비-접촉 전기적 임피던스 이미지화를 위한 장치 및 방법{AN APPARATUS AND METHOD FOR NON-CONTACT ELECTRICAL IMPEDANCE IMAGING}

본 발명의 실시예들은 전기적 임피던스 이미화를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

전기적 임피던스 단층촬영법(Electrical Impedance Tomography, EIT), 전기적 임피던스 스캐너(Electrical Impedance Scanner, EIS) 및 응용 전위 단층촬영법(Applied Potential Tomography, APT)으로서 언급되기도 하는, 전기적 임피던스 조영법(Electrical Impedance Mammography, EIM), 또는 전기적 임피던스 이미지화(Electrical Impedance Imaging, EII)는 특히 의료용 애플리케이션에서 사용되는 이미지화 기술이다.

이 기술은 신체와 같은 오브젝트(object) 안쪽의 전기적 임피던스의 공간적 분포를 이미지화한다. 이 기술은 의료 진단 툴로서 매력적인 기술인데, 왜냐하면 비침습성이며 X-선 단층촬영에서와 같은 이온 방사선(ionizing radiation)을 사용하지 않고 자기 공명 이미지화법(Magnetic Resonance Imaging, MRI)에서와 같은 강하고 균일도 높은 자기장의 발생이 없기 때문이다.

전형적으로 이차원(2D) 또는 삼차원(3D) 배열의 균등하게 이격된 전극들은 관심 대상의 영역 주위에서 이미지화될 오브젝트에 부착된다. 입력 전압이 여러 쌍의 '입력' 전극들 양단에 인가되고 출력 전류가 '출력' 전극들에서 측정되거나 또는 입력 전류가 여러 쌍의 '입력' 전극들 간에 인가되고 출력 전압이 '출력' 전극들 간에 혹은 여러 쌍의 출력 전극들 간에 측정된다. 예를 들어, 매우 작은 교류 전류가 한 쌍의 '입력' 전극들 간에 인가될 때, 다른 모든 쌍의 '출력' 전극들 간의 전위차가 측정된다. 그 다음으로, 전류가 다른 쌍의 '입력' 전극들 간에 인가되고, 그리고 다른 모든 쌍의 '출력' 전극들 간의 전위차가 측정된다. 이미지가 적당한 이미지 복원 기술을 사용하여 구성된다.

전기적 임피던스 이미지화에서 나타나는 공간적 변화는 건강한 조직과 건강하지 않은 조직 간의 임피던스의 변화로 인한 것일 수 있고, 다른 조직들 및 기관들 간의 임피던스의 변화 또는 이방성 효과로 인한 겉보기 임피던스의 변화는 예를 들어 근 정렬(muscle alignment)로 인한 것일 수 있다.

암과 관련된 조직 또는 세포 변화는 전기적 임피던스에서 중요한 국부화된 변화를 일으키고 그리고 이미지화될 수 있다. WO 00/12005는 유방암 혹은 다른 암을 검출하는데 사용될 수 있는 전기적 임피던스 이미지화 장치의 한 예를 개시하고 있다.

임피던스 이미지화와 관련된 가장 공통적인 문제는 이미지화될 오브젝트에 의해 제공되는 전기적 임피던스가 아닌 예측이 안 된 그리고 알려지지 않은 전기적 임피던스의 존재이다. 예측이 안 된 그리고 알려지지 않은 전기적 임피던스는 이미지화 전극 센서 시스템 및 전기적 임피던스에서의 그 관련 변화로부터 일어 날수 있고, 이것은 오브젝트의 내부 전기적 임피던스 및 그 변화보다 훨씬 더 클 수 있으며, 따라서 오브젝트의 내부 전기적 임피던스에서의 국부적 변화 또는 이러한 임피던스에서의 변화를 감출 수 있다. 예를 들어, 전극과 이미지화될 오브젝트 간의 불완전한 접촉으로 각각의 전극에서 임피던스가 도입된다. 이러한 임피던스는 전극과 전극을 거쳐 알려지지 않은 방식으로 변할 수 있고 또는 시간에 따라 변할 수 있으며, 또는 전극이 오브젝트에 어떻게 부착되는 가에 따라 변할 수 있다. 이것은 이미지를 만듦에 있어, 중요하고 예측 불가능한 에러를 유발할 수 있고, 따라서 결과적으로 반복 불가능한 이미지가 만들어진다. 이것은 예를 들어 건강하지 않은 조직의 발달을 정확하게 검출하고 모니터링하는 데 장애가 된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 전극들을 사용하는 전기적 임피던스 이미지화의 방법이 제공되며, 여기서 복수의 전극들 각각은 이미지화될 오브젝트에 접촉하지는 않지만 특별한 전도성 유체를 통해 이 오브젝트에 전기적으로 연결되며, 이 오브젝트는 유체에 적어도 부분적으로 잠긴다.

