德国Sciospec的胸阻抗断层成像仪EIT以其精湛的技术和卓越的性能,正在重新定义医学成像的标准。这款胸阻抗断层成像仪EIT设备结合了Fidelity-Embedded Regularization和GREIT技术,实现了高精度和高分辨率的肺部成像,特别适用于科研单位和医疗公司检测和监测各种肺部疾病的实验。本技术文章将详细介绍这些核心技术及其在胸阻抗断层成像中的应用,阐述胸阻抗断层成像仪EIT的优势,并通过丰富的图片和文字展示其实际应用效果。文章zui后将总结其在医疗领域的广泛科研应用前景,并呼吁医疗公司和科研单位选择Sciospec作为可靠的合作伙伴。
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胸阻抗断层成像仪临床前解决方案—Sciospec LungEIT Kit
摘要
德国Sciospec的胸阻抗断层成像仪以其精湛的技术和卓越的性能,正在重新定义医学成像的标准。这款设备结合了Fidelity-Embedded Regularization和GREIT技术,实现了高精度和高分辨率的肺部成像,特别适用于科研单位和医疗公司检测和监测各种肺部疾病的实验。本技术文章将详细介绍这些核心技术及其在胸阻抗断层成像中的应用,阐述Sciospec设备的优势,并通过丰富的图片和文字展示其实际应用效果。文章zui后将总结其在医疗领域的广泛科研应用前景,并呼吁医疗公司和科研单位选择Sciospec作为可靠的合作伙伴。
一、技术背景
1.1电阻抗断层成像(EIT)的基本原理
电阻抗断层成像(EIT)是一种利用物体内部不同部位电阻抗的差异来重建其内部图像的技术。它通过电极阵列在人体表面施加微弱的交流电流,然后测量由此产生的电压,从而计算出不同部位的电阻抗分布。EIT因其无创、实时、便携等特点,被广泛应用于医学成像领域,特别是在胸部和肺部成像中。
同时EIT也是一种用于临床监测机械通气患者的有吸引力的方法,因为它可以提供一种非侵入性、连续的肺阻抗图像,显示通气的分布。然而,肺EIT的大多数临床和生理研究都是使用旧的和专有的算法进行的;这是解释EIT图像的一个障碍,因为重建的图像并没有得到很好的表征。
1.2Fidelity-Embedded Regularization方法
为了应对数据不确定性的病态逆问题,已经开发了众多图像重建算法。在20世纪80年代初,基于X射线CT反投影算法的EIT版本被开发,常称为线性化敏感性方法。还开发了几种直接方法:层剥离法逐层恢复电导率分布,D-bar方法基于电导率问题的构造性唯yi性证明而来,分解法起源于逆散射问题中的形状重建方法。zui近,离散余弦变换被采用来减少逆电导率问题中的未知数。有一个开源软件包,称为EIDORS,用于EIT的前向和逆向建模。也有一些新理论结果显示在理想的EIT模型下电导率分布的唯yi识别。
在实际操作中,S的病态结构会导致严重的不稳定性。为了应对这一基本困难,通常采用正则化的min二乘数据拟合方法来计算:
其中λ是适当选择的正则化参数,R是正则化算子。这样的图像重建依赖于λ的选择(通常是经验确定的)和R使用的先验信息,因而会出现过度正则化或不足正则化的问题。我们提出了一种新的正则化方法,旨在在不依赖正则化参数选择的情况下,实现保真度和稳定性的良好性能。通过研究雅可比矩阵列向量之间的相关性,我们开发了一种新的正则化方法,在其中嵌入了数据保真度结构。我们还开发了一种运动伪影减小滤波器,可在图像重建前应用于数据,通过使用雅可比矩阵的子矩阵。解释所开发的方法后,我们描述了实验结果,显示所提出的嵌入保真度正则化(FER)方法结合运动伪影减小滤波器在非常大的正则化参数值下也能提供稳定的图像重建,因而使方法独立于参数值。
Fidelity-Embedded Regularization方法通过在正则化过程中嵌入一个保真度项,可以更有效地抑制噪声,提高图像的分辨率和精度。为了达到以上目的,我们提出了嵌入保真度的正则化(FER)方法:
公式如下:
