散的に設定し、EIT(n)の絶対値、あるいは図13のように変化する[EIT(n)]2が最小となるnのときを最終的に求めたい抵抗率(図13では、最適値)に決定することもできる。他のスライスがある場合は他のスライスについても同様の処理を行う。ここまで説明したEIT(n)算出手段37と決定手段43により、最適な電気的特性値としての抵抗率を推定するために実行された処理を最適電気的特性値の推定処理と呼ぶこととする。 For each pixel, n in a state where there is no difference between Dmean (t) R and Dmodel (n), that is, n at which the rate of change is zero is the resistivity to be finally obtained. When the EIT (n) corrected by multiplying by n is n, the resistivity to be finally obtained is obtained. The determining means 43 can also determine the resistivity to be finally obtained when EIT (n) converges to zero by iterative calculation, or set n discretely to determine the absolute value of EIT (n), or It is also possible to determine the resistivity (the optimum value in FIG. 13) to be finally obtained when [EIT (n)] 2 that changes as shown in FIG. If there are other slices, the same processing is performed for the other slices. The process executed to estimate the resistivity as the optimum electrical characteristic value by the EIT (n) calculation means 37 and the determination means 43 described so far is referred to as the optimum electrical characteristic value estimation process. .
このようにして推定された最適電気的特性値は絶対的な値であるため、各画素の最適電気的特性値は、対応する肺野の局所的なガス量に1対1で対応し、これらを合算したものが肺野全体のガス量となる。呼吸状態検出手段39は、ある所定の時間内(t1〜t2)にバッファリングされたDmean(t)に対し、同様の手順で図10にFで示すような肺野全体のガス量の時間変化を算出し、時刻t1からt2の中で図10のLで示すようなガス量が所定の値、あるいは範囲内にある時間、すなわち、呼吸に伴って変化する肺内のガス量と胸郭等の体型がほぼ同一の状態を、所定の呼吸状態、として検出する。なお、呼吸状態検出手段は、病態等に大きな変化がなく、機能的残気量(FRC)や残気量(RV)、全肺気量(TLC)の変化がほとんどない状態では、擬似的に人工呼吸器等の呼吸に関するパラメータの設定値とフローセンサ等の瞬時値、あるいはフローセンサ等の機器単体によるもので代用することも可能である。 Since the optimal electrical characteristic value estimated in this way is an absolute value, the optimal electrical characteristic value of each pixel corresponds to the local gas amount of the corresponding lung field on a one-to-one basis. The total amount of gas is the total lung field. Respiratory state detection means 39 performs the same procedure on Dmean (t) buffered within a predetermined time (t 1 to t 2 ), and calculates the gas amount of the entire lung field as shown by F in FIG. The time change is calculated, and the amount of gas as indicated by L in FIG. 10 from time t 1 to t 2 is within a predetermined value or range, that is, the amount of gas in the lung that changes with breathing And the chest and the like are detected as a predetermined respiratory state. Note that the respiratory condition detection means is pseudo in the state where there is no significant change in the pathological condition and the functional residual capacity (FRC), residual capacity (RV), and total lung capacity (TLC) are hardly changed. It is also possible to substitute a set value of a parameter relating to respiration such as a ventilator and an instantaneous value such as a flow sensor, or a device such as a flow sensor alone.
本体部31に備えられている第一の抽出手段41は、呼吸状態検出手段により検出された所定呼吸状態における、心拍由来の複数の第二の電位差、を抽出する。まず、第一の抽出手段41は、呼吸状態検出手段39により検出された所定の呼吸状態であるときのデータを電位差マトリクスDmean(t)Cから抽出し、肺内ガス量および胸郭等の体型が同一、すなわち呼吸の影響のない、電位差マトリクスDmean(t)C_RSyncとする。ここで、所定の呼吸状態の一例として、換気量を含むガス量が所定の範囲内にあることがあげられる。 The first extraction means 41 provided in the main body 31 extracts a plurality of second potential differences derived from the heartbeat in the predetermined respiratory state detected by the respiratory state detection means. First, the first extraction unit 41 extracts data when the predetermined respiratory state is detected by the respiratory state detection unit 39 from the potential difference matrix Dmean (t) C, and the body shape such as the lung gas amount and the thorax is extracted. It is assumed that the potential difference matrix Dmean (t) C_RSSync is the same, that is, without the influence of respiration. Here, an example of the predetermined breathing state is that the gas amount including the ventilation amount is within a predetermined range.
