Tomografie cu impedanță electrică

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Imagine de impedanță electrică a plămânilor într-una din primele reconstrucții

Tomografia cu impedanță electrică ( EIT ) este o tehnică de imagistică medicală în care o imagine a conductivității unei părți a corpului este analizată prin măsurarea curenților la suprafață. De obicei, electrozii conductori sunt așezați pe pielea subiectului și un curent alternativ mic este aplicat pe unii sau pe toți electrozii. Rezultatele potențiale sunt măsurate, în timp ce procesul poate fi repetat cu diferite configurații de curent aplicate.

Aplicațiile acestei tehnici includ monitorizarea funcției pulmonare , screeningul cancerului de piele și de sân și imagistica creierului . [1] Până în prezent toate aplicațiile au fost considerate experimentale. [1] .
În 2011, primul echipament comercial pentru EIT a fost introdus comercial, pentru monitorizarea funcției pulmonare pentru pacienții cu terapie intensivă .

Istorie

Utilizarea tomografiei cu impedanță electrică (EIT) ca tehnică de imagistică medicală este atribuită lui John G. Webster și unei publicații din 1978 [2], deși prima implementare practică a unui EIT în domeniul medical datează din 1984 și este documentată în opera lui David C. Barber și Brian H. Brown . [3]

Formularea matematică a problemei a fost pusă de Alberto Calderón , [4] în literatura matematică, această tipologie a problemei (problema inversă) este adesea denumită „problema inversă a lui Calderon” sau „problema lui Calderon”.

În geofizică, o tehnică similară (numită tomografie cu rezistivitate electrică ) este implementată folosind electrozi pe suprafața pământului pentru a localiza anomaliile în rezistivitate și, în procesele industriale, sunt utilizate matricele de electrodi pentru a monitoriza amestecurile de fluide conductoare din interiorul conductelor. Această metodă este utilizată în imagistica proceselor industriale [5] pentru monitorizarea fluidelor conductoare. În acest context, tehnica mai este numită „tomografie cu rezistență electrică” (rețineți ușoara diferență în comparație cu aplicația în geofizică).

Electrozii metalici sunt, în general, în contact direct cu fluidul, în timp ce electronica utilizată pentru reconstrucția imaginii și metoda de reconstrucție în sine sunt foarte asemănătoare cu cele utilizate în domeniul medical. În geofizică această tehnică a fost utilizată încă din anii 1930.

Teorie

Într-un țesut biologic, conductivitatea electrică și permitivitatea variază în funcție de tipul de țesut, în funcție în principal de temperatură și de factorii fiziologici. De exemplu, plămânii sunt mai puțin conductivi atunci când alveolele sunt umplute cu aer. În tomografia cu impedanță electrică, electrozi adezivi sunt aplicați pe piele și un curent electric alternativ, la o frecvență între 10 și 100 kHz, de obicei de câțiva mA este aplicat între doi sau mai mulți electrozi. Ceilalți electrozi sunt utilizați pentru a măsura tensiunea rezultată. Această operație se repetă pentru numeroase „modele de stimulare”, de exemplu, realizând o secvență de intrare curentă și citind între perechi succesive de electrozi.

Curenții utilizați sunt relativ mici și sub limita de stimulare nervoasă. Frecvența este suficient de mare pentru a evita provocarea efectelor electrolitice în organism, iar puterea ohmică disipată este suficient de redusă și difuză pe suprafața corpului pentru ca sistemul de termoreglare al corpului să poată contrabalansa cu ușurință efectul. Curentul este aplicat utilizând o sursă de curent aplicată între perechi de electrozi utilizând un convertor (potențial la curent), controlând intrarea printr-un convertor digital în analog. Măsurarea poate implica, de asemenea, o singură măsurare a tensiunii sau utilizarea perechilor de electrozi.

Sistemele mai noi convertesc semnalul alternativ direct, realizând demodulare digitală. Multe sisteme EIT sunt capabile să funcționeze la diferite frecvențe și pot măsura simultan magnitudinea și faza tensiunii. Tensiunile măsurate sunt apoi procesate de un computer care reconstituie și afișează imaginea. În cazul imaginilor în timp real, o abordare este aceea a regularizării lui Tihonov . La nivel practic, utilizat în principal în aplicații medicale , este reconstruită o imagine diferențială. O a doua abordare este cea a reconstrucției folosind metoda elementelor finite și corectarea conductivităților (de exemplu folosind o variantă a algoritmului Levenberg-Marquardt) pentru a se potrivi întregul cu datele măsurate. Această abordare necesită cunoașterea exactă a formei corpului analizat și a poziției exacte a electrozilor.