전극들이 오브젝트에 직접 접촉하도록 하는 대신에 각각의 전극과 오브젝트 사이에 유체의 연속체가 들어감으로 인한 한 가지 장점은, 각각의 전극과 오브젝트 간의 임피던스를 실질적으로 표준화시킬 뿐만 아니라, "사이즈리스(sizeless)" 이온들에 기반을 둔 전극과 오브젝트 간의 "완벽한" 접촉을 얻을 수 있다는 것이다. 이것은 더 신뢰성 있는 이미지화를 가능하게 한다.

이 유체는 전형적으로는 전기적으로 전도성이다. 이것은 이온들을 포함하는 액체(또는 겔)일 수 있다. 이 유체의 전도도는 이온들의 농도를 제어함으로써 세심하게 제어될 수 있다. 이 이온들은 Na+과 같은 Ⅰ족 금속 이온들을 포함할 수 있다. 이 이온들은 Cl-와 같은 Ⅶ 족 할로겐 이온들을 포함할 수 있다.

이온들을 포함하는 유체를 사용함으로써 얻을 수 있는 이점은 전극과 오브젝트 간의 전도성 매커니즘이 "사이즈리스" 이온에 기반을 둔 '적극-이온-오브젝트'라는 것이다. 이 전도 매커니즘은, 일단 전극 물질이 선택되는 경우 공지된 "반-전지" 전위("half-cell" potentials)로 전극과 오브젝트 간의 "완벽한" 접촉을 제공한다. 전도 매커니즘이 전형적인 "전극-피부 인터페이스"가 아니기 때문에, "접촉" 기반의 "전극-피부 인터페이스" 즉, 알려지지 않은 유효 접촉 면적(이것은 "전극-피부 인터페이스"로부터의 관련 커패시턴스를 포함하는 알려지지 않은 접촉 임피던스를 제공함)과 관련된 불리한 손실이 없다. 전극-이온-오브젝트 전도 매커니즘은 전극과 오브젝트 간의 접촉 면적에 따라 달라지지 않는다. 이것은 더 작은 전극을 사용할 수 있게 하고, 따라서 오브젝트를 이미지화하기 위해 사용될 전극을 더 많이 사용할 수 있도록 하며, 그 결과 더 큰 분해능으로 이미지를 만들어낸다.

유체의 온도는 체온에 가까운 온도에 고정되어 자동온도장치로 제어된다. 일정한 값으로 온도를 유지시킴으로써 얻을 수 있는 장점은 각각의 전극과 오브젝트 간의 임피던스가 시간의 경과에도 일정하게 유지된다는 것이다. 이것은 유체의 임피던스에서의 변화로 에러가 유입되는 것을 방지한다.

부피가 가변인 하우징이 오브젝트를 수용하고, 그리고 하우징의 부피는 오브젝트의 크기에 대응하여 변한다. 이로 인해 본 방법은 다른 크기의 오브젝트와 함께 사용될 수 있다. 이것은 또한 어떤 일정 크기의 오브젝트에 대한 반복성 높은 측정을 제공한다. 전극들의 어레이는 전형적으로 하우징의 부피 변화와 함께 변하고, 크기가 더 큰 오브젝트에 대해서는 더 많은 전극들이 사용된다. 따라서, 오브젝트의 크기는 하우징의 부피를 결정하고, 이것은 전극의 정렬을 결정한다.

