Elektryczna tomografia impedancyjna - Electrical impedance tomography

Elektryczna tomografia impedancyjna
TK klatki piersiowej człowieka pokazujący aktualne ścieżki dla EIT corrected.jpg
Rysunek 1: Przekrój klatki piersiowej człowieka z rentgenowskiego tomografu komputerowego pokazujący linie prądu i ekwipotencjały z elektrod zasilających. Zwróć uwagę, jak linie są wyginane przez zmianę przewodnictwa między różnymi narządami.
Cel, powód pomiary służą do tworzenia obrazu tomograficznego części ciała człowieka

Tomografia impedancji elektrycznej ( EIT ) to nieinwazyjny rodzaj obrazowania medycznego, w którym przewodność elektryczna , przenikalność i impedancja części ciała są wywnioskowane z pomiarów elektrod powierzchniowych i wykorzystane do utworzenia obrazu tomograficznego tej części. Przewodność elektryczna różni się znacznie w różnych tkankach biologicznych (bezwzględna EIT) lub w ruchu płynów i gazów w tkankach (różnica EIT). Większość systemów EIT stosuje małe prądy przemienne o jednej częstotliwości, jednak niektóre systemy EIT wykorzystują wiele częstotliwości, aby lepiej odróżnić prawidłową i podejrzaną tkankę w obrębie tego samego narządu (wieloczęstotliwościowa EIT lub spektroskopia impedancji elektrycznej).

Zazwyczaj przewodzące elektrody powierzchniowe są przymocowane do skóry wokół badanej części ciała. Małe prądy przemienne zostaną przyłożone do niektórych lub wszystkich elektrod, a wynikowe ekwipotencjały są rejestrowane z pozostałych elektrod (rysunki 1 i 2). Proces ten zostanie następnie powtórzony dla wielu różnych konfiguracji elektrod, a ostatecznie uzyskany zostanie dwuwymiarowy tomogram zgodnie z włączonymi algorytmami rekonstrukcji obrazu.

Ponieważ zawartość wolnych jonów określa przewodnictwo tkanek i płynów, mięśnie i krew będą przewodzić zastosowane prądy lepiej niż tkanka tłuszczowa, kostna czy płucna. Ta właściwość może być używana do rekonstrukcji obrazów statycznych za pomocą morfologicznego lub bezwzględnego EIT (a-EIT). Jednak w przeciwieństwie do liniowych promieni rentgenowskich stosowanych w tomografii komputerowej, prądy elektryczne przemieszczają się w trzech wymiarach po ścieżce o najmniejszej rezystywności. Oznacza to, że część prądu elektrycznego opuszcza płaszczyznę poprzeczną i powoduje przeniesienie impedancji. Ten i inne czynniki powodują, że rekonstrukcja obrazu w absolutnym EIT jest tak trudna, ponieważ zwykle istnieje więcej niż jedno rozwiązanie do rekonstrukcji obrazu trójwymiarowego obszaru rzutowanego na płaszczyznę dwuwymiarową.

Matematycznie problem odzyskiwania przewodnictwa z powierzchniowych pomiarów prądu i potencjału jest nieliniowym problemem odwrotnym i jest bardzo źle postawiony . Matematyczne sformułowanie problemu zawdzięczamy Alberto Calderónowi , aw matematycznej literaturze zagadnień odwrotnych często określa się go mianem „odwrotnego problemu Calderona” lub „problemu Calderona”. Prowadzone są rozległe badania matematyczne dotyczące problemu jednoznaczności rozwiązania i algorytmów numerycznych dla tego problemu.

W porównaniu z przewodnictwem większości innych tkanek miękkich w obrębie klatki piersiowej człowieka przewodnictwo tkanki płuc jest około pięciokrotnie niższe, co skutkuje wysokim kontrastem bezwzględnym. Ta cecha może częściowo wyjaśniać ilość badań prowadzonych w obrazowaniu płuc EIT. Co więcej, przewodnictwo płucne zmienia się intensywnie podczas cyklu oddechowego, co powoduje ogromne zainteresowanie społeczności naukowej wykorzystaniem EIT jako metody przyłóżkowej do wizualizacji niejednorodności wentylacji płuc u pacjentów wentylowanych mechanicznie. Pomiary EIT między dwoma lub więcej stanami fizjologicznymi, np. między wdechem a wydechem, są zatem określane jako EIT różnicy czasu (td-EIT).