本体部31に備えられている心拍状態検出手段40は、電極部10に備えられた電極群の電極のうちの2個とGND電極によって別途測定し、コンピュータシステム30にバッファリングした図26(a)に示すような心電図データDECG(t)から、ある所定の時間内(t1〜t2)における心拍同期情報を検出する。具体的には、図16(a)の心電図データDECG(t)に微分等の処理を施し、図16(b)に丸印で示すR波を複数検出し、各R波での時刻tRをT=0、次のR波までのRR間隔をTRRとなるようtからTへの変換を行う。t1〜t2のRR間隔の平均値TRR_meanを求め、等時間間隔データに変換して扱ってもよい。 The heartbeat state detection means 40 provided in the main body 31 is separately measured by two of the electrodes of the electrode group provided in the electrode unit 10 and the GND electrode, and buffered in the computer system 30 as shown in FIG. ) Heartbeat synchronization information within a predetermined time (t 1 to t 2 ) is detected from the electrocardiogram data DECG (t) as shown in FIG. Specifically, the ECG data DECG (t) in FIG. 16A is subjected to processing such as differentiation, a plurality of R waves indicated by circles in FIG. 16B are detected, and the time t R at each R wave is detected. Is converted from t to T so that T = 0 and the RR interval until the next R wave becomes T RR . the average value T RR_mean of t 1 ~t 2 of RR intervals, may be treated to convert equal time interval data.
心電図データDECG(t)は、実測の電位差マトリクスDmean(t)Cと同期可能であれば、外部のECGからの心電図信号やパルスオキシメータなどの各種センサを採用してもよく、Dmean(t)Cから所定の入力&主力ペア電極で測定された電位差信号についてフィルタリング処理等によって抽出したり、特定の入力&主力ペア電極を用いて、Dmean(t)測定シーケンス毎に別途、測定したりしたものでもよい。 As long as the electrocardiogram data DECG (t) can be synchronized with the actually measured potential difference matrix Dmean (t) C , various sensors such as an electrocardiogram signal from an external ECG and a pulse oximeter may be used. Dmean (t) A potential difference signal measured from a predetermined input & main power pair electrode from C is extracted by a filtering process or the like, or is measured separately for each Dmean (t) measurement sequence using a specific input & main power pair electrode But you can.
第二の抽出手段42は、Dmean(t)C_RSyncの時刻tをTに変換して、図12(a)に示す複数のDmean(T)C_RSyncを同期加算して、呼吸由来成分が除去され、心拍タイミングに基づいた第二の電位差、を抽出する。即ち、第二の抽出手段42は、Dmean(t)C_RSyncの時刻tをTに変換して得られた、図12(a)に示す複数のDmean(T)C_RSyncを加算処理し、図12(b)に示す心拍一周期分の電位差マトリクスDmean(T)C_Syncを抽出する。なお、加算するDmean(T)C_RSyncは、時刻T=0からTRR_mean等の所定の時間までのデータとしてもよいし、所定の時間t1〜t2に対して処理を行う代りに、呼吸あるいは心拍を所定の回数検出する方法でもよい。また、第一の抽出手段41における所定の呼吸状態の検出と第二の抽出手段42における所定の心拍のタイミングの検出とは、互いに置き換えられても良い。ここで、R波のタイミングで同期加算を行うのが望ましい。 The second extraction means 42 converts the time t of Dmean (t) C_RSSync to T, synchronously adds a plurality of Dmean (T) C_RSSync shown in FIG. A second potential difference based on the heartbeat timing is extracted. That is, the second extraction means 42 performs addition processing on a plurality of Dmean (T) C_RSSync shown in FIG. 12A obtained by converting the time t of Dmean (t) C_RSSync to T, and FIG. The potential difference matrix Dmean (T) C_Sync for one heartbeat cycle shown in b) is extracted. The Dmean (T) C_RSsync to be added may be data from a time T = 0 to a predetermined time such as TRR_mean , or instead of performing processing for the predetermined time t 1 to t 2 , breathing or A method of detecting a heartbeat a predetermined number of times may be used. Moreover, the detection of the predetermined respiratory state in the first extraction means 41 and the detection of the predetermined heartbeat timing in the second extraction means 42 may be mutually replaced. Here, it is desirable to perform synchronous addition at the timing of the R wave.