Proiectul open source EIDORS oferă o serie de programe (scrise în Matlab / Octave) pentru reconstrucția și vizualizarea datelor sub licența GNU / GPL.

Imagistica pulmonară

EIT găsește una dintre cele mai bune aplicații în monitorizarea pulmonară, deoarece aerul are o conductivitate mult mai mică decât toate celelalte țesuturi din piept și generează un contrast ridicat în proprietățile electrice ale volumului observat.

Cea mai promițătoare aplicație clinică a EIT este pentru monitorizarea funcției respiratorii a pacienților ventilați mecanic . Ventilația mecanică este, de fapt, adesea asociată cu daune cauzate de ventilator (VILI - Ventilator-induced pulmon injury). [6] EIT poate arăta modificări ale distribuției volumului pulmonar între regiunile dependente și nedependente, simultan cu modificarea efectuată pe ventilatorul pulmonar. În acest fel, EIT poate fi utilizat pentru a seta parametrii ventilatorului în condiții de siguranță, asigurând ventilație pulmonară de protecție pentru fiecare pacient. . [7]

Electrozi toracici
Imagine rezultată

Imaginile de mai sus provin de la grupul de studiu EIT de la Universitatea Oxford Brookes și arată o încercare de monitorizare 3D a pieptului utilizând sistemul EIT OXBACT3. Imaginea reconstituită este mediată în timp și arată plămânii ca regiuni cu conductivitate scăzută. Chiar și folosind o formă foarte exactă a pieptului, rezultatul este o imagine distorsionată, rezultatul utilizării unui algoritm de reconstrucție numai 2D. Rezultatele unui studiu similar au fost publicate. . [8]

Majoritatea studiilor EIT s-au concentrat pe monitorizarea funcției pulmonare regionale, folosind informații din analiza funcțională EIT (f-EIT). Cu toate acestea, valorile absolute ale EIT (a-EIT) arată un potențial ridicat de utilitate în utilizarea clinică pentru monitorizarea pulmonară, deoarece această abordare ar permite să se facă distincția între afecțiunile pulmonare care sunt rezultatul unor regiuni cu rezistivitate scăzută (de exemplu, hemotorax , revărsat pleural , atelectazie și edem pulmonar ) și cele cu rezistivitate ridicată (de exemplu, pneumotorax , emfizem ).

Reconstrucția imaginii folosind impedanță absolută necesită cunoștințe exacte despre dimensiunea, forma corpului și locația electrozilor, deoarece datele inexacte ar duce la artefacte în timpul fazei de reconstrucție. În ciuda prezenței studiilor publicate cu privire la aspectele unui EIT, până în prezent acest domeniu de cercetare nu a atins încă nivele atât de mari încât să poată fi utilizat în rutina clinică.

Pe de altă parte, analiza funcțională a EIT permite monitorizarea modificărilor relative ale impedanței care pot fi cauzate atât de ventilație, cât și de modificările volumului pulmonar expirator final (EELV). Aceste modificări relative sunt comparate cu un nivel de bază care este de obicei definit ca distribuția de impedanță intratoracică la sfârșitul expirației.

Imaginile funcționale EIT pot fi generate continuu și direct la pat. Aceste caracteristici fac ca monitorizarea funcției pulmonare să fie deosebit de utilă în timpul terapiei pacientului, în caz de necesitate de oxigenare crescută sau de eliminare a CO2 și în toate cazurile în care modificările terapiei vizează realizarea unei distribuții mai omogene a gazelor în interiorul plămânilor unui pacient ventilat mecanic. Monitorizarea funcției pulmonare cu EIT poate arăta schimbări în distribuția regională a volumului în plămâni (de exemplu, regiuni dependente și nedependente), deoarece parametrii ventilatorului sunt modificați pe ventilator.