Różnica czasu EIT (td-EIT) ma jedną zasadniczą przewagę nad bezwzględną EIT (a-EIT): niedokładności wynikające z anatomii międzyosobniczej, niewystarczającego kontaktu elektrod powierzchniowych ze skórą lub przeniesienia impedancji można odrzucić, ponieważ większość artefaktów zniknie z powodu prostego odejmowania obrazu w f-EIT. Jest to najprawdopodobniej powód, dla którego na dzień dzisiejszy największy postęp w badaniach EIT osiągnięto z różnicą EIT.

Dalsze zastosowania obejmują proponowane EIT wykrywania / lokalizację nowotworu w skóry , piersi lub szyjki macicy , lokalizację padaczkowego ognisk , obrazowania aktywności mózgu. a także narzędzie diagnostyczne do zaburzeń opróżniania żołądka. Próby wykrycia lub zlokalizowania patologii tkanki w normalnej tkance zwykle opierają się na wieloczęstotliwościowej EIT (MF-EIT), zwanej również spektroskopią impedancji elektrycznej (EIS) i opierają się na różnicach we wzorcach przewodnictwa przy różnych częstotliwościach.

Wynalezienie EIT jako techniki obrazowania medycznego przypisuje się zwykle Johnowi G. Websterowi i publikacji z 1978 r., chociaż pierwsza praktyczna realizacja medycznego systemu EIT została szczegółowo opisana w 1984 r. dzięki pracy Davida C. Barbera i Briana H. Brązowy . Brown i Barber wspólnie opublikowali pierwszy tomogram impedancji elektrycznej w 1983 roku, wizualizując przekrój ludzkiego przedramienia za pomocą bezwzględnej EIT. Mimo że w międzyczasie poczyniono znaczne postępy, większość zastosowań a-EIT nadal uważa się za eksperymentalne. Jednak dopiero niedawno wprowadzono dwa komercyjne urządzenia f-EIT do monitorowania czynności płuc u pacjentów oddziału intensywnej terapii.

Technikę podobną do EIT stosuje się w geofizyce i monitorowaniu procesów przemysłowych – tomografię elektrooporową . Analogicznie do EIT, elektrody powierzchniowe są umieszczane na ziemi, w otworach wiertniczych lub w naczyniu lub rurze w celu zlokalizowania anomalii rezystywności lub monitorowania mieszanin płynów przewodzących. Techniki konfiguracji i rekonstrukcji są porównywalne z EIT. W geofizyce pomysł pochodzi z lat 30. XX wieku.

Zaproponowano również tomografię elektrooporową do mapowania właściwości elektrycznych podłoży i cienkich warstw do zastosowań elektronicznych.

Teoria

W tym prototypie elektrody są przymocowane wokół grejpfruta, który przedstawia głowę dziecka. Płyn jest wstrzykiwany do grejpfruta, aby naśladować krwotok mózgowy.

Jak wspomniano wcześniej, przewodnictwo elektryczne i przenikalność elektryczna różnią się w zależności od typów tkanek biologicznych i zależą od zawartości wolnych jonów. Kolejnymi czynnikami wpływającymi na przewodnictwo są temperatura i inne czynniki fizjologiczne, np. cykl oddechowy pomiędzy wdechem i wydechem, kiedy tkanka płuc staje się bardziej przewodząca z powodu mniejszej zawartości powietrza izolującego w jego pęcherzykach płucnych.

Po umieszczeniu elektrod powierzchniowych przez elektrody samoprzylepne, pasek elektrod lub kamizelkę z elektrodami przewodzącymi wokół interesującej części ciała, prądy przemienne o wartości zwykle kilku miliamperów i częstotliwości 10–100 kHz zostaną przyłożone do dwóch lub więcej elektrod zasilających. Pozostałe elektrody zostaną użyte do pomiaru wynikowego napięcia. Procedura zostanie następnie powtórzona dla wielu „wzorców stymulacji”, np. kolejnych par sąsiednich elektrod, aż do zakończenia całego okręgu, a rekonstrukcja obrazu będzie mogła zostać przeprowadzona i wyświetlona przez cyfrową stację roboczą, która zawiera złożone algorytmy matematyczne i dane a priori .