上記加算処理には、単純加算処理、加算平均処理、重み付け加算処理などが含まれる。また、心拍一周期分の電位差マトリクスDmean(T)C_Syncをより少ない加算で高速に得るために、テンプレートマッチングやスプライン補完の処理を行ってもよい。 The above addition processing includes simple addition processing, addition averaging processing, weighted addition processing, and the like. In addition, in order to obtain the potential difference matrix Dmean (T) C_Sync for one cycle of the heart rate with less addition at high speed, template matching or spline interpolation processing may be performed.
EIT(n)算出手段37は、呼吸由来成分が除去された電位差マトリクスDmean(t)C_Syncと、データベース36に記憶されているシミュレート結果である複数(n)の抵抗率に対する電位差マトリクスDmodel(n)と、感度理論の基づく感度マトリクス(sensitivity matrix)あるいはヤコビアン(Jacobian matrix)として知られる重み付けの補正係数を用い、各画素の抵抗率等の電気的特性値を複数(n)算出する。ここで、感度マトリクス等の補正係数は公知の手法により算出し、データベース36として記憶しておくことができる。また、nは、設定した肺抵抗率の数であり、本例では表2などに示すように8種としたが、実際には0.2Ωm刻みで300種ほどのものを求めてデータベース36としてもよい。 The EIT (n) calculating means 37 is a potential difference matrix Dmodel (n) for the potential difference matrix Dmean (t) C_Sync from which the respiratory-derived component has been removed and a plurality of (n) resistivities stored in the database 36. ) And a weighting correction coefficient known as sensitivity matrix based on sensitivity theory or Jacobian matrix, a plurality (n) of electrical characteristic values such as resistivity of each pixel are calculated. Here, correction coefficients such as a sensitivity matrix can be calculated by a known method and stored as the database 36. In addition, n is the number of the set lung resistivity. In this example, eight types are used as shown in Table 2 and the like, but actually, about 300 types in 0.2Ωm increments are obtained as the database 36. Also good.
近年EITで広く採用されている感度マトリクスを用いた場合、Dmean(t)C_Syncの各要素をDmodelの各要素で除算して比較し、さらに各要素の重み付けをするために感度マトリクスを乗算して補正した値EIT(n)を画素毎に算出することができる。 When a sensitivity matrix widely used in EIT in recent years is used, each element of Dmean (t) C_Sync is divided and compared by each element of Dmodel, and further, the sensitivity matrix is multiplied to weight each element. The corrected value EIT (n) can be calculated for each pixel.
各画素について、Dmean(t)C_SyncとDmodel(n)に差がない状態のn、すなわち変化率がゼロとなるnのときが最終的に求めたい抵抗率であるので、理想的には感度マトリクスを乗算して補正したEIT(n)がゼロとなるnのときが最終的に求めたい抵抗率である。決定手段43は反復計算によりEIT(n)がゼロに収束するときを最終的に求めたい抵抗率に決定することもできるし、nを離散的に設定し、EIT(n)の絶対値、あるいは図13のように変化する[EIT(n)]2が最小となるnのときを最終的に求めたい抵抗率(図13では最適値)に決定することもできる。他のスライスがある場合は他のスライスについても同様の処理を行う。ここまで説明したEIT(n)算出手段37と決定手段43により、最適な電気的特性値としての抵抗率を求めるために実行された処理を血流の最適電気的特性値の決定処理と呼ぶこととする。 For each pixel, n is a state in which there is no difference between Dmean (t) C_Sync and Dmodel (n), that is, the resistivity to be finally obtained when the change rate is n. When the EIT (n) corrected by multiplying by n is n, the resistivity to be finally obtained is obtained. The determining means 43 can also determine the resistivity to be finally obtained when EIT (n) converges to zero by iterative calculation, or set n discretely to determine the absolute value of EIT (n), or It is also possible to determine the resistivity (the optimum value in FIG. 13) to be finally obtained when [EIT (n)] 2 that changes as shown in FIG. If there are other slices, the same processing is performed for the other slices. The process executed to determine the resistivity as the optimum electrical characteristic value by the EIT (n) calculation means 37 and the determination means 43 described so far is referred to as the determination process of the optimum electrical characteristic value of the blood flow. And
