Электроимпедансная томография
Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Электроимпедансная томография
КТ грудной клетки человека, показывающая текущие пути EIT corrected.jpg
Рисунок 1: Поперечное сечение грудной клетки человека, полученное с помощью рентгеновской компьютерной томографии , показывающее линии тока и эквипотенциалы от приводных электродов. Обратите внимание, как изогнуты линии из-за изменения проводимости между различными органами. [1]
Цельизмерения используются для формирования томографического изображения части тела человека

Электроимпедансная томография ( ЭИТ ) — это неинвазивный тип медицинской визуализации , при котором электрическая проводимость , диэлектрическая проницаемость и импеданс части тела выводятся из измерений поверхностных электродов и используются для формирования томографического изображения.образ этой части. Электропроводность значительно различается между различными биологическими тканями (абсолютная ЭИТ) или движение жидкостей и газов внутри тканей (разница ЭИТ). Большинство систем EIT применяют небольшие переменные токи на одной частоте, однако некоторые системы EIT используют несколько частот, чтобы лучше различать нормальную и предполагаемую аномальную ткань в одном органе (многочастотная EIT или электроимпедансная спектроскопия).

Как правило, проводящие поверхностные электроды прикрепляются к коже вокруг обследуемой части тела. Небольшие переменные токи будут подаваться на некоторые или все электроды, при этом результирующие эквипотенциалы будут записываться с других электродов (рис. 1 и 2). Затем этот процесс повторяется для множества различных конфигураций электродов и, наконец, приводит к двумерной томограмме в соответствии с включенными алгоритмами реконструкции изображения. [2] [3]

Поскольку содержание свободных ионов определяет проводимость тканей и жидкости, мышцы и кровь лучше проводят приложенные токи, чем жировая, костная или легочная ткань. [2] Это свойство можно использовать для реконструкции статических изображений с помощью морфологического или абсолютного EIT (a-EIT). [4] Однако, в отличие от линейного рентгеновского излучения, используемого в компьютерной томографии, электрические токи распространяются в трех измерениях по пути наименьшего удельного сопротивления. Это означает, что часть электрического тока покидает поперечную плоскость и приводит к переносу импеданса. Этот и другие факторы являются причиной того, что реконструкция изображения в абсолютной EIT настолько сложна, поскольку обычно существует более одного решения для реконструкции изображения трехмерной области, спроецированной на двумерную плоскость.

Математически задача восстановления проводимости по поверхностным измерениям тока и потенциала является нелинейной обратной задачей и крайне некорректна . Математическая формулировка задачи принадлежит Альберто Кальдерону [5] , и в математической литературе по обратным задачам она часто упоминается как «обратная задача Кальдерона» или «задача Кальдерона». Существует обширное математическое исследование проблемы единственности решения и численных алгоритмов для этой задачи. [6]

По сравнению с тканевой проводимостью большинства других мягких тканей грудной клетки человека, проводимость легочной ткани примерно в пять раз ниже, что приводит к высокому абсолютному контрасту. Эта характеристика может частично объяснить количество исследований, проведенных в области визуализации легких с помощью ЭИТ. [2] Кроме того, легочная проводимость сильно колеблется во время дыхательного цикла, что объясняет огромный интерес исследовательского сообщества к использованию EIT в качестве прикроватного метода для визуализации неоднородности легочной вентиляции у пациентов с механической вентиляцией легких. [4] Измерения EIT между двумя или более физиологическими состояниями, например, между вдохом и выдохом, поэтому называются EIT разницы во времени (td-EIT).

EIT с разницей во времени (td-EIT) имеет одно важное преимущество перед абсолютной EIT (a-EIT): неточности, возникающие из-за межиндивидуальной анатомии, недостаточного контакта поверхностных электродов с кожей или переноса импеданса, можно не учитывать, поскольку большинство артефактов устраняются сами по себе благодаря простому вычитанию изображения. в ф-ЭИТ. Это, скорее всего, является причиной того, что на сегодняшний день наибольший прогресс в исследованиях ЭИТ был достигнут с разностным ЭИТ. [2] [4] [7]

Дальнейшие предлагаемые применения EIT включают обнаружение/местоположение рака в коже , молочной железе или шейке матки , локализацию эпилептических очагов , [8] визуализацию мозговой активности. [9] , а также в качестве диагностического инструмента для нарушения опорожнения желудка. [2] [8] [10] Попытки обнаружить или локализовать патологию ткани в пределах нормальной ткани обычно основаны на многочастотной EIT (MF-EIT), также называемой спектроскопией электрического сопротивления (EIS), и основаны на различиях в паттернах проводимости на разных частотах.

Изобретение EIT в качестве метода медицинской визуализации обычно приписывают Джону Г. Вебстеру и публикации 1978 г. [11] , хотя первая практическая реализация медицинской системы EIT была подробно описана в 1984 г. благодаря работе Дэвида С. Барбера и Брайан Х. Браун . [12] Вместе Браун и Барбер опубликовали первую томограмму электрического сопротивления в 1983 году, визуализируя поперечное сечение предплечья человека с помощью абсолютной ЭИТ. [13] Несмотря на то, что за это время был достигнут значительный прогресс, большинство приложений a-EIT по-прежнему считаются экспериментальными. [8] Тем не менее, два коммерческих устройства f-EIT для мониторинга функции легких в реанимацию больных были введены совсем недавно.

Метод, аналогичный ЭИТ, используется в геофизике и мониторинге промышленных процессов – электротомография . По аналогии с EIT поверхностные электроды размещаются на земле, в скважинах, сосудах или трубах для обнаружения аномалий удельного сопротивления или контроля смесей проводящих жидкостей. [14] Методы установки и реконструкции сопоставимы с EIT. В геофизике эта идея восходит к 1930-м годам.

Томография электрического сопротивления также была предложена для картирования электрических свойств подложек [15] и тонких пленок [16] для электронных приложений.