Sam prąd jest podawany za pomocą źródeł prądowych , albo pojedynczego źródła prądu przełączanego między elektrodami za pomocą multipleksera, albo systemu przetworników napięcie-prąd , po jednym dla każdej elektrody, z których każdy jest sterowany przez przetwornik cyfrowo-analogowy . Pomiary mogą być ponownie wykonane albo przez pojedynczy obwód pomiaru napięcia zmultipleksowany na elektrodach, albo przez oddzielny obwód dla każdej elektrody. Wcześniejsze systemy EIT nadal wykorzystywały analogowy obwód demodulacji do konwersji napięcia przemiennego na poziom prądu stałego przed przepuszczeniem go przez przetwornik analogowo-cyfrowy . Nowsze systemy konwertują sygnał przemienny bezpośrednio przed wykonaniem demodulacji cyfrowej. W zależności od wskazania, niektóre systemy EIT mogą pracować na wielu częstotliwościach i mierzyć zarówno wielkość, jak i fazę napięcia. Mierzone napięcia są przekazywane do komputera w celu wykonania rekonstrukcji obrazu i wyświetlenia. Wybór wzorców prądu (lub napięcia) znacząco wpływa na stosunek sygnału do szumu. Dzięki urządzeniom zdolnym do jednoczesnego podawania prądu ze wszystkich elektrod (takich jak ACT3) możliwe jest adaptacyjne określenie optymalnych wzorców prądu.

Jeśli obrazy mają być wyświetlane w czasie rzeczywistym, typowym podejściem jest zastosowanie jakiejś formy uregulowanej odwrotności linearyzacji problemu postępującego lub szybkiej wersji metody bezpośredniej rekonstrukcji, takiej jak metoda D-bar. Większość praktycznych systemów stosowanych w środowisku medycznym generuje „obraz różnicowy”, tj. różnice w napięciu między dwoma punktami czasowymi są mnożone w lewo przez uregulowaną odwrotność, aby obliczyć przybliżoną różnicę między obrazami przenikalności i przewodności. Innym podejściem jest skonstruowanie modelu elementów skończonych ciała i dostosowanie przewodności (na przykład za pomocą wariantu metody Levenburga-Marquarta ) w celu dopasowania mierzonych danych. Jest to trudniejsze, ponieważ wymaga dokładnego kształtu ciała i dokładnej pozycji elektrod.

Wiele podstawowych prac leżących u podstaw impedancji elektrycznej zostało wykonanych w Rensselaer Polytechnic Institute począwszy od lat 80-tych. Zobacz także pracę opublikowaną w 1992 roku z projektu Glenfield Hospital Project (brak odniesienia).

Podejścia absolutne EIT są ukierunkowane na cyfrową rekonstrukcję obrazów statycznych, tj. dwuwymiarowych reprezentacji anatomii w interesującej nas części ciała. Jak wspomniano powyżej, w przeciwieństwie do liniowych promieni rentgenowskich w tomografii komputerowej , prądy elektryczne wędrują trójwymiarowo po ścieżce najmniejszej rezystywności (rysunek 1), co powoduje częściową utratę przyłożonego prądu elektrycznego (przeniesienie impedancji, np. z powodu przepływu krwi przez płaszczyzna poprzeczna). Jest to jeden z powodów, dla których rekonstrukcja obrazu w absolutnej EIT jest tak złożona, ponieważ zwykle istnieje więcej niż jedno rozwiązanie do rekonstrukcji obrazu trójwymiarowego obszaru rzutowanego na płaszczyznę dwuwymiarową. Kolejną trudnością jest to, że biorąc pod uwagę liczbę elektrod i dokładność pomiaru na każdej elektrodzie, można rozróżnić tylko obiekty większe niż dany rozmiar. Wyjaśnia to konieczność wysoce wyrafinowanych algorytmów matematycznych, które rozwiążą problem odwrotny i jego niewłaściwą postawę.

Dalsze trudności w bezwzględnej EIT wynikają z między- i wewnątrzosobniczych różnic w przewodności elektrody z towarzyszącymi zniekształceniami obrazu i artefaktami. Należy również pamiętać, że badana część ciała rzadko jest dokładnie okrągła, a anatomia międzyosobnicza jest zróżnicowana, np. kształt klatki piersiowej, co wpływa na odstęp między elektrodami. Dane a priori uwzględniające anatomię typową dla wieku, wzrostu i płci mogą zmniejszyć wrażliwość na artefakty i zniekształcenia obrazu. Poprawa stosunku sygnału do szumu, np. za pomocą elektrod z aktywną powierzchnią, dodatkowo zmniejsza błędy obrazowania. Niektóre z najnowszych systemów EIT z aktywnymi elektrodami monitorują działanie elektrod przez dodatkowy kanał i są w stanie kompensować niewystarczający kontakt ze skórą poprzez usunięcie ich z pomiarów.