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1.3 GREIT算法
EITzui有前途的应用之一是在胸腔内描述生理事件,因为胸腔包含几个在正常功能中电导率变化很大的器官。事实上,肺功能测量是这种技术zui早的生理应用之一。EIT的独特之处在于它能够非侵入性地测量胸部阻抗,提供通气分布的连续图像。基于这些优势,对EIT在监测呼吸功能受损患者中的应用有很大的兴趣。
GREIT(Generalized Reconstruction Algorithm for Electrical Impedance Tomography)是EIT图像重建的统一方法。它通过优化不同的重建参数,能够在保持计算效率的同时,生成高质量的二维EIT图像。GREIT算法在肺部成像中的应用尤为广泛,能够精确识别肺部的病变区域,对肺部疾病的早期诊断和治疗具有重要意义。
GREIT的以下规范已被定义:
使用Sheffield类型EIT系统的单环电极配置,采用相邻电流注入和测量。
基于3D前向模型的2D电导率变化图像的线性(即实时)重建。
定量差分重建,可以为EIT图像分配单位。
在单环16、12和8个电极配置下,将图像重建到32×32像素阵列中,适用于: 新生儿胸部,男性和女性成年胸部以及圆柱形水箱。
这些规范代表了我们认为在EIT社区中达成共识的领域。我们并不认为这些限制是理想的;事实上,我们积极鼓励克服这些限制的工作,例如单环电极放置及其导致的缺乏3D图像信息的问题。
显然,这些标准之间存在固有的权衡,不可能同时优化所有指标。因此,我们将按照以下步骤进行:首先,我们确定理想算法的期望性能指标;随后,我们描述一种统一的方法来计算重建矩阵,该矩阵是在每个指标的重要性权重下的优化折衷。
我们考虑使用Sciospec EIT系统,并使用以下符号。使用nE个电极,依次应用nE种电流刺激模式,并对每种刺激模式并行进行nV次差分电压测量。对于相邻驱动EIT系统,通常不在驱动电极处测量电压,且nV = nE - 3。每个数据帧测量一个向量v ∈ RnM,其中nM = nE * nV数据点(如果介质没有变化,其中一些是冗余的)。差分EIT计算差分数据y,([y]i = [v]i - [vr]i),或归一化差分数据[y]i = ([v]i - [vr]i)/[vr]i),其中vr是对应于背景电导率分布σr的一组参考测量。为了提高其精度,vr通常在多个数据帧中进行平均;这种集合平均可以减少随机噪声。
性能评价指标的计算概要
给定一个EIT差分或归一化差分数据向量y(长度为nE * nV),我们基于一个表示为矩阵R的EIT线性重建算法计算出重建的EIT图像x̂。x̂是一个列向量,表示32×32像素网格的图像。经过重重优化,我们的EIT设备再一次精进了GREIT算法,达到了科研工作者们的使用目的。
二、技术优势
2.1 高精度成像
Sciospec胸阻抗断层成像仪采用了Fidelity-Embedded Regularization和GREIT技术,能够在噪声较高的环境中,依然保持图像的高分辨率和高精度。这对肺部疾病的早期发现和精准诊断科学研究具有重要作用。
2.2 实时监测
该设备能够实现实时的肺部监测,对于需要持续观察肺功能变化的患者尤为适用。例如,在重症监护室中,医生可以实时监测病人的肺部状态,及时调整治疗方案,提高治疗效果。
2.3 无创检测
Sciospec胸阻抗断层成像仪是一种完全无创的检测方法,避免了传统检测手段可能带来的痛苦和风险。特别适用于儿童、老人等特殊志愿者人群的肺部检测。
三、实际应用案例
3.1 重症监护中的应用
在重症监护室中,Sciospec胸阻抗断层成像仪能够实时监测患者的肺部状况,帮助医生及时发现肺部异常变化。例如,对于急性呼吸窘迫综合征(ARDS)患者,设备可以实时提供肺部阻抗图像,帮助医生制定更为有效的呼吸支持策略。
3.2 慢性肺病的管理