Теория

В этом прототипе электроды прикреплены к грейпфруту, который представляет собой голову ребенка. В грейпфрут вводят жидкость, имитирующую кровоизлияние в мозг.

Как упоминалось ранее, электрическая проводимость и диэлектрическая проницаемость варьируются в зависимости от типа биологических тканей и зависят от содержания в них свободных ионов. [2] [3] [8] Другими факторами, влияющими на проводимость, являются температура и другие физиологические факторы, например дыхательный цикл между вдохом и выдохом, когда легочная ткань становится более проводящей из-за меньшего содержания изолирующего воздуха в ее альвеолах.

После размещения поверхностных электродов через клейкие электроды, электродный пояс или токопроводящий электродный жилет вокруг интересующей части тела, переменные токи обычно в несколько миллиампер с частотой 10–100 кГц будут прикладываться к двум или более приводным электродам. Остальные электроды будут использоваться для измерения результирующего напряжения. Затем процедура будет повторяться для многочисленных «моделей стимуляции», например последовательных пар соседних электродов, до тех пор, пока не будет завершен весь круг, и можно будет выполнить реконструкцию изображения и отобразить его на цифровой рабочей станции, которая включает в себя сложные математические алгоритмы и априорные данные. [2] [3] [4] [17] [18] [19]

Сам ток подается с использованием источников тока , либо одного источника тока, переключаемого между электродами с помощью мультиплексора , либо системы преобразователей напряжения в ток , по одному на каждый электрод, каждый из которых управляется цифро-аналоговым преобразователем . Измерения снова могут быть выполнены либо с помощью одной схемы измерения напряжения, мультиплексированной по электродам, либо с помощью отдельной схемы для каждого электрода. В более ранних системах EIT по-прежнему использовалась схема аналоговой демодуляции для преобразования переменного напряжения в уровень постоянного тока перед его прохождением через аналого-цифровой преобразователь .. Более новые системы преобразуют переменный сигнал непосредственно перед выполнением цифровой демодуляции. В зависимости от индикации некоторые системы EIT способны работать на нескольких частотах и ​​измерять как амплитуду, так и фазу напряжения. Измеренные напряжения передаются на компьютер для восстановления и отображения изображения. Выбор схемы тока (или напряжения) существенно влияет на отношение сигнал/шум. С устройствами, способными подавать токи со всех электродов одновременно (например, ACT3 [20] ), можно адаптивно определять оптимальные схемы тока. [21]

Если изображения должны отображаться в режиме реального времени, типичным подходом является применение некоторой формы регуляризованной обратной линеаризации прямой задачи [22] или быстрой версии метода прямой реконструкции, такого как метод D-bar. [23] Большинство практических систем, используемых в медицинской среде, генерируют «разностное изображение», т. е. различия в напряжении между двумя временными точками умножаются влево на регуляризованное обратное значение для расчета приблизительной разности между изображениями диэлектрической проницаемости и проводимости. Другой подход заключается в построении конечно-элементной модели тела и корректировке проводимостей (например, с использованием варианта метода Левенбурга – Маркварта).), чтобы соответствовать измеренным данным. Это более сложно, так как требует точной формы тела и точного положения электродов.

Большая часть фундаментальной работы, лежащей в основе электрического импеданса, была проделана в Политехническом институте Ренсселера, начиная с 1980-х годов. [3] [17] [21] [22] [24] [25] [26] См. также работу, опубликованную в 1992 году в рамках проекта Glenfield Hospital Project (ссылка отсутствует).

Абсолютные подходы EIT нацелены на цифровую реконструкцию статических изображений, т. е. двухмерных представлений анатомии в интересующей части тела. Как упоминалось выше, и в отличие от линейного рентгеновского излучения в компьютерной томографии , электрические токи распространяются трехмерно по пути наименьшего удельного сопротивления (рис. 1), что приводит к частичной потере приложенного электрического тока (перенос импеданса, например, из-за кровотока через поперечной плоскости). [3] [18] [19] Это одна из причин, почему реконструкция изображения в абсолютном EIT настолько сложна, поскольку обычно существует более одного решения для реконструкции изображения трехмерной области, спроецированной на двумерную плоскость. . [4] [18]Другая трудность заключается в том, что, учитывая количество электродов и точность измерения на каждом электроде, можно различить только объекты больше заданного размера. [26] [27] Это объясняет необходимость очень сложных математических алгоритмов, которые будут решать обратную задачу и ее некорректность.

Дальнейшие трудности при абсолютной ЭИТ возникают из-за индивидуальных и индивидуальных различий проводимости электродов с сопутствующими искажениями изображения и артефактами. Также важно иметь в виду, что интересующая часть тела редко имеет точно округлую форму и что индивидуальная анатомия различается, например форма грудной клетки, влияющая на расстояние между отдельными электродами. [28] Априорные данные, учитывающие типичную для возраста, роста и пола анатомию, могут снизить чувствительность к артефактам и искажениям изображения. [29] Улучшение отношения сигнал/шум, например, за счет использования активных поверхностных электродов, еще больше снижает количество ошибок визуализации. [30] [31]Некоторые из новейших систем EIT с активными электродами контролируют работу электродов через дополнительный канал и способны компенсировать недостаточный контакт с кожей, удаляя их из измерений.

EIT с разницей во времени позволяет избежать большинства этих проблем, регистрируя измерения у одного и того же человека между двумя или более физиологическими состояниями, связанными с линейными изменениями проводимости. Одним из лучших примеров этого подхода является ткань легкого во время дыхания из-за линейных изменений проводимости между вдохом и выдохом, которые вызваны различным содержанием изолирующего воздуха во время каждого цикла дыхания. [2] Это позволяет производить цифровое вычитание записанных измерений, полученных во время дыхательного цикла, и в результате получить функциональные изображения легочной вентиляции. Одним из основных преимуществ является то, что относительные изменения проводимости остаются сопоставимыми между измерениями, даже если один из записывающих электродов имеет меньшую проводимость, чем другие, тем самым уменьшая большинство артефактов и искажений изображения. [7]Тем не менее, включение априорных наборов данных или сеток в дифференциальную EIT по-прежнему полезно для проецирования изображений на наиболее вероятную морфологию органа, которая зависит от веса, роста, пола и других индивидуальных факторов. [29]

Проект с открытым исходным кодом EIDORS [32] предоставляет набор программ (написанных на Matlab / GNU_Octave ) для реконструкции и отображения данных под лицензией GNU GPL. Прямой нелинейный метод D-bar [33] для нелинейной реконструкции EIT доступен в коде Matlab по адресу [2] .