Różnica czasu EIT omija większość tych problemów, rejestrując pomiary u tej samej osoby między dwoma lub więcej stanami fizjologicznymi związanymi z liniowymi zmianami przewodnictwa. Jednym z najlepszych przykładów tego podejścia jest tkanka płucna podczas oddychania ze względu na liniowe zmiany przewodnictwa między wdechem a wydechem, które są spowodowane różną zawartością powietrza izolującego podczas każdego cyklu oddechowego. Pozwala to na cyfrowe odejmowanie zarejestrowanych pomiarów uzyskanych podczas cyklu oddechowego i daje w wyniku funkcjonalne obrazy wentylacji płuc. Jedną z głównych zalet jest to, że względne zmiany przewodności pozostają porównywalne między pomiarami, nawet jeśli jedna z elektrod rejestrujących jest mniej przewodząca niż inne, co zmniejsza większość artefaktów i zniekształceń obrazu. Jednak włączanie a priori zestawów danych lub siatek różnic EIT jest nadal przydatne w celu rzutowania obrazów na najbardziej prawdopodobną morfologię narządów, która zależy od masy ciała, wzrostu, płci i innych indywidualnych czynników.

Projekt open source EIDORS dostarcza zestaw programów (napisanych w Matlab / GNU_Octave ) do odtwarzania i wyświetlania danych na licencji GNU GPL. Bezpośrednia nieliniowa metoda D-bar dla nieliniowej rekonstrukcji EIT jest dostępna w kodzie Matlab pod [2] .

Inicjatywa badawcza Open Innovation EIT ma na celu rozwój ogólnej tomografii impedancyjnej (EIT) i ostateczne przyspieszenie jej klinicznego przyjęcia. Pakiet sprzętu i oprogramowania EIT typu plug-and-play jest dostępny za pośrednictwem Swisstom i można go nabyć po cenie netto. Rekonstrukcja obrazu i przetwarzanie surowych danych uzyskanych za pomocą tego zestawu może odbywać się bez żadnych ograniczeń za pomocą narzędzi programowych dostarczanych przez EIDORS.

Nieruchomości

W przeciwieństwie do większości innych technik obrazowania tomograficznego, EIT nie stosuje żadnego rodzaju promieniowania jonizującego. Prądy typowo stosowane w EIT są stosunkowo małe i na pewno poniżej progu, przy którym powodowałyby znaczną stymulację nerwów. Częstotliwość prądu przemiennego jest wystarczająco wysoka, aby nie powodować efektów elektrolitycznych w ciele, a rozpraszana moc omowa jest wystarczająco mała i rozproszona w ciele, aby system termoregulacji ciała mógł ją z łatwością obsługiwać. Właściwości te kwalifikują EIT do ciągłego stosowania u ludzi, np. podczas wentylacji mechanicznej na oddziale intensywnej terapii (OIOM). Ponieważ sprzęt potrzebny do wykonania EIT jest znacznie mniejszy i mniej kosztowny niż w konwencjonalnej tomografii, EIT kwalifikuje się do ciągłej wizualizacji wentylacji płuc w czasie rzeczywistym bezpośrednio przy łóżku pacjenta. Główną wadą EIT w porównaniu z konwencjonalną tomografią jest jej niższa maksymalna rozdzielczość przestrzenna (około 15% średnicy matrycy elektrodowej w EIT w porównaniu do 1 mm w CT i MRI). Jednak rozdzielczość można poprawić, stosując 32 zamiast 16 elektrod. Jakość obrazu można dodatkowo poprawić, konstruując system EIT z aktywnymi elektrodami powierzchniowymi, które znacznie zmniejszają utratę sygnału, artefakty i zakłócenia związane z kablami, a także długość i obsługę kabli. W przeciwieństwie do rozdzielczości przestrzennej, rozdzielczość czasowa EIT (0,1 milisekundy) jest znacznie wyższa niż w CT lub MRI (0,1 sekundy).

Aplikacje

Płuco (a-EIT, td-EIT)

EIT jest szczególnie przydatna do monitorowania czynności płuc, ponieważ rezystywność tkanki płuc jest pięciokrotnie wyższa niż większości innych tkanek miękkich klatki piersiowej. Skutkuje to wysokim bezwzględnym kontrastem płuc. Ponadto oporność płuc wzrasta i spada kilkakrotnie między wdechem a wydechem, co wyjaśnia, dlaczego monitorowanie wentylacji jest obecnie najbardziej obiecującym zastosowaniem klinicznym EIT, ponieważ wentylacja mechaniczna często prowadzi do uszkodzenia płuc związanego z wentylacją (VALI). Wykonalność EIT do obrazowania płuc została po raz pierwszy zademonstrowana w Rensselaer Polytechnic Institute w 1990 roku przy użyciu algorytmu NOSER. Różnica czasu EIT może rozwiązać zmiany w rozkładzie objętości płuc między zależnymi i niezależnymi regionami płuc i pomóc w dostosowaniu ustawień respiratora, aby zapewnić wentylację chroniącą płuca pacjentom w stanie krytycznym lub znieczuleniu.