오브젝트를 이미지화하는데 사용되는 알고리즘은 하우징의 부피를 나타내는 것을 입력으로서 취할 수 있다. 이 부피는 전극의 특별한 공지된 정렬과 관련되어 있으며, 이러한 정렬에 관한 정보는 만들어지는 이미지의 정확도를 개선하기 위해 이 알고리즘에서 사용될 수 있다. 선택된 이미지화 복원 알고리즘으로써 높은 품질의 이미지를 복원할 수 있도록, 필요한 것은, 정확하고 올바른 각 전극의 위치 및 이미지화될 오브젝트와의 그 관계를 아는 것이며, 그래서 알고리즘에 의해 사용되는 이상적인 전극 위치와 전극의 실제 위치 간의 에러가 현저하게 최소화되도록 하는 것이다. 더욱이, 진단을 위해 반복가능성이 높은 이미지를 복원할 수 있도록, 필요한 것은, 오브젝트가 각각의 측정에 대해 유사한 기하학적 구조와 삼 차원 위치에 있는 것이며, 그래서 서로 다른 시간에 수집된 이미지 및 심지어는 동일 모델의 EIM 디바이스로 다른 병원으로부터 수집된 이미지가 서로 비교가능 하도록 하는 것이다. 이것을 달성하기 위해, 동일한 부피 및 그로 인한 동일한 전극 배열이, 동일한 환자에 대해 일련의 개별적이고 분리된 이미지화 절차에서 사용될 수 있으며, 그래서 각각의 절차에서의 만들어진 이미지들이 서로 비교가능하게 된다. 이것은 이미지화 절차의 반복가능도를 개선하고 그리고 가슴 내의 건강하지 않은 조직의 발달이 예를 들어 시간의 경과를 통해 정확하게 검출되고 모니터링되도록 할 수 있다. 특히, 이것은 기술자 혹은 운영자들이 두 가지 분리된 영역인 건강한 조직 및 건강하지 않은 조직을 구별할 수 있도록 하고 이들의 발달을 모니터링할 수 있게 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전기적 임피던스 이미지화를 위한 장치가 제공되며, 이 장치는, 이미지화될 오브젝트가 적어도 부분적으로 잠기는 유체를 포함하기 위한 캐버티(cavity)를 구비한 하우징(hosusing)과; 그리고 상기 캐버티의 주변에 배치되는 복수의 전극들을 포함하고, 여기서, 상기 복수의 전극들 각각은 사용시 이미지화될 상기 오브젝트에 접촉하지 않지만 상기 오브젝트가 잠기는 상기 유체를 통해 상기 오브젝트에 전기적으로 연결된다.

본 발명의 이해를 돕기 위해서, 이제 첨부되는 도면에 대한 단지 예시적 목적의 설명이 제공된다.

도 1은 오브젝트(2)의 전기적 임피던스 이미지화를 위한 장치(10)를 도시하고 있다.

도 1은 오브젝트(2)의 전기적 임피던스 이미지화를 위한 장치(10)를 도시한다. 이 장치(10)는 유체(30)를 함유하기 위한 캐버티(70)를 가지고 있는 하우징(20)과, 여기서 이미지화될 오브젝트(2)가 이 유체(30)에 적어도 부분적으로 잠기고; 그리고 캐버티(70) 주변에 배치되는 복수의 전극들(26, 26A)을 포함한다. 사용시, 전극들(26, 26A) 각각은 이미지화될 오브젝트(2)와 접촉하지 않지만, 오브젝 트(2)가 잠긴 유체(30)를 통해 오브젝트(2)에 전기적으로 연결된다.

다음에서 설명되는 장치(10)는 여성의 가슴, 특히 유방의 전기적 임피던스 이미지화에서의 사용을 위해 구성된다.

여성이 테이블(72) 상에 눕고, 그녀의 가슴을 캐버티(70) 안으로 위치시키는데, 이 캐버티(70)는 사전에 유체(30)로 채워져 있거나 후속적으로 유체(30)로 채워진다. 캐버티(70)는 가변 부피를 가지고 이미지화될 가슴(2)의 크기에 정합하도록 크기 조절된다.