本体部31の血流断層画像表示制御手段44は、このようにして推定された各画素に対する血流の最適電気的特性値を、あらかじめ電気的特性値に応じて設定した色を用いて、リアルタイムで表示する。図17はその一例であり、血流の最適電気的特性値は絶対的な値であるため、例えば、肺野について測定した血流の最適電気的特性値は、各画素に対応する肺野の局所的な血流量に一対一で対応する。すなわち、血流断層画像表示制御手段44によって表示される同一部位の断層画像は、肺野の局所的な血流量の状態を、同じ基準で客観的に判断することが可能である。特に、図17の左図は、断層画像の1/25秒ごとの変化を下に向かって経時的に示したものである。この図17の画像によって、胸郭の変化などの影響を受けることなく、肺野に流れる血流は、心臓に近い側から流れていくことを把握することができる。 The blood flow tomographic image display control means 44 of the main body 31 uses the color set in advance according to the electrical characteristic value for the optimal electrical characteristic value of the blood flow estimated in this way for each pixel in real time. Is displayed. FIG. 17 shows an example, and the optimal electrical characteristic value of the blood flow is an absolute value. For example, the optimal electrical characteristic value of the blood flow measured for the lung field is the lung field corresponding to each pixel. One-to-one correspondence with local blood flow. That is, the tomographic image of the same part displayed by the blood flow tomographic image display control means 44 can objectively determine the state of the local blood flow in the lung field based on the same reference. In particular, the left figure of FIG. 17 shows the change of the tomographic image every 1/25 seconds over time. With the image in FIG. 17, it is possible to grasp that the blood flow flowing in the lung field flows from the side close to the heart without being affected by changes in the rib cage or the like.
本体部31の領域選択手段45は、血流断層画像表示制御手段44によって生成された断層画像から、病態の疑われる部位等の所定の領域を選択し、より正確な血流の最適電気的特性値を推定する。すなわち、肺を対象組織とした場合、肺全体、右肺、左肺、右前、右後、左前、左後、画素単位等、適宜所望の領域を選択し、選択領域に対応する数学モデル作成手段34により作成された数学モデルのメッシュの電気的特性値をnよりも多く変化させることで、所定の領域における血流の電気的特性値をより正確に推定することが可能となる。 The region selecting unit 45 of the main body 31 selects a predetermined region such as a site suspected of a pathological condition from the tomographic image generated by the blood flow tomographic image display control unit 44, and more accurate optimal electrical characteristics of the blood flow. Estimate the value. That is, when the lung is the target tissue, a desired model region is selected as appropriate, such as the entire lung, right lung, left lung, right front, right rear, left front, left rear, pixel unit, etc., and a mathematical model creation means corresponding to the selected region By changing the electrical characteristic value of the mesh of the mathematical model created by step 34 more than n, it becomes possible to estimate the electrical characteristic value of the blood flow in a predetermined region more accurately.
以上の説明をまとめると、本実施形態に係る電気的インピーダンス断層像測定装置は、図14、図15のフローチャートに示すように動作する。即ち、図3を用いて説明した如く、生体の数学モデルを作成し(S11)、その数学モデルに対し電極を設置し(S12)、対象臓器内において領域の選択がされているかを検出し(S19B)、当初は選択されないので、NOへ分岐して、対象臓器の電気的特性値をn通りに設定する(S13A)。 To summarize the above description, the electrical impedance tomographic image measurement apparatus according to the present embodiment operates as shown in the flowcharts of FIGS. That is, as described with reference to FIG. 3, a mathematical model of a living body is created (S11), electrodes are placed on the mathematical model (S12), and it is detected whether a region is selected in the target organ ( (S19B) Since it is not initially selected, the process branches to NO, and the electrical characteristic value of the target organ is set in n ways (S13A).
次に、n通りの電気的特性値に対し、入力ペア電極を決めて出力ペア電極から電位差を検出し、入力ペア電極を順次シフトして全ての隣り合う電極ペアを入力ペア電極としたシミュレーションを実行する(S14)。シミュレーションの結果を用いて電極間電位差と電気的特性値変化の関係を示す図6のような電位差マトリクスDmodel(n)を求める(S15)。これは前述の通り、データベース36に記憶されてもよい。 Next, for n electrical characteristic values, a simulation is performed in which an input pair electrode is determined, a potential difference is detected from the output pair electrode, and the input pair electrode is sequentially shifted so that all adjacent electrode pairs are input pair electrodes. Execute (S14). Using the simulation result, a potential difference matrix Dmodel (n) as shown in FIG. 6 showing the relationship between the potential difference between the electrodes and the change in the electrical characteristic value is obtained (S15). This may be stored in the database 36 as described above.