Исследовательская инициатива Open Innovation EIT [34] направлена ​​на развитие электроимпедансной томографии (EIT) в целом и, в конечном счете, на ускорение ее клинического внедрения. Программное и аппаратное обеспечение EIT с поддержкой plug-and-play доступно через Swisstom и может быть приобретено по себестоимости. [35] Реконструкция изображения и обработка необработанных данных, полученных с помощью этого набора, могут выполняться без каких-либо ограничений с помощью программных инструментов, предоставляемых через EIDORS.

Характеристики

В отличие от большинства других методов томографической визуализации, EIT не использует ионизирующее излучение. Токи, обычно применяемые при ЭИТ, относительно малы и, безусловно, ниже порога, при котором они могут вызвать значительную нервную стимуляцию. Частота переменного тока достаточно высока, чтобы не вызывать электролитических эффектов в организме, а рассеиваемая омическая мощность достаточно мала и рассеивается по телу, чтобы с ней легко справилась система терморегуляции организма. Эти свойства позволяют EIT постоянно применяться у людей, например, при искусственной вентиляции легких в отделении интенсивной терапии (ОИТ). Поскольку оборудование, необходимое для выполнения EIT, намного меньше и дешевле, чем в обычной томографии,EIT подходит для непрерывной визуализации легочной вентиляции в режиме реального времени прямо у постели больного. Основным недостатком ЭИТ по сравнению с традиционной томографией является более низкое максимальное пространственное разрешение (приблизительно 15% диаметра электродной решетки в ЭИТ по сравнению с 1 мм в КТ и МРТ). Однако разрешение можно улучшить, используя 32 электрода вместо 16.[2] [4] [7] [20] Качество изображения может быть дополнительно улучшено путем создания системы EIT с активными поверхностными электродами, которые значительно уменьшают потери сигнала, артефакты и помехи, связанные с кабелями, а также длину кабеля и удобство обращения. [30] [31] В отличие от пространственного разрешения, временное разрешение ЭИТ (0,1 миллисекунды) намного выше, чем у КТ или МРТ (0,1 секунды). [8]

Приложения

Легкое (a-EIT, td-EIT)

ЭИТ особенно полезна для мониторинга функции легких, поскольку удельное сопротивление легочной ткани в пять раз выше, чем у большинства других мягких тканей грудной клетки. Это приводит к высокой абсолютной контрастности легких. Кроме того, удельное сопротивление легких увеличивается и уменьшается в несколько раз между вдохом и выдохом, что объясняет, почему мониторинг вентиляции в настоящее время является наиболее многообещающим клиническим применением EIT, поскольку механическая вентиляция часто приводит к вентилятор-ассоциированному повреждению легких (VALI). Возможность EIT для визуализации легких была впервые продемонстрирована в Политехническом институте Ренсселера в 1990 году с использованием алгоритма NOSER. [22]Разница во времени EIT может устранить изменения в распределении объемов легких между зависимыми и независимыми областями легких и помочь в настройке параметров вентилятора для обеспечения защитной вентиляции легких у пациентов во время критического заболевания или анестезии. [36]

Большинство исследований EIT были сосредоточены на мониторинге региональной функции легких с использованием информации, определяемой EIT разницы во времени (td-EIT). Однако абсолютная EIT (a-EIT) также может стать клинически полезным инструментом для визуализации легких, поскольку этот подход позволит напрямую различать состояния легких, возникающие в областях с более низким удельным сопротивлением (например, гемоторакс, плевральный выпот, ателектаз, отек легких) и с повышенным сопротивлением (например, пневмоторакс, эмфизема). [7] [37]

Клейкие электроды на груди у 10-дневного ребенка [38]
Реконструкция EIT (слева) и изменение импеданса в течение шести вдохов. [38] Данные доступны на [39]

На изображении выше показано ЭИТ-исследование 10-дневного ребенка с нормальным дыханием с 16 клейкими электродами, прикрепленными к груди.

Реконструкция изображения на основе измерений абсолютного импеданса требует учета точных размеров и формы тела, а также точного расположения электродов, поскольку упрощенные предположения приведут к значительным артефактам реконструкции. [28] Несмотря на то, что первоначальные исследования, оценивающие аспекты абсолютной ЭИТ, были опубликованы, эта область исследований еще не достигла уровня зрелости, который сделал бы ее пригодной для клинического использования.

Напротив, разница во времени EIT определяет относительные изменения импеданса, которые могут быть вызваны либо вентиляцией, либо изменениями объема легких в конце выдоха. Эти относительные изменения относятся к базовому уровню, который обычно определяется внутригрудным распределением импеданса в конце выдоха. [7] Изображения EIT с разницей во времени можно генерировать непрерывно и прямо у постели больного. Эти атрибуты делают региональный мониторинг функции легких особенно полезным всякий раз, когда есть необходимость улучшить оксигенацию или уровень CO 2 .устранение и когда изменение терапии направлено на достижение более однородного распределения газа у пациентов на ИВЛ. Визуализация легких с помощью EIT может выявить изменения в региональном распределении объемов легких между, например, зависимыми и независимыми областями легких при изменении параметров вентилятора. Таким образом, измерения EIT можно использовать для управления конкретными настройками вентилятора для поддержания защитной вентиляции легких для каждого пациента. [40]