Imagistica mamară

EIT a fost investigat în domeniul imagisticii sânilor ca metodă alternativă sau complementară la mamografie și RMN pentru identificarea cancerului de sân. Specificitatea scăzută a mamografiei [9] și a imagisticii prin rezonanță magnetică [10] are ca rezultat un număr mare de fals pozitivi, cu stres ridicat pentru pacienți și costuri ridicate pentru spitale. Acest lucru, pe lângă îngrijorările cu privire la utilizarea radiațiilor pentru mamografie și nefrotoxicitatea Gadolinium (mediul de contrast utilizat în imagistica prin rezonanță magnetică pentru screeningul mamar), [11] au determinat dezvoltarea unor tehnici alternative screeningului.

Literatura de specialitate arată că proprietățile electrice dintre țesuturile mamare normale și cele maligne diferă, [12] stabilind piatra de temelie pentru un screening anti-cancer bazat pe proprietățile electrice ale țesuturilor.

Echipamentul T-Scan este rezultatul comercial al dezvoltării tehnicii de impedanță electrică non-tomografică [13], care sa dovedit a crește sensibilitatea și specificitatea atunci când este utilizat în screening-ul mamografiei. Un raport către Food and Drug Administration din SUA descrie un studiu care a implicat 504 subiecți în care sensibilitatea mamografiei a fost de 82%, cu 62% doar pentru T-Scan și 88% pentru cele două sisteme combinate. Specificitatea a fost de 39% pentru mamografie, 47% pentru T-Scan și 51% pentru cele două sisteme combinate. [14]

Mai multe grupuri de cercetare din întreaga lume dezvoltă această tehnică.

Imagistica creierului

EIT a fost, de asemenea, indicat ca bază pentru monitorizarea creierului, pentru monitorizarea și diagnosticarea ischemiei cerebrale , a hemoragiei cerebrale , a epilepsiei , împreună cu cercetările privind activitatea normală a creierului și activitatea neuronală.

În acest domeniu, EIT este utilizat prin aplicarea curenților de joasă frecvență pe craniu, în ordinea a 100 Hz. La aceste frecvențe, curenții aplicați intră în spațiul intracelular al neuronilor . Când un neuron activează o polarizare, rezistența membranei sale este redusă cu un factor de 80. Când se întâmplă acest lucru pentru un număr mare de neuroni, rezistivitatea se schimbă între aproximativ 0,06 și 1,7%. Această schimbare a rezistivității face posibilă identificarea activității neuronale pe un număr mare de neuroni și în acest fel imaginea tomografică permite identificarea activității neuronale a creierului.

Din păcate, deși aceste modificări pot fi identificate, „sunt prea mici pentru a reconstrui o imagine corectă” [15] Utilizarea acestei tehnici în viitor va depinde de capacitatea de a îmbunătăți calitatea semnalului sau a înregistrării semnalului.

Sisteme disponibile pe piață

Deși sistemele EIT nu sunt utilizate pe scară largă, mai mulți producători de echipamente medicale au sisteme disponibile, pentru uz comercial, care sunt rezultatul dezvoltării grupurilor de cercetare. Primul sistem a fost fabricat de Maltra International [1] care distribuie un sistem Sheffield Mark 3.5.

Alți producători includ Dräger Medical [2] , CareFusion [3] , companii specializate în ventilație mecanică care distribuie sisteme „Goe MF II”, dezvoltate pe baza activității Universității din Gottingen.

Impedance Medical Technologies [4], care produce un sistem bazat pe activitatea Institutului de Cercetare Radioinginerie și Electronică din Moscova al Academiei de Științe din Rusia [5] , specializat în prevenirea cancerului de sân.

Aceste sisteme sunt de obicei conforme cu caracteristicile de siguranță legate de echipamentele medicale și sunt utilizate de obicei de grupurile de cercetare din spitale, în special în UCI pentru a monitoriza ventilația mecanică.