Większość badań EIT koncentrowała się na monitorowaniu regionalnej czynności płuc przy użyciu informacji określonych przez różnicę czasu EIT (td-EIT). Jednak bezwzględna EIT (a-EIT) ma również potencjał, aby stać się klinicznie użytecznym narzędziem do obrazowania płuc, ponieważ podejście to pozwoliłoby na bezpośrednie rozróżnienie między chorobami płuc, które wynikają z obszarów o niższej oporności (np. hemothorax, wysięk opłucnowy, niedodma, obrzęk płuc) oraz osoby z wyższą opornością (np. odma opłucnowa, rozedma).

Elektrody samoprzylepne na klatce piersiowej 10-dniowego dziecka
Rekonstrukcja EIT (po lewej) i zmiana impedancji w ciągu sześciu oddechów, od. Dane dostępne na

Powyższy obraz przedstawia badanie EIT 10-dniowego dziecka oddychającego normalnie z 16 elektrodami samoprzylepnymi przyłożonymi do klatki piersiowej.

Rekonstrukcja obrazu z pomiarów impedancji bezwzględnej wymaga uwzględnienia dokładnych wymiarów i kształtu ciała, a także dokładnej lokalizacji elektrod, ponieważ uproszczone założenia prowadziłyby do poważnych artefaktów rekonstrukcji. Chociaż opublikowano wstępne badania oceniające aspekty bezwzględnej EIT, ten obszar badań nie osiągnął jeszcze poziomu dojrzałości, który umożliwiłby jej zastosowanie kliniczne.

Natomiast różnica czasu EIT określa względne zmiany impedancji, które mogą być spowodowane albo wentylacją, albo zmianami końcowo-wydechowej objętości płuc. Te względne zmiany odnoszą się do poziomu wyjściowego, który jest zazwyczaj definiowany przez rozkład impedancji w klatce piersiowej pod koniec wydechu. Obrazy EIT z różnicą czasu mogą być generowane w sposób ciągły i bezpośrednio przy łóżku pacjenta. Te cechy sprawiają, że regionalne monitorowanie czynności płuc jest szczególnie przydatne, gdy istnieje potrzeba poprawy utlenowania lub eliminacji CO 2 , a zmiany terapii mają na celu uzyskanie bardziej jednorodnej dystrybucji gazów u pacjentów wentylowanych mechanicznie. Obrazowanie płuc metodą EIT może rozwiązać zmiany w regionalnym rozkładzie objętości płuc między np. zależnymi i niezależnymi regionami płuc w miarę zmiany parametrów respiratora. W związku z tym pomiary EIT mogą być wykorzystywane do kierowania określonymi ustawieniami respiratora w celu utrzymania wentylacji chroniącej płuca dla każdego pacjenta.

Poza możliwością zastosowania EIT na OIOM, pierwsze badania z udziałem pacjentów oddychających spontanicznie ujawniają dalsze obiecujące zastosowania. Wysoka rozdzielczość czasowa EIT umożliwia regionalną ocenę powszechnych parametrów dynamicznych stosowanych w badaniach czynności płuc (np. natężona objętość wydechowa w ciągu 1 sekundy). Dodatkowo, specjalnie opracowane metody fuzji obrazów nakładające funkcjonalne dane EIT z danymi morfologicznymi pacjenta (np. obrazy CT lub MRI ) mogą być wykorzystane do uzyskania kompleksowego wglądu w patofizjologię płuc, co może być przydatne dla pacjentów cierpiących na obturacyjne choroby płuc ( np. POChP , CF ).

Po wielu latach badań nad EIT płuc przy użyciu tymczasowego sprzętu EIT lub modeli seryjnych produkowanych w bardzo małych ilościach, na rynek technologii medycznej weszły ostatnio dwa komercyjne systemy do EIT płuc: PulmoVista® 500 firmy Dräger i Swisstom BB 2 firmy Swisstom AG . Oba modele są obecnie instalowane na oddziałach intensywnej terapii i są już wykorzystywane jako pomocnicy w procesach decyzyjnych związanych z leczeniem pacjentów z zespołem ostrej niewydolności oddechowej (ARDS).