캐버티(70)는 고정된 크기의 원통의 튜브형 벽 부분(cylindrical tubular wall portion)(22)과 이동가능한 컵 부분(movable cup portion)(24)을 포함하는 하우징(20)에 의해 정의된다. 컵 부분(24)은 전형적으로 타원체의 절단부분 또는 반구체이다.

구동 매커니즘(60)은 컵 부분(24)을 상하로 이동시키기 위해 사용되고, 그럼으로써 가슴(20)의 크기에 대응하도록 하우징 캐버티(70)의 부피를 변경시킨다. 구동 매커니즘(60)은 수용된 가슴(2)의 크기에 정확하게 대응하도록 하우징 캐버티의 부피를 자동을 조정하기 위한 피드백 회로를 포함한다. 가슴(2)이 캐버티(70) 안으로 수용되고, 구동 매커니즘(60)은 가슴(2)이 추가적인 상향 이동에 약간 저항할 때까지 컵 부분을 상승시키고, 이 피드백에 응답하여 매커니즘은 그 다음에 컵 부분(24)을 표준 양만큼 약간 하강시켜 컵 부분과 가슴 피부(2A) 사이에 작은 갭(gap)을 만들며, 이곳은 유체(30)로 채워진다.

다른 실시예들에서, 원통의 튜브형 벽의 직경은 또한 대안적으로는 변경될 수 있다. 피드백 매커니즘은 또한 캐버티의 깊이뿐만 아니라 폭도 수용된 가슴의 크기에 정확하게 대응하도록 하기 위해 사용될 수도 있다.

각각의 전극(26)은 알려진 위치에 고정되어 컵 부분(24)의 표면으로부터 함몰되고, 그리고 각각의 전극(26A)은 알려진 위치에 고정되어 원통(22)의 표면으로부터 함몰된다. 이러한 함몰은 가슴 피부(2A)가 전극들(26, 26A)과 접촉하는 것을 막는 역할을 한다.

전극(26)은 컵 부분(24)의 표면 위에서 이격된 규칙적인 어레이로서 정렬된다. 전극(26A)은 원통(22)의 표면 위에 이격된 규칙적인 어레이로서 정렬된다. 컵 부분(24)이 하강함에 따라, 더 많은 전극(26A)이 캐버티(70) 내에 포함되고, 그리고 컵 부분(24)이 상승함에 따라, 더 적은 전극(26A)이 캐버티 내에 포함된다. 유체(30)를 통한 각각의 전극(26, 26A)과 가슴 피부(2A) 사이의 거리는 유체를 통한 인접한 전극(26 또는 26A) 간의 거리보다 더 작으며, 전형적으로는 5mm보다 작다.

모든 전극 표면(전도성 유체와 인터페이스하고 있음)의 크기와 거칠기는 바람직하게는 동일하다.

이미지화 제어 회로(74)가 전극(26)에 연결된다. 이것은 두 개의 전극(26)의 제 1 세트를 통해 입력 전류를 통과시키고 아울러 전극(26)의 제 2 세트에서 출력 전위차를 측정하기 위한 전기적 신호 발생 회로를 포함한다. 이 전류는 전형적으로 복수의 서로 다른 주파수를 포함하고 적어도 일부 주파수는 1 MHz보다 크다. 100 Hz 내지 1 MHz보다 큰 범위(바람직하게는 10 MHz)의 주파수가 1 MHz를 초과하는 주파수 대역폭으로 사용되고 있다. 다른 실시예에서, 전기적 신호 발생 회로는 두 개 의 전극의 제 1 세트 양단에 입력 전위차를 제공하고 아울러 전극(26)의 제 2 세트에서 출력 전류를 측정한다. 인가된 전위차는 전형적으로 복수의 서로 다른 주파수를 포함하고 그리고 적어도 일부 주파수는 1 MHz보다 크다.