对于慢性阻塞性肺病(COPD)患者,Sciospec胸阻抗断层成像仪的OEM医疗合作伙伴利用设备进行日常的肺功能监测,帮助志愿患者和医生了解病情变化,及时调整治疗方案,避免病情恶化。
3.3 肺部肿瘤的早期筛查
在肺部肿瘤的早期筛查中,Sciospec胸阻抗断层成像仪通过和国外知名医学单位合作检测到早期的病变区域,提供高分辨率的肺部图像,有助于早期诊断和治疗,提高患者的生存率。
四、LungEIT 试剂盒的亮点
LungEIT试剂盒配备符合IEC60601-1标准的安全功能,确保可靠和安全的运行。
该试剂盒包括所有必要的附件,如布线和电极带,可无缝应用于肺部成像。
集成在Sciospec的软件套件中,专用的肺成像应用程序有助于轻松高效地进行肺部成像。
该设备允许用户开发自己的应用程序,确保灵活性和定制性,并与EIDORS等标准兼容。
通过心电图同步和外部传感器和设备的隔离I/O等模块,增强了研究能力。
五、核心优势
5.1 轻松进入肺部成像
LungEIT试剂盒提供了很简单的肺部成像入口,提供了一种即用型解决方案,简化了初始设置和应用过程。唯yi能为您提供研究系统灵活性的解决方案,并结合了医疗安全功能的优势,从而简化了进入临床环境和研究的方式。
5.2 创新与测试
该试剂盒允许用户在进样模式和测量参数方面完全自由配置,访问原始数据,开放接口,并与EIDORS等标准兼容。Sciospec LungEIT试剂盒拥有您尝试想法、构建创新研究和产品所需的一切。为了进一步迁移到商业规模的应用,我们提供定制的OEM版本的EIT解决方案,以完全满足您的产品需求。
5.3 全面的支持和附加组件
我们的试剂盒包括所有必要的组件和专用应用程序,确保您的肺部成像研究的起点。如果您需要超越这一点,我们有无数的选择来扩展系统,从扩大通道数、增加外部传感器和仪器的接口或同步到ECG信号——我们都能满足您的需求。当事情变得复杂时,我们经验丰富的专家会在您身边,支持您构建应用程序。
六、技术规格
6.1 并行测量与同步切换
真正的并行测量和紧密同步的切换可实现快速帧速率,并且具有我们EIT平台的所有功能,该套件拥有肺部成像和任何其他EIT应用所需的一切。
高达100 fps的高帧率
通道数从16到256
医疗级安全功能(符合ISO 60601-1标准)
多频测量范围从100 Hz到1 MHz
无数选项,如ECG同步和隔离I/O,用于与外部传感器和设备集成
6.2 易于使用的软件
Sciospec LungEIT试剂盒配备了我们直观的软件套件,包括专用的肺部成像应用程序。这使得配置和运行EIT测量变得非常容易和快速,包括美观的图像重建。对于那些想要扩展这一点并使用自己的算法或进行完全不同类型的数据处理的人,我们提供了许多选项,包括自定义重建矩阵、原始数据导出和EIDORS兼容性。具有数据访问能力,还具备强大的功能,支持各种研究和开发需求。
6.3安全特性
外壳:防止电路与外部设备或人员接触,屏蔽测量前端(降噪)和机械安全
医疗级电源:外部隔离的AC/DC转换器为设备供电,并可独立电池操作
隔离的全速USB接口:用于仪器控制和数据读取
以太网接口:标准RJ45接口,用于远程控制仪器
IsoIO模块:低级通信接口,包括硬件同步和灵活可编程的IO标准(如UART、SPI、I2C)
测量和控制模块:包括测量控制、信号处理、激励生成和模拟测量功能
AC耦合前端:用于测量端口的AC耦合模块,隔离仪器与测量对象或患者接口
结论
Sciospec胸阻抗断层成像仪是一款科研型设备,为临床前医学奠定了扎实的基础,胸阻抗断层成像仪融合了Fidelity-Embedded Regularization和GREIT技术,提供了高精度、实时、无创的肺部成像解决方案。无论是在对志愿单位重症监护、慢性病管理还是肿瘤筛查中,这款设备都展示出了其独特的优势。未来,随着技术的不断进步,Sciospec将继续致力于为医疗行业提供更为可靠的科研设备,助力健康事业的发展。
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