Помимо применимости EIT в отделении интенсивной терапии, первые исследования со спонтанно дышащими пациентами выявили дальнейшие многообещающие применения. [41] Высокое временное разрешение EIT позволяет проводить регионарную оценку общих динамических параметров, используемых при тестировании функции легких (например, объем форсированного выдоха за 1 секунду). [42] Кроме того, специально разработанные методы слияния изображений, накладывающие функциональные данные ЭИТ на морфологические данные пациента (например, изображения КТ или МРТ ), могут использоваться для всестороннего понимания патофизиологии легких, что может быть полезно для пациентов, страдающих обструктивными заболеваниями легких. заболевания легких (например , ХОБЛ , МВ ). [43]

После многих лет исследований EIT легких с предварительным оборудованием EIT или серийными моделями, произведенными в очень небольшом количестве, две коммерческие системы для EIT легких недавно вышли на рынок медицинских технологий: Dräger PulmoVista® 500 и Swisstom AG Swisstom BB 2 . Обе модели в настоящее время устанавливаются в отделениях интенсивной терапии и уже используются в качестве помощников в процессах принятия решений, связанных с лечением пациентов с острым респираторным дистресс-синдромом (ОРДС).

Растущая доступность коммерческих систем EIT в отделениях интенсивной терапии покажет, применимы ли многообещающие данные, полученные на животных моделях, к людям (рекрутирование легких под контролем EIT, выбор оптимальных уровней PEEP, обнаружение пневмоторакса, предотвращение повреждения легких, связанного с ИВЛ). ВАЛИ) и др.). Это было бы весьма желательно, учитывая, что недавние исследования показывают, что у 15% пациентов с механической вентиляцией легких в ОИТ разовьется острое повреждение легких (ALI) с сопутствующим прогрессирующим коллапсом легкого, что, как сообщается, связано с высокой смертностью в 39%. [44]Совсем недавно первое проспективное исследование искусственной вентиляции под контролем EIT на животных могло продемонстрировать значительные преимущества в отношении механики дыхания, газообмена и гистологических признаков повреждения легких, связанного с ИВЛ. [45]

В дополнение к визуальной информации (например, региональное распределение дыхательного объема) измерения EIT предоставляют наборы необработанных данных, которые можно использовать для расчета другой полезной информации (например, изменения внутригрудного объема газа во время критического состояния), однако такие параметры все еще требуют тщательной оценки и анализа. Проверка. [40]

Еще одним интересным аспектом торакальной ЭИТ является ее способность регистрировать и фильтровать пульсирующие сигналы перфузии. Хотя по этой теме были опубликованы многообещающие исследования [46] , эта технология все еще находится в зачаточном состоянии. Прорыв позволит одновременно визуализировать как региональный кровоток, так и регионарную вентиляцию, что позволит клиницистам обнаруживать и реагировать на физиологические шунты, вызванные региональными несоответствиями вентиляции и перфузии легких с ассоциированной гипоксемией.

Грудь (MF-EIT)

EIT исследуется в области визуализации молочной железы в качестве альтернативного / дополнительного метода для маммографии и магнитно-резонансной томографии (МРТ) для выявления рака молочной железы. Низкая специфичность маммографии [47] и МРТ [48] приводит к относительно высокому уровню ложноположительных результатов скрининга, с большим дискомфортом для пациентов и затратами для медицинских учреждений. Разработка альтернативных методов визуализации для этого показания желательна из-за недостатков существующих методов: ионизирующего излучения в маммографии и риска индукции нефрогенного системного фиброза (НСФ) у пациентов со сниженной функцией почек при введении контрастного вещества, используемого при МРТ молочной железы. , Гадолиний. [49]

Литература показывает, что электрические свойства нормальных и злокачественных тканей молочной железы различаются, [50] создавая основу для обнаружения рака посредством определения электрических свойств.

Ранним коммерческим развитием нетомографической электроимпедансной визуализации было устройство T-Scan [51] , которое, как сообщалось, улучшало чувствительность и специфичность при использовании в качестве дополнения к скрининговой маммографии. В отчете Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) описывается исследование с участием 504 человек, в котором чувствительность маммографии составила 82%, 62% для одного Т-сканирования и 88% для двух вместе взятых. Специфичность составила 39% для маммографии, 47% для одного Т-сканирования и 51% для обоих вместе взятых. [52]

Несколько исследовательских групп по всему миру активно разрабатывают эту технику. Развертка по частоте кажется эффективным методом обнаружения рака молочной железы с помощью EIT. [53]

В патенте США US 8200309 B2 сканирование электрического импеданса сочетается с магнитно-резонансной низкочастотной визуализацией плотности тока в клинически приемлемой конфигурации, не требующей использования усиления хелатом гадолиния в магнитно-резонансной маммографии.

Шейка матки (MF-EIT)

В дополнение к своей новаторской роли в разработке первых систем EIT в Шеффилде [8] профессор Брайан Х. Браун в настоящее время активно занимается исследованиями и разработками электроимпедансного спектроскопа на основе MF-EIT. Согласно исследованию, опубликованному Брауном в 2000 году, MF-EIT может предсказать [цервикальную интраэпителиальную неоплазию] (CIN) степени 2 и 3 по данным мазка Папаниколау с чувствительностью и специфичностью 92% каждая. [54] Пока не решено, будет ли ЭИТ шейки матки использоваться в качестве дополнения или альтернативы мазку Папаниколау. Браун является академическим основателем Zilico Limited.который раздает спектроскоп (ZedScan I). Устройство получило сертификацию ЕС от уполномоченного органа в 2013 году и в настоящее время внедряется в ряд клиник Великобритании и систем здравоохранения по всему миру.

Мозг (a-EIT, td-EIT, mf-EIT)

EIT была предложена в качестве основы для визуализации головного мозга , чтобы обеспечить обнаружение и мониторинг церебральной ишемии , кровоизлияния и других морфологических патологий, связанных с изменениями импеданса из-за отека нейронов, т.е. церебральной гипоксемии и гипогликемии .