Primul sistem de monitorizare a funcției pulmonare EIT conceput pentru utilizarea clinică de rutină a fost pus la dispoziție de Dräger Medical în 2011 sub numele PulmoVista 500. [16]

Notă

  1. ^ a b Holder DS, Tomografia cu impedanță electrică: metode, istorie și aplicații, Institutul de Fizică, 2004. ISBN 0-7503-0952-0 .
  2. ^ RP Henderson și JG Webster, o cameră cu impedanță pentru măsurători spațiale specifice ale toracelui , în IEEE Trans. Biomed. Eng. , Vol. 25, nr. 3, 1978, pp. 250–254, DOI : 10.1109 / TBME.1978.326329 , PMID 680754 .
  3. ^ DC Barber și BH Brown, Tomografia potențială aplicată , în J. Phys. Ieși. Instrum , vol. 17, 1984, pp. 723–733, DOI : 10.1088 / 0022-3735 / 17/9/002 .
  4. ^ Calderón AP (1980) „Cu privire la o problemă inversă a valorilor la graniță”, în timpul Seminarului privind analiza numerică și aplicațiile sale la fizica continuului , la Rio de Janeiro. Copie scanată a hârtiei . Studiul a fost retipărit și Alberto P. Calderon, Despre o problemă inversă a valorilor la graniță , în Mat. Apl. Calculator. , vol. 25, nr. 2-3, 2006, pp. 133–138.
  5. ^ MS Beck și R. Williams, Tomografie de proces: Principii, tehnici și aplicații, Butterworth-Heinemann (19 iulie 1995), ISBN 0750607440
  6. ^ Arthur S. Slutsky și V. Marco Ranieri, Ventilator-Induced Lung Injury , în New England Journal of Medicine , vol. 369, nr. 22, 28 noiembrie 2013, pp. 2126-2136, DOI : 10.1056 / NEJMra1208707 . Adus la 15 martie 2016 .
  7. ^ I. Frerichs, J. Scholz și N. Weiler, Tomografia cu impedanță electrică și perspectivele sale în medicina de terapie intensivă , vol. 2006, Berlin, Springer, 2006, pp. 437–447, DOI : 10.1007 / 3-540-33396-7_40 .
  8. ^ N. Kerrouche, CN McLeod și WRB Lionheart, seria temporală a imaginilor pieptului EIT folosind descompunerea valorii singulare și transformata Fourier , în Physiol. Măs. , vol. 22, n. 1, 2001, pp. 147–157, DOI : 10.1088 / 0967-3334 / 22/1/318 , PMID 11236875 .
  9. ^ PT Huynh, AM Jarolimek și S. Daye, Mamografia fals-negativă , în RadioGraphics , vol. 18, nr. 5, 1998, pp. 1137-1154, PMID 9747612 .
  10. ^ CW Piccoli, RMN mamar cu contrast îmbunătățit: factori care afectează sensibilitatea și specificitatea , în Radiologie europeană , vol. 7, 1997, pp. 281-288, PMID 9370560 .
  11. ^ PH Kuo, E. Kanal, AK Abu-Alfa și SE Cowper, agenți de contrast MR pe bază de Gadolinium și fibroză sistemică nefrogenă , în Radiologie , vol. 242, n. 3, 2007, p. 647, DOI : 10.1148 / radiol . 2423061640 .
  12. ^ J. Jossinet, Impedabilitatea țesutului mamar uman proaspăt excizat , în Physiological Measurement , vol. 19, nr. 1, 1998, pp. 61–76, DOI : 10.1088 / 0967-3334 / 19/1/006 .
  13. ^ Michel Assenheimer, Orah Laver-Moskovitz, Dov Malonek, David Manor, Udi Nahaliel, Ron Nitzan și Abraham Saad, Tehnologia T-SCAN: impedanța electrică ca instrument de diagnosticare pentru detectarea cancerului de sân. , în Măsurare fiziologică , vol. 22, n. 1, 2001, pp. 1-8, DOI : 10.1088 / 0967-3334 / 22/1/301 , PMID 11236870 .
  14. ^ TransScan T-Scan 2000 - P970033 Arhivat 7 aprilie 2016 la Internet Archive ., 24 aprilie 2002, Food and Drug Administration .
  15. ^ O Gilad și DS Holder, Schimbările de impedanță înregistrate cu electrozii scalpului în timpul răspunsurilor evocate vizual: implicații pentru tomografia de impedanță electrică a activității neuronale rapide. , în NeuroImage , vol. 47, nr. 2, 2009, pp. 514–22, DOI : 10.1016 / j.neuroimage.2009.04.085 , PMID 19426819 .
  16. ^ (EN) John Brosky, Noua modalitate de monitorizare a plămânilor Set to Challenge CT, TEE, în Medical Device Daily, vol. 15, nr. 52, 2011, pp. 1 - 7.

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Electrical_impedance_Tomography&oldid=117594956 ”