Rosnąca dostępność komercyjnych systemów EIT na oddziałach intensywnej opieki medycznej pokaże, czy obiecujący materiał dowodowy uzyskany z modeli zwierzęcych będzie miał zastosowanie również do ludzi (rekrutacja płuc kierowana przez EIT, wybór optymalnych poziomów PEEP, wykrywanie odmy opłucnowej, zapobieganie uszkodzeniom płuc związanym z wentylacją ( VALI) itp.). Byłoby to bardzo pożądane, biorąc pod uwagę, że ostatnie badania sugerują, że u 15% pacjentów wentylowanych mechanicznie na OIOM rozwinie się ostre uszkodzenie płuc (ALI) z towarzyszącym postępującym zapaścią płuca i które wiąże się z podobno wysoką śmiertelnością wynoszącą 39%. Niedawno pierwsze prospektywne badanie na zwierzętach dotyczące wentylacji mechanicznej pod kontrolą EIT i jej wyników może wykazać znaczące korzyści w odniesieniu do mechaniki oddechowej, wymiany gazowej i histologicznych objawów uszkodzenia płuc związanego z respiratorem.

Oprócz informacji wizualnych (np. regionalny rozkład objętości oddechowej), pomiary EIT dostarczają surowych zestawów danych, które można wykorzystać do obliczenia innych przydatnych informacji (np. zmiany objętości gazu wewnątrz klatki piersiowej podczas choroby krytycznej) – jednak takie parametry nadal wymagają dokładnej oceny i uprawomocnienie.

Innym interesującym aspektem klatki piersiowej EIT jest jej zdolność do rejestrowania i filtrowania pulsujących sygnałów perfuzji. Chociaż opublikowano obiecujące badania na ten temat, technologia ta jest wciąż na początku. Przełom umożliwiłby jednoczesną wizualizację zarówno regionalnego przepływu krwi, jak i regionalnej wentylacji – umożliwiając klinicystom zlokalizowanie i reagowanie na przecieki fizjologiczne spowodowane przez regionalne niedopasowania wentylacji płuc i perfuzji z towarzyszącą hipoksemią.

Piersi (MF-EIT)

EIT jest badana w dziedzinie obrazowania piersi jako technika alternatywna/uzupełniająca dla mammografii i rezonansu magnetycznego (MRI) do wykrywania raka piersi. Niska swoistość mammografii i MRI skutkuje stosunkowo wysokim odsetkiem fałszywie dodatnich badań przesiewowych, przy dużym stresie dla pacjentów i kosztach dla struktur opieki zdrowotnej. Opracowanie alternatywnych technik obrazowania dla tego wskazania byłoby pożądane ze względu na niedoskonałości dotychczasowych metod: promieniowanie jonizujące w mammografii oraz ryzyko wywołania nerkopochodnego włóknienia układowego (NSF) u pacjentek z obniżoną czynnością nerek poprzez podanie środka kontrastowego stosowanego w MRI piersi , gadolin .

Literatura wskazuje, że właściwości elektryczne różnią się między tkankami prawidłowymi i nowotworowymi piersi, przygotowując grunt pod wykrywanie raka poprzez określenie właściwości elektrycznych.

Wczesnym komercyjnym opracowaniem nietomograficznego obrazowania impedancji elektrycznej było urządzenie T-Scan, o którym doniesiono, że poprawia czułość i swoistość, gdy jest stosowane jako dodatek do mammografii przesiewowej. Raport dla amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA) opisuje badanie z udziałem 504 osób, w którym czułość mammografii wynosiła 82%, 62% dla samego T-Scan i 88% dla obu łącznie. Swoistość wynosiła 39% dla mammografii, 47% dla samego T-Scan i 51% dla obu łącznie.

Kilka grup badawczych na całym świecie aktywnie rozwija tę technikę. Przemiatanie częstotliwości wydaje się być skuteczną techniką wykrywania raka piersi za pomocą EIT.

Patent Stanów Zjednoczonych US 8,200,309 B2 łączy skanowanie impedancji elektrycznej z obrazowaniem gęstości prądu o niskiej częstotliwości metodą rezonansu magnetycznego w klinicznie akceptowalnej konfiguracji, nie wymagającej zastosowania wzmocnienia chelatem gadolinu w mammografii rezonansu magnetycznego.

Szyjka macicy (MF-EIT)

Oprócz swojej pionierskiej roli w rozwoju pierwszych systemów EIT w Sheffield, profesor Brian H. Brown jest obecnie aktywny w badaniach i rozwoju spektroskopu impedancji elektrycznej opartego na MF-EIT. Według badań opublikowanych przez Browna w 2000 roku, MF-EIT jest w stanie przewidzieć [śródnabłonkową neoplazja szyjki macicy] (CIN) stopnia 2 i 3 na podstawie cytologii z czułością i swoistością 92% każdy. Nie zostało jeszcze ustalone, czy szyjki macicy MF-EIT zostanie wprowadzony jako dodatek, czy alternatywa dla cytologii. Brown jest założycielem akademickim firmy Zilico Limited, która dystrybuuje spektroskop (ZedScan I). Urządzenie otrzymało certyfikat EC od swojej jednostki notyfikowanej w 2013 roku i jest obecnie wprowadzane do wielu klinik w Wielkiej Brytanii i systemów opieki zdrowotnej na całym świecie.