В то время как максимальное пространственное разрешение ЭИТ, составляющее примерно 15% от диаметра массива электродов, значительно ниже, чем у КТ или МРТ головного мозга (около одного миллиметра), временное разрешение ЭИТ намного выше, чем у КТ или МРТ (0,1 миллисекунды по сравнению с 0,1 секунды). . [8] Это делает EIT также интересным для мониторинга нормальной функции мозга и активности нейронов в отделениях интенсивной терапии или в предоперационных условиях для локализации эпилептических очагов с помощью телеметрических записей. [8]

Холдер смог продемонстрировать в 1992 году, что изменения внутримозгового импеданса могут быть обнаружены неинвазивно через череп с помощью измерений поверхностных электродов. Экспериментальные модели инсульта или судорог на животных показали увеличение импеданса до 100% и 10% соответственно. Более поздние системы EIT предлагают возможность подачи переменного тока от несмежных приводных электродов. До сих пор церебральная EIT еще не достигла зрелости, чтобы быть принятой в клиническую практику, однако в настоящее время проводятся клинические исследования по инсульту и эпилепсии. [8]

При этом использовании EIT зависит от подачи низкочастотных токов над черепом, которые составляют около <100 Гц, поскольку во время покоя нейронов на этой частоте эти токи остаются во внеклеточном пространстве и, следовательно, не могут проникать во внутриклеточное пространство внутри нейронов. Однако, когда нейрон генерирует потенциал действия или собирается деполяризоваться , сопротивление его мембраны, препятствующее этому, уменьшится в восемьдесят раз. Всякий раз, когда это происходит с большим числом нейронов, изменения сопротивления составляют около 0,06–1,7 %. Эти изменения сопротивления обеспечивают средства обнаружения когерентной активности нейронов в большом количестве нейронов и, таким образом, томографическую визуализацию активности нейронов мозга.

К сожалению, несмотря на то, что такие изменения поддаются обнаружению, «они слишком малы для обеспечения надежного производства изображений». [55] Перспективы использования этого метода для этой индикации будут зависеть от улучшения обработки или записи сигнала. [55]

В исследовании, проведенном в июне 2011 года, сообщалось, что функциональная электроимпедансная томография с помощью вызывающей реакции (fEITER) использовалась для визуализации изменений активности мозга после инъекции анестетика. Одним из преимуществ этого метода является то, что необходимое оборудование достаточно маленькое и его достаточно легко транспортировать, чтобы его можно было использовать для мониторинга глубины анестезии в операционных. [9]

Перфузия (td-EIT)

Из-за относительно высокой проводимости кровь может использоваться для функциональной визуализации перфузии в тканях и органах, характеризующихся более низкой проводимостью, например, для визуализации регионарной перфузии легких. [4] [56] В основе этого подхода лежит то, что импеданс пульсирующей ткани изменяется в зависимости от различий в наполнении кровеносных сосудов между систолой и диастолой, особенно при введении физиологического раствора в качестве контрастного вещества. [46]

Спортивная медицина/уход на дому (а-ЭИТ, тд-ЭИТ)

Измерения электрического импеданса также могут использоваться для вычисления абстрактных параметров, т.е. невизуальной информации. Последние достижения в технологии EIT, а также меньшее количество электродов, необходимых для регистрации глобальных, а не региональных параметров у здоровых людей, можно использовать для неинвазивного определения, например, VO 2 или артериального давления в спортивной медицине или домашнем уходе. [46]

Коммерческие системы

a-EIT и td-EIT

Несмотря на то, что до недавнего времени медицинские системы EIT не использовались широко, несколько производителей медицинского оборудования поставляют коммерческие версии систем визуализации легких, разработанных исследовательскими группами университетов. Первая такая система произведена компанией Maltron International [57] , которая распространяет систему Sheffield Mark 3.5 с 16 электродами. Подобными системами являются система Goe MF II, разработанная Геттингенским университетом , Германия и распространяемая через CareFusion (16 электродов), а также Enlight 1800 , разработанная в Медицинской школе Университета Сан-Паулу и Политехническом институте Университета Сан-Паулу. , Бразилия, которая распространяетсяTimpel SA (32 электрода). Эти системы обычно соответствуют законодательству о медицинской безопасности и в основном используются клиническими исследовательскими группами в больницах, большинство из них в отделениях интенсивной терапии .

Первое устройство EIT для мониторинга функции легких, предназначенное для повседневного клинического использования в условиях интенсивной терапии, было выпущено Dräger Medical в 2011 году — PulmoVista® 500 (система с 16 электродами). [58] Другая коммерческая система EIT, предназначенная для мониторинга функции легких в условиях отделения интенсивной терапии, основана на 32 активных электродах и впервые была представлена ​​на ежегодном конгрессе ESICM в 2013 году – Swisstom BB 2 . Тем временем, Swisstom AG Swisstom BB 2 был выпущен на рынок на Международном симпозиуме по интенсивной терапии и неотложной медицине 2014 года ( ISICEM).) и будет распространяться в Западной Европе через партнерство между Swisstom и Maquet .

MF-EIT

Системы многочастотной EIT (MF-EIT) или электроимпедансной спектроскопии (EIS) обычно предназначены для обнаружения или локализации аномальной ткани, например, предраковых поражений или рака. Компания «Импеданс Медицинские Технологии» производит системы по разработкам НИИ радиотехники и электроники РАН в Москве, специально предназначенные для выявления рака молочной железы. [59] Техасская компания Mirabel Medical Systems, Inc. разрабатывает аналогичное решение для неинвазивного обнаружения рака молочной железы и предлагает T-Scan 2000ED . Zilico Limited распространяет спектроскоп электрического импеданса под названием ZedScan I.как медицинское устройство, предназначенное для помощи в обнаружении/диагностике интраэпителиальной неоплазии шейки матки. [54] Устройство только что получило сертификацию ЕС в 2013 году.