次に、電極部10と電極制御部20を用いて電位差を実測し、電位差マトリクスDmean(t)を得る(S16)。ここで、実測時に印加された定電流の周波数が低い場合、Cole−Cole方程式により、実際に用いた定電流よりも高い周波数で印加した場合に得られる電位差Dmean(t)に補正する(S16A)。さらに、Dmean(t)を呼吸成分(Dmean(t)R)と心拍成分(Dmean(t)C)を分離する(S17)。 Next, the potential difference is measured using the electrode unit 10 and the electrode control unit 20 to obtain a potential difference matrix Dmean (t) (S16). Here, when the frequency of the constant current applied at the time of actual measurement is low, the potential difference Dmean (t) obtained when applied at a frequency higher than the constant current actually used is corrected by the Cole-Cole equation (S16A). . Further, Dmean (t) is separated into a respiratory component (Dmean (t) R ) and a heartbeat component (Dmean (t) C ) (S17).
このようにして得られた電位差マトリックスDmean(t)Rと、シミュレーション結果の電位差マトリックスDmodel及び感度マトリックスS等の重み付け係数に基づき、各画素におけるEIT(n) を算出する(S18)。 Based on the potential difference matrix Dmean (t) R obtained in this way, and the weighting coefficients such as the potential difference matrix Dmodel and the sensitivity matrix S of the simulation result, EIT (n) in each pixel is calculated (S18).
各画素について、EIT(n)の絶対値、あるいは[EIT(n)]2が最小となるnのとき、すなわち、Dmean(t)C_SyncとDmodel(n)に差がない状態のnでの抵抗率を求め、呼吸由来の絶対的な最適電気的特性値を決定(S19)する。 For each pixel, the absolute value of EIT (n) or the resistance at n when [EIT (n)] 2 is minimum, that is, there is no difference between Dmean (t) C_Sync and Dmodel (n). The rate is obtained, and the absolute optimum electrical characteristic value derived from respiration is determined (S19).
呼吸由来の絶対的な最適電気的特性値から、換気量が一定範囲にある所定の呼吸状態を検出し(S20)、所定の呼吸状態にあるDmean(t)C_RSyncを抽出する(S21)。 From the absolute optimum electrical characteristic value derived from respiration, a predetermined respiration state where the ventilation volume is in a certain range is detected (S20), and Dmean (t) C_RSSync in the predetermined respiration state is extracted (S21).
一方、ステップS22においてECGデータを収集しておくか、ステップS17において得られたDmean(t)Cから、心拍一周期(R波から次のR波etc.)を順次、検出する(S23)。
ステップS21とステップS23の処理を受けて、Dmean(t)C_RSyncから心拍の各周期に同期した成分を抽出し、同期加算してDmean(t)C_Syncを求める(S24)。
On the other hand, ECG data is collected in step S22, or one heartbeat period (from R wave to next R wave etc.) is sequentially detected from Dmean (t) C obtained in step S17 (S23).
Step S21 receives the processing of a step S23, extracts the components synchronizing from Dmean (t) C_RSync in each period of the heartbeat, determine the synchronous addition to Dmean (t) C_Sync (S24) .
更に、Dmean(t)C_Syncと、シミュレーション結果の電位差マトリックスDmodel及び感度マトリックスS等の重み付け係数に基づき、各画素におけるEIT(n)を算出する(S25)。EIT(n) の絶対値あるいは2乗値の比較を行い、最小値となるnの場合の電気的特性値を、当該画素単位の最適な電気的特性値として最終決定し(S26)、画素毎の最適な電気的特性値を輝度に変換し、断層画像として表示する(S27)。これ以降はステップS19Bへ戻り処理を行うが、選択したことを検出するとS19BにおいてYESへ分岐することになり、選択領域を詳細に測定するため、対象臓器の電気的特性値を複数(n)、選択領域の電気的特性値を複数(n)以上、にそれぞれ設定し(S13B)、ステップS14へ進んでそれ以降の処理を行う。 Furthermore, EIT (n) in each pixel is calculated based on Dmean (t) C_Sync and weighting coefficients such as the potential difference matrix Dmodel and the sensitivity matrix S of the simulation result (S25). The absolute value or square value of EIT (n) is compared, and the electrical characteristic value in the case of n, which is the minimum value, is finally determined as the optimum electrical characteristic value for the pixel unit (S26). Are converted into luminance and displayed as a tomographic image (S27). Thereafter, the process returns to step S19B to perform the process. However, when the selection is detected, the process branches to YES in S19B. In order to measure the selected region in detail, a plurality of (n) The electrical characteristic value of the selected region is set to a plurality (n) or more (S13B), and the process proceeds to step S14 to perform the subsequent processing.