Mózg (a-EIT, td-EIT, mf-EIT)

Sugerowano, że EIT jest podstawą obrazowania mózgu, aby umożliwić wykrywanie i monitorowanie niedokrwienia mózgu , krwotoku i innych patologii morfologicznych związanych ze zmianami impedancji spowodowanymi obrzękiem komórek nerwowych, tj. hipoksemią i hipoglikemią mózgu .

Podczas gdy maksymalna rozdzielczość przestrzenna EIT wynosząca około 15% średnicy matrycy elektrod jest znacznie niższa niż w przypadku mózgowej CT lub MRI (około jednego milimetra), rozdzielczość czasowa EIT jest znacznie wyższa niż w CT lub MRI (0,1 milisekundy w porównaniu do 0,1 sekundy) . To sprawia, że ​​EIT jest również interesujący dla monitorowania normalnej funkcji mózgu i aktywności neuronalnej na oddziałach intensywnej opieki medycznej lub przedoperacyjnej lokalizacji ognisk padaczkowych za pomocą nagrań telemetrycznych.

Holder był w stanie wykazać w 1992 roku, że zmiany impedancji śródmózgowej można wykryć nieinwazyjnie przez czaszkę za pomocą pomiarów elektrodą powierzchniową. Modele zwierzęce doświadczalnego udaru lub napadu padaczkowego wykazały wzrost impedancji odpowiednio do 100% i 10%. Nowsze systemy EIT oferują możliwość zastosowania prądów przemiennych z niesąsiadujących elektrod zasilających. Jak dotąd mózgowa EIT nie osiągnęła jeszcze dojrzałości, aby można ją było zastosować w rutynie klinicznej, jednak obecnie prowadzone są badania kliniczne dotyczące udaru i padaczki.

W tym zastosowaniu EIT polega na przyłożeniu nad czaszką prądów o niskiej częstotliwości, które wynoszą około <100 Hz, ponieważ podczas spoczynku neuronów przy tej częstotliwości prądy te pozostają w przestrzeni zewnątrzkomórkowej, a zatem nie mogą wejść do przestrzeni wewnątrzkomórkowej w neuronach. Jednak, gdy neuron generuje potencjał czynnościowy lub jest bliski depolaryzacji , opór jego błony zapobiegający temu zostanie zmniejszony osiemdziesięciokrotnie. Za każdym razem, gdy dzieje się to w większej liczbie neuronów, spowoduje to zmiany rezystywności o około 0,06-1,7%. Te zmiany rezystywności zapewniają środki do wykrywania spójnej aktywności neuronalnej w większej liczbie neuronów, a więc tomograficznego obrazowania aktywności nerwowej mózgu.

Niestety, chociaż takie zmiany są wykrywalne, „są po prostu zbyt małe, aby wspierać niezawodną produkcję obrazów”. Perspektywy zastosowania tej techniki dla tego wskazania będą zależeć od ulepszonego przetwarzania lub nagrywania sygnału.

Badanie zgłoszone w czerwcu 2011 r., że Funkcjonalna tomografia impedancji elektrycznej metodą odpowiedzi wywoławczej (fEITER) została wykorzystana do zobrazowania zmian w aktywności mózgu po wstrzyknięciu środka znieczulającego. Jedną z zalet tej techniki jest to, że wymagany sprzęt jest wystarczająco mały i łatwy w transporcie, dzięki czemu można go wykorzystać do monitorowania głębokości znieczulenia na salach operacyjnych.

Perfuzja (td-EIT)

Ze względu na stosunkowo wysokie przewodnictwo krew może być wykorzystana do funkcjonalnego obrazowania perfuzji w tkankach i narządach o niższym przewodnictwie, np. do wizualizacji regionalnej perfuzji płuc. Tłem tego podejścia jest to, że pulsacyjna impedancja tkankowa zmienia się w zależności od różnic w wypełnieniu naczyń krwionośnych między skurczem a rozkurczem, szczególnie podczas wstrzykiwania soli fizjologicznej jako środka kontrastowego.