V5R

v5r [60] — это высокопроизводительное устройство, основанное на методе измерения напряжения и напряжения, предназначенное для улучшения управления технологическим процессом. Высокая частота кадров v5r (более 650 кадров в секунду) означает, что его можно использовать для мониторинга быстро меняющихся процессов или динамических условий потока. Предоставляемые им данные можно использовать для определения профиля течения сложных многофазных процессов; позволяя инженерам различать ламинарный, пробковый и другие важные условия потока для более глубокого понимания и улучшения управления технологическим процессом.

При использовании для измерения концентрации способность измерять полный импеданс в широком диапазоне соотношений фаз означает, что v5r способен обеспечить значительную точность в более широком диапазоне проводимости по сравнению с другими устройствами.

Смотрите также

  • Электроемкостная объемная томография
  • Электротомография удельного сопротивления
  • Электроемкостная томография
  • Дыхательный мониторинг
  • Вентилятор-ассоциированное повреждение легких (VALI)
  • EIDORS набор инструментов для реконструкции для EIT
  • Системы промышленной томографии

использованная литература

  1. ^ Адлер А., Моделирование электрического тока EIT в модели грудной клетки человека, документация EIDORS , 3 ноября 2010 г.
  2. ^ a b c d e f g h я Браун, BH (2003). «Электроимпедансная томография (ЭИТ): обзор». Журнал медицинской техники и технологий . 27 (3): 97–108. дои : 10.1080/0309190021000059687 . PMID  12775455 . S2CID  43607387 .
  3. ^ a b c d e Чейни, Маргарет; Исааксон, Дэвид; Ньюэлл, Джонатан С. (1999). «Электроимпедансная томография». Обзор СИАМ . 41 (1): 85–101. Бибкод : 1999SIAMR..41...85C . doi : 10.1137/s0036144598333613 .
  4. ^ a b c d e f g Боденштейн, Марк; Дэвид, Матиас; Марксталлер, Клаус (2009). «Основы электроимпедансной томографии и ее клиническое применение». Медицина критических состояний . 37 (2): 713–724. doi : 10.1097/ccm.0b013e3181958d2f . PMID 19114889 . S2CID 39179521 .  
  5. ^ Кальдерон А.П. (1980) «Об обратной краевой задаче», на семинаре по численному анализу и его приложениям к физике сплошной среды , Рио-де-Жанейро. Сканированная копия бумаги . Статья была переиздана как Calderon, Alberto P. (2006). «Об обратной краевой задаче» . Мат. Апл. Вычислить . 25 (2–3): 133–138. doi : 10.1590/s0101-82052006000200002 .
  6. ^ Ульманн Г. (1999) «Развитие обратных задач после основополагающей статьи Кальдерона», Гармонический анализ и уравнения в частных производных: очерки в честь Альберто П. Кальдерона (редакторы М. Е. Христос и К. Э. Кениг), University of Chicago Press, ISBN 0 -226-10455-9 
  7. ^ a b c d e Коста, Э. Л.; Лима, Р.Г.; Амато, МБ (2009). «Электроимпедансная томография». Текущее мнение в интенсивной терапии . 15 (1): 18–24. doi : 10.1097/mcc.0b013e3283220e8c . PMID 19186406 . S2CID 17149730 .  
  8. ^ a b c d e f g h i Холдер Д.С., Электроимпедансная томография: методы, история и приложения, Институт физики, 2004. ISBN 0-7503-0952-0 . 
  9. ^ a b Карпентер, Дженнифер (13 июня 2011 г.). «Изображения фиксируют момент, когда мозг теряет сознание» . Новости BBC: Наука и окружающая среда . Великобритания: Би-би-си . Проверено 20 февраля 2013 г.
  10. ^ Троханова, О.В.; Чижова, Ю.А.; Охапкин, М.Б.; Корженевский, А.В.; Туйкин, Т.С. (2013). «Возможности электроимпедансной томографии в гинекологии» . Журнал физики: серия конференций . 434 (1): 012038. Бибкод : 2013JPhCS.434a2038V . doi : 10.1088/1742-6596/434/1/012038 .
  11. ^ Хендерсон, Р.П.; Вебстер, Дж. Г. (1978). «Камера импеданса для пространственно конкретных измерений грудной клетки». IEEE транс. Биомед. англ . 25 (3): 250–254. doi : 10.1109/TBME.1978.326329 . PMID 680754 . S2CID 12963682 .  
  12. ^ Парикмахерская, округ Колумбия; Браун, Б.Х. (1984). «Прикладная потенциальная томография». Дж. Физ. Э: наук. Инструм . 17 (9): 723–733. doi : 10.1088/0022-3735/17/9/002 .
  13. ^ Парикмахерская, CC; Браун, Б.Х.; Фристон, Иллинойс (1983). «Визуализация пространственного распределения удельного сопротивления с помощью прикладной потенциальной томографии». Электронные письма . 19 (22): 933. Бибкод : 1983ElL....19..933B . дои : 10.1049/эл:19830637 .
  14. ^ М.С. Бек и Р. Уильямс, Технологическая томография: принципы, методы и приложения, Баттерворт-Хайнеманн (19 июля 1995 г.), ISBN 0-7506-0744-0 
  15. ^ Джамджи, Ф .; Горвин, AC; Фристон, Иллинойс; Тозер, RC; Мэйс, IC; Блайт, С.Р. (1996). «Электроимпедансная томография применительно к характеристике полупроводниковых пластин». Измерительная наука и техника . 7 (3): 391–395. Бибкод : 1996MeScT...7..391D . дои : 10.1088/0957-0233/7/3/021 . ISSN 0957-0233 . 