本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置によれば、所定の呼吸状態と所定の心拍状態を検出し、抽出することにより、呼吸による影響を的確に除去した、血流由来の電気的特性値の局所的な絶対値を得ることができ、断層像として表示することで、生体内部の血流の状態をリアルタイムで直感的に把握することが可能となる。 According to the electrical impedance tomographic image measuring apparatus according to the present invention, a predetermined respiratory state and a predetermined heart rate state are detected and extracted, thereby accurately removing the influence of respiration and the blood-derived electrical characteristic value. The local absolute value can be obtained and displayed as a tomographic image, so that the state of blood flow inside the living body can be intuitively grasped in real time.
本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置によれば、例えば、肺野の換気と血流の絶対値の変化を同時にモニタリングすることにより、酸素化が悪いときに換気が悪いのか血流が悪いのかが一目瞭然となり、適切な治療方針を選択することが可能となる。 According to the electrical impedance tomography measurement apparatus of the present invention, for example, by monitoring the ventilation of the lung field and the change in the absolute value of the blood flow at the same time, the ventilation is bad or the blood flow is bad when oxygenation is bad. It becomes clear at a glance and it becomes possible to select an appropriate treatment policy.
また、従来、肺塞栓の患者では、SpO2が急激に低下したことは分かっても、その原因が肺塞栓であることを特定することが難しかったが、本発明に係る電気的インピーダンス断層像測定装置により、肺塞栓も迅速に特定することが可能となり、カテーテルによる吸引や血栓溶解剤の投与等の処置を迅速に行うことが可能となる。 Conventionally, in patients with pulmonary embolism, although it has been known that SpO 2 has rapidly decreased, it has been difficult to specify that the cause is pulmonary embolism. With the device, pulmonary embolism can also be quickly identified, and treatments such as suction with a catheter and administration of a thrombolytic agent can be performed quickly.
さらに、腎臓や心臓といった臓器の血流もモニタリングが可能であるので、投薬による薬効をリアルタイムで確認したり、電気的特性値の絶対値から心拍出量等のパラメータを非侵襲で測定したりすることも可能となる。 In addition, blood flow in organs such as the kidney and heart can be monitored, so that the efficacy of medication can be confirmed in real time, and parameters such as cardiac output can be measured non-invasively from the absolute value of electrical characteristics. It is also possible to do.
10 電極部
11−1〜11−8 電極
20 電極制御部
21 定電流印加手段
22 測定手段
30 コンピュータシステム
31 本体部
32 表示部
33 入力部
34 数学モデル作成手段
35 Dmodel算出手段
36 データベース
37 EIT(n)算出手段
38 呼吸心拍分離手段
40 心拍状態検出手段
41 第一の抽出手段
42 第二の抽出手段
43 決定手段
44 血流断層画像表示制御手段
45 補正手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electrode part 11-1 to 11-8 Electrode 20 Electrode control part 21 Constant current application means 22 Measurement means 30 Computer system 31 Main body part 32 Display part 33 Input part 34 Mathematical model creation means 35 Dmodel calculation means 36 Database 37 EIT (n ) Calculation means 38 Respiration heart rate separation means 40 Heart rate state detection means 41 First extraction means 42 Second extraction means 43 Determination means 44 Blood flow tomographic image display control means 45 Correction means
Claims (8)
定電流を印加するための入力ペア電極と
電位差を検出するための出力ペア電極と
を含む生体の表面の所定の位置を囲繞するように貼着された複数の電極と、
前記入力ペア電極に定電流を印加する定電流印加手段と、
前記数学モデルを用いて任意のメッシュの電気的特性値を複数(n)に変化させ、前記入力ペア電極に定電流を印加した場合に、前記出力ペア電極にそれぞれ発生する複数(n)の第一の電位差(Dmodel)を算出するDmodel算出手段と、
前記入力ペア電極に定電流を印加した場合に、前記出力ペア電極に発生する第二の電位差(Dmean(t))を測定する測定手段と、
前記第二の電位差を、呼吸由来成分と心拍由来成分に分離する、呼吸心拍分離手段と、
前記呼吸心拍分離手段により分離された、前記第二の電位差の呼吸由来成分から、所定呼吸状態を検出する呼吸状態検出手段と、
所定心拍状態を検出する心拍状態検出手段と、
前記心拍由来成分から、前記呼吸状態検出手段により検出された所定呼吸状態にある複数の第二の電位差、を抽出する第一の抽出手段と、
前記心拍状態検出手段により検出された所定心拍状態に基づき、前記第一の抽出手段により抽出された複数の第二の電位差を同期加算して、呼吸由来成分が除去された第二の電位差、を抽出する第二の抽出手段と、
前記呼吸由来成分が除去された第二の電位差を用いて、各画素に対応した複数(n)の血流由来の電気的特性値を算出するEIT(n)算出手段と、
前記複数(n)の血流由来の電気的特性値から各画素における最適な血流由来の電気的特性値を決定する決定手段と、
各画素における最適な血流由来の電気的特性値に基づき断層画像を表示する血流断層画像表示制御手段と
を備えることを特徴とする電気的インピーダンス断層像測定装置。 Based on the position of the organ or tissue of the living body and its electrical characteristics, the biological cross-section is divided, and a mathematical model that can be calculated by changing the electrical characteristic value of each mesh into a plurality (n) is created. Mathematical model creation means;