Medycyna sportowa / opieka domowa (a-EIT, td-EIT)

Pomiary impedancji elektrycznej mogą być również wykorzystywane do obliczania parametrów abstrakcyjnych, tj. informacji niewizualnych. Ostatnie postępy w technologii EIT, a także mniejsza liczba elektrod potrzebnych do rejestracji parametrów globalnych zamiast regionalnych u osób zdrowych może być wykorzystana do nieinwazyjnego oznaczania np. VO 2 lub ciśnienia tętniczego krwi w medycynie sportowej lub opiece domowej.

Systemy komercyjne

a-EIT i td-EIT

Mimo że do niedawna medyczne systemy EIT nie były szeroko stosowane, kilku producentów sprzętu medycznego dostarczało komercyjne wersje systemów obrazowania płuc opracowanych przez uniwersyteckie grupy badawcze. Pierwszy taki system jest produkowany przez Maltron International, który dystrybuuje system Sheffield Mark 3.5 z 16 elektrodami. Podobne systemy to system Goe MF II opracowany przez Uniwersytet w Getyndze w Niemczech i dystrybuowany za pośrednictwem CareFusion (16 elektrod) oraz Enlight 1800 opracowany na Wydziale Medycznym Uniwersytetu w São Paulo i Instytucie Politechnicznym Uniwersytetu w São Paulo , Brazylia, której dystrybutorem jest Timpel SA (32 elektrody). Systemy te są zazwyczaj zgodne z przepisami dotyczącymi bezpieczeństwa medycznego i są stosowane głównie przez grupy badań klinicznych w szpitalach, w większości w oddziałach intensywnej opieki medycznej .

Pierwsze urządzenie EIT do monitorowania czynności płuc, przeznaczone do codziennego użytku klinicznego w warunkach intensywnej opieki medycznej, zostało udostępnione przez firmę Dräger Medical w 2011 r. — PulmoVista® 500 (16-elektrodowy system). Kolejny komercyjny system EIT przeznaczony do monitorowania czynności płuc w warunkach oddziału intensywnej terapii oparty jest na 32 aktywnych elektrodach i został po raz pierwszy zaprezentowany na dorocznym kongresie ESICM w 2013 roku – Swisstom BB 2 . W międzyczasie Swisstom AG „s Swisstom za BB 2 został wypuszczony na rynek w 2014 roku na Międzynarodowym Sympozjum na Intensywnej Terapii i Medycyny Ratunkowej ( ISICEM ) i będzie dystrybuowany w Europie Zachodniej w ramach partnerstwa pomiędzy Swisstom i Maquet .

MF-EIT

Systemy wieloczęstotliwościowej EIT (MF-EIT) lub elektrycznej spektroskopii impedancyjnej (EIS) są zazwyczaj przeznaczone do wykrywania lub lokalizowania nieprawidłowej tkanki, np. zmian przedrakowych lub raka. Impedance Medical Technologies produkuje systemy oparte na projektach Instytutu Badawczego Radioinżynierii i Elektroniki Rosyjskiej Akademii Nauk w Moskwie, ukierunkowanych w szczególności na wykrywanie raka piersi. Firma Mirabel Medical Systems, Inc. z siedzibą w Teksasie opracowuje podobne rozwiązanie do nieinwazyjnego wykrywania raka piersi i oferuje T-Scan 2000ED . Zilico Limited dystrybuuje spektroskop impedancji elektrycznej o nazwie ZedScan I jako urządzenie medyczne, które ma pomóc w lokalizacji/diagnozie śródnabłonkowej neoplazji szyjki macicy. Urządzenie właśnie otrzymało certyfikat WE w 2013 roku.

V5R

v5r jest urządzeniem o wysokiej wydajności, opartym na technice pomiaru napięcia i napięcia, zaprojektowanym w celu poprawy kontroli procesu. Wysoka częstotliwość odświeżania v5r (ponad 650 klatek na sekundę) oznacza, że ​​może być używany do monitorowania szybko rozwijających się procesów lub dynamicznych warunków przepływu. Dostarczane przez nią dane mogą być wykorzystane do określenia profilu przepływu złożonych procesów wielofazowych; pozwalając inżynierom na rozróżnienie między laminarnymi, grzybkowymi i innymi ważnymi warunkami przepływu w celu głębszego zrozumienia i lepszej kontroli procesu.

W przypadku stosowania do pomiarów stężenia, możliwość pomiaru pełnej impedancji w szerokim zakresie stosunków fazowych oznacza, że ​​v5r jest w stanie zapewnić znaczną dokładność w szerszym zakresie przewodności w porównaniu z innymi urządzeniami.

Zobacz też

Bibliografia