  16. ^ Калтрера, Алессандро; Каллегаро, Лука (2016). «Томография электрического сопротивления проводящих тонких пленок». Транзакции IEEE по приборам и измерениям . 65 (9): 2101–2107. архив : 1606.05698 . Бибкод : 2016arXiv160605698C . doi : 10.1109/TIM.2016.2570127 . ISSN 0018-9456 . S2CID 13220087 .  
  17. ^ б Чейни , М .; Исааксон, Д. (1995). «Вопросы визуализации электрического импеданса». IEEE Вычислительная наука и инженерия . 2 (4): 53–62. дои : 10.1109/99.476369 .
  18. ^ a b c Холдер Дэвид С.: Электроимпедансная томография. Методы, история и приложения , Институт физики: Бристоль и Филадельфия, 2005 г., часть 1. Алгоритмы .
  19. ^ a b Львиное Сердце, Уильям Р. Б. (2004). «Алгоритмы реконструкции EIT: подводные камни, проблемы и последние разработки». Физиологическое измерение . 25 (1): 125–142. arXiv : физика/0310151 . doi : 10.1088/0967-3334/25/1/021 . PMID 15005311 . S2CID 16332765 .  
  20. ^ б Кук , Р. Д.; Солнье, Г.Дж.; Гиссер, Д. Г.; Гобл, Дж. К.; Ньюэлл, Дж. К.; Исааксон, Д. (1994). «ACT3: высокоскоростной и высокоточный электроимпедансный томограф» . IEEE Transactions по биомедицинской инженерии . 41 (8): 713–722. дои : 10.1109/10.310086 . ПВК 4793976 . PMID 7927393 .  
  21. ^ б Гиссера , Д. Г.; Исааксон, Д.; Ньюэлл, Дж. К. (1990). «Компьютерная томография электрического тока и собственные значения». Журнал SIAM по прикладной математике . 50 (6): 1623–1634. дои : 10.1137/0150096 .
  22. ^ a b c Чейни, М .; Исааксон, Д.; Ньюэлл, Дж. К.; Симске, С .; Гобл, Дж. (1990). «НОСЕР: алгоритм решения обратной задачи проводимости». Международный журнал систем и технологий визуализации . 2 (2): 66–75. doi : 10.1002/ima.1850020203 . S2CID 26337135 . 
  23. ^ Додд, Мелоди; Мюллер, Дженнифер Л. (2014). «Алгоритм D-bar в реальном времени для данных двумерной электроимпедансной томографии» . Обратные задачи и визуализация (Спрингфилд, Миссури) . 8 (4): 1013–1031. архив : 1404.5978 . doi : 10.3934/ipi.2014.8.1013 . ПМЦ 4414053 . PMID 25937856 .  
  24. ^ Ченг, К.С., Исааксон, Д., Ньюэлл, Дж. К., и Гиссер, Д. Г. (1989). Модели электродов для электротоковой компьютерной томографии. Биомедицинская инженерия, IEEE Transactions, 36 (9), 918–24.
  25. ^ Сомерсало, Э., Чейни, М., и Исааксон, Д. (1992). Существование и уникальность моделей электродов для электротоковой компьютерной томографии. Журнал SIAM по прикладной математике, 52 (4), 1023–1040.
  26. ^ a b Чейни, М., и Исааксон, Д. (1992). Различимость в изображении импеданса. Биомедицинская инженерия, IEEE Transactions, 39 (8), 852–860.
  27. ^ Алессандрини, Г. (1988). Стабильное определение проводимости по граничным измерениям. Применимый анализ, 27 (1–3), 153–172.
  28. ^ a b Бойл А., Адлер А. (2011) «Влияние площади электрода, импеданса контакта и формы границы на изображения EIT». Физиол. Изм. 32(7): 745–54.
  29. ^ a b Феррарио Д., Грихтол Б., Адлер А., Сола Дж., Бём С.Х., Боденштейн М. (2012) «К морфологическому торакальному EIT: основные источники сигналов соответствуют соответствующим расположениям органов на КТ». IEEE транс. Биомед. англ. 59 (11): 3000–8.
  30. ^ a b Риго Б., Ши Ю., Шово Н., Моруччи Дж. П. (1993) «Экспериментальная система сбора данных для импедансной томографии с подходом с активным электродом». Мед. биол. англ. вычисл. 31(6): 593–9.
  31. ^ a b Gaggero PO, Adler A., ​​Brunner J., Seitz P. (2012) «Система электроимпедансной томографии на основе активных электродов». Физиол. Изм. 33(5): 831–47.
  32. ^ Адлер, Энди; Львиное Сердце, Уильям (2006). «Использование и злоупотребление EIDORS: расширяемая программная база для EIT». Физиологическое измерение . 27 (5): С25–С42. Бибкод : 2006PhyM...27S..25A . CiteSeerX 10.1.1.414.8592 . doi : 10.1088/0967-3334/27/5/S03 . PMID 16636416 .  
  33. ^ Мюллер Дж. Л. и Силтанен С. (2012), Линейные и нелинейные обратные задачи с практическими приложениями. СИАМ.
  34. Викискладе есть медиафайлы по теме EIT Pioneer . eit-pioneer.org/ . Архивировано из оригинала 13 января 2015 года . Проверено 3 февраля 2016 г.
  35. ^ «Исследовательская инициатива Swisstom по открытым инновациям EIT» . swisstom.com . Свисстом . Проверено 3 февраля 2016 г.
  36. ^ Фрерихс, И.; Шольц, Дж.; Вейлер, Н. (2006). «Электроимпедансная томография и ее перспективы в реаниматологии». Ежегодник интенсивной терапии и неотложной медицины . Ежегодник интенсивной терапии и неотложной медицины. 2006 . Берлин: Спрингер. стр. 437–447. doi : 10.1007/3-540-33396-7_40 . ISBN 978-3-540-30155-4.