세포들의 그룹 및 조직의 전체 임피던스는 병렬 세포내 임피던스와 병렬 세포외 임피던스로서 모델링 될 수 있다. 세포내 임피던스는 커패시턴스(C _i )와 저항(R _i )의 직렬 연결로서 모델링 될 수 있다. 세포외 임피던스는 저항(R _x )으로서 모델링될 수 있다. 낮은 주파수에서 전체 임피던스는 R _x 에 의해 지배를 받고, 그리고 높은 주파수에서 전체 임피던스는 R _i //R _x 에 의해 지배를 받는다. 주파수 응답은 C _i , R _i 및 R _x 에서의 변화에 민감하고 그리고 이상 조직(abnormal tissue)의 존재를 식별하는데 사용될 수 있다.

이미지 제어 회로(74)는 전극(26)의 제 1 세트 및 제 2 세트를 연속적으로 변경시켜 가슴(2)을 이미지화하기 위한 출력 데이터를 수집한다. 측정된 출력은 아날로그에서 디지털로 변환되고, 예를 들어 상업적으로 이용가능한 소프트웨어를 사용하여 처리되어 가슴(2)의 2D 또는 3D 이미지를 만들어 낸다. 조직의 이상, 예를 들면 암은 전형적으로 상기 이미지에서 대조 영역(contrast region)으로서 나타난다.

유체(30)는 이온들을 포함하는 전기적으로 전도성인 유체이다. 적당한 유체는 수용성 염수 용액이지만 다른 전해액들도 사용될 수 있다. 염수 용액의 농도를 제어하여 유체의 전도도가 가슴(2)의 전도도보다 작거나 혹은 가슴(2)의 전도도와 동일하게 할 수 있고 또는 대안적으로는 가슴(2)의 전도도와 정합하는 전기적 임피던스를 가지도록 할 수 있다. 위생상의 이유로, 유체(30)는 항균성 에이전트(anti-bacterial agent) 및/또는 항살균성 에이전트(anti-fungicidal agent)를 포함할 수 있다.

유체(30)가 단 방향 입구 밸브(one-way inlet valve)(42)를 통해 저장소(40)로부터 하우징 캐버티(70)에 제공된다. 유체(30)는 측정 이후에 내부 밸브(54B)와 출구 밸브(54)를 통해 캐버티로부터 방출된다. 테이블(72) 상의 가슴(2)에 의한 유체의 넘쳐흐름(overflow)은 오버플로우 출구(56)에 의해 방지된다.

하우징 캐버티(70)는 또한 하우징 캐버티(70) 내의 유체(30)의 온도를 일정한 값으로 유지시키기 위한 자동온도 제어 시스템(50)을 포함한다.

믹서(mixer)(52)가 또한 하우징 캐버티(70) 내에 위치된다. 이 믹서(52)는 유체(30) 내의 온도의 균일성을 유지하고 유체(30)의 농도의 균일성을 유지하도록 캐버티 내의 유체(30)를 이동시키는데 사용된다.

세정 매커니즘(rinse mechanism)(62)은 서로 다른 대상에 대해 장치를 사용한 이후 중간에 비어 있는 하우징 캐버티(70)를 항균성 에이전트 및/또는 항살균성 에이전트로 세정하는데 사용된다.

본 발명의 실시예들이 다양한 실시예들을 참조하여 앞서 설명되었지만, 이해할 것으로, 이러한 예들에 대한 여러 수정이 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 만들어질 수 있다는 것이다. 예를 들어, 본 방법 발명 및 장 치 발명이 가슴을 이미지화하는 것에 대해 설명되었지만, 이들은 심장 근육을 이미지화하도록 간단히 개조될 수 있다.

앞서의 명세서의 설명은 특히 중요하다고 생각되는 본 발명의 특징들에 초점이 맞추어 졌지만, 이해해야만 하는 것으로, 본 출원인은, 특히 강조가 되었든 되지 않았든 상관없이 도면에서 도시되고 그리고/또는 상기에서 설명된 특징들의 특허가능한 특징 혹은 그 특징들의 조합에 있어서의 보호를 청구하고 있다.