A plurality of electrodes attached to surround a predetermined position on the surface of the living body, including an input pair electrode for applying a constant current and an output pair electrode for detecting a potential difference;
Constant current applying means for applying a constant current to the input pair electrodes;
When the electrical characteristic value of an arbitrary mesh is changed to a plurality (n) using the mathematical model, and a constant current is applied to the input pair electrodes, a plurality (n) of second (n) occurrences are generated in the output pair electrodes, respectively. Dmodel calculation means for calculating one potential difference (Dmodel);
Measuring means for measuring a second potential difference (Dmean (t)) generated in the output pair electrode when a constant current is applied to the input pair electrode;
A respiratory heartbeat separating means for separating the second potential difference into a respiratory-derived component and a heartbeat-derived component;
A respiratory state detecting means for detecting a predetermined respiratory state from the respiratory-derived component of the second potential difference separated by the respiratory heartbeat separating means;
A heartbeat state detecting means for detecting a predetermined heartbeat state;
First extraction means for extracting a plurality of second potential differences in a predetermined respiratory state detected by the respiratory state detection means from the heartbeat-derived component;
Based on a predetermined heartbeat state detected by the heartbeat state detection means, a plurality of second potential differences extracted by the first extraction means are synchronously added to obtain a second potential difference from which a respiratory-derived component has been removed, A second extraction means for extracting;
EIT (n) calculating means for calculating a plurality of (n) blood flow-derived electrical characteristic values corresponding to each pixel using the second potential difference from which the respiratory-derived component has been removed;
Determination means for determining an optimal blood flow-derived electrical characteristic value in each pixel from the plurality (n) blood flow-derived electrical characteristic values;
An electrical impedance tomographic image measuring apparatus comprising: a blood flow tomographic image display control unit that displays a tomographic image based on an electrical characteristic value derived from an optimal blood flow in each pixel.
ことを特徴とする請求項1に記載の電気的インピーダンス断層像測定装置。 The electrical impedance tomogram according to claim 1, wherein the electrical characteristic value derived from the blood flow is one or more of resistivity, conductivity, dielectric constant, and magnetic permeability. measuring device.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電気的インピーダンス断層像測定装置。 The determining means determines the square of a plurality of (n) electrical characteristic values corresponding to each pixel calculated by the Dmodel calculating means, or the one having the smallest absolute value as the optimal electrical characteristic value. The electrical impedance tomogram measuring apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that
予め定められた生体内の組織の電気的特性値を用いて、第一の電位差を算出する
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の電気的インピーダンス断層像測定装置。 The Dmodel calculation means includes
The electrical impedance tomogram measurement apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the first potential difference is calculated using a predetermined electrical characteristic value of the tissue in the living body.
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