  37. ^ Люке Т., Корради Ф., Пелоси П. (2012) «Визуализация легких для титрования механической вентиляции» Curr. мнение Анаст. 25(2):131–140.
  38. ^ a b С. Генрих, Х. Шиффманн, А. Фрерихс, А. Клокгетер-Радке, И. Фрерихс, Влияние положения тела и головы на региональную вентиляцию легких у младенцев: исследование с помощью электроимпедансной томографии. Медицина интенсивной терапии, 32:1392–1398, 2006.
  39. ^ С. Хайнрих, Х. Шиффманн, А. Фрерихс, А. Клокгетер-Радке, И. Фрерихс, EIDORS предоставили данные [1] 2011
  40. ^ a b Адлер А., Амато М.Б., Арнольд Дж. Х., Бейфорд Р., Боденштейн М., Бём С. Х., Браун Б. Х., Фрерихс И., Стенквист О., Вейлер Н., Вольф Г. К. (2012) «Где легкое EIT: где мы, куда мы хотим пойти и что нам нужно, чтобы добраться туда?» Физиол. Изм. 33(5):679–94.
  41. ^ Гонг, Бо; Крюгер-Циолек, Сабина; Меллер, Кнут; Шульке, Бенджамин; Чжао, Чжаньци (2 ноября 2015 г.). «Электроимпедансная томография: функциональная визуализация легких на пути к клинической практике?». Экспертиза респираторной медицины . 9 (6): 721–737. дои : 10.1586/17476348.2015.1103650 . ISSN 1747-6348 . PMID 26488464 . S2CID 207206999 .   
  42. ^ Крюгер-Зиолек, Сабина; Шульке, Бенджамин; Чжао, Чжаньци; Гонг, Бо; Нэриг, Сюзанна; Мюллер-Лиссе, Ульрих; Меллер, Кнут (2016). «Неоднородность многослойной вентиляции при муковисцидозе». Респираторная физиология и нейробиология . 233 : 25–32. doi : 10.1016/j.resp.2016.07.010 . PMID 27476932 . S2CID 10355241 .  
  43. ^ Шульке, Бенджамин; Гонг, Бо; Крюгер-Циолек, Сабина; Сулеймани, Манучехр; Мюллер-Лиссе, Ульрих; Меллер, Кнут (16 мая 2016 г.). «Структурно-функциональная визуализация легких с использованием комбинированного метода реконструкции КТ-ЭИТ и дискретного косинусного преобразования» . Научные отчеты . 6 (1): 25951. Бибкод : 2016NatSR ...625951S . дои : 10.1038/srep25951 . ISSN 2045-2322 . ПВК 4867600 . PMID 27181695 .   
  44. ^ Рубенфельд Г., Колдуэлл Э., Пибоди Э., Уивер Дж., Мартин Д., Не М., Стерн Э., Хадсон Л. (2005) «Частота и исходы острого повреждения легких». Н. англ. Дж. Мед. 353 (16): 1685–1693.
  45. ^ Вольф Г., Гомес-Лаберже К., Реттиг Дж., Варгас С., Смоллвуд К., Прабху С., Виталий С., Зураковски Д. и Арнольд Дж. (2013). «Искусственная вентиляция легких под контролем электроимпедансной томографии при экспериментальном остром повреждении легких» Крит. Уход. Мед. 41(5):1296–1304.
  46. ^ a b c Сола Дж., Адлер А., Сантос А., Тусман Г., Сипманн Ф.С., Бом С.Х. (2011) «Неинвазивный мониторинг центрального артериального давления с помощью электроимпедансной томографии: первые экспериментальные данные». Мед. биол. англ. вычисл. 49(4):409–15.
  47. ^ Хьюн, PT; Яролимек, AM; Дай, С. (1998). «Ложноотрицательная маммография» . РадиоГрафика . 18 (5): 1137–1154. doi : 10.1148/радиография.18.5.9747612 . PMID 9747612 . 
  48. ^ Пикколи, CW (1997). «МРТ груди с контрастным усилением: факторы, влияющие на чувствительность и специфичность» . Европейская радиология . 7 : 281–288. DOI : 10.1007/ PL00006909 . PMID 9370560 . S2CID 25324137 .  
  49. ^ Куо, PH; Канал, Э .; Абу-Альфа, Аляска; Купер, SE (2007). «Контрастные вещества для МРТ на основе гадолиния и нефрогенный системный фиброз». Радиология . 242 (3): 647–9. doi : 10.1148/радиол.2423061640 . PMID 17213364 . 
  50. ^ Джоссине, Дж. (1998). «Импедансность свежевырезанной ткани молочной железы человека». Физиологическое измерение . 19 (1): 61–76. doi : 10.1088/0967-3334/19/1/006 . PMID 9522388 . 
  51. ^ Ассенхеймер, Мишель; Лавер-Московиц, Ора; Малонек, Дов; Поместье, Дэвид; Нахалиэль, Уди; Ницан, Рон; Саад, Авраам (2001). «Технология T-SCAN: электрический импеданс как диагностический инструмент для обнаружения рака молочной железы». Физиологическое измерение . 22 (1): 1–8. doi : 10.1088/0967-3334/22/1/301 . PMID 11236870 . 
  52. ↑ TransScan T-Scan 2000 — P970033 , 24 апреля 2002 г., Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов .
  53. ^ Ким Б.С., Исааксон Д., Ся Х., Као Т.Дж., Ньюэлл Дж.С., Солнье, Г.Дж. (2007) «Метод анализа данных спектроскопии электрического импеданса у пациентов с раком груди» «Физиологическое измерение» 28 (7): S237.
  54. ^ a b Браун Б.Х., Тайди Дж. А., Бостон К., Блэкетт А. Д., Смоллвуд Р. Х., Шарп Ф. (2000) «Связь между структурой ткани и навязанным потоком электрического тока при неоплазии шейки матки». Ланцет 355 (9207): 892–5.
  55. ^ б Гилад, О ; Холдер, Д.С. (2009). «Изменения импеданса, зарегистрированные с помощью скальповых электродов во время зрительных вызванных реакций: последствия для электроимпедансной томографии быстрой нервной активности». НейроИзображение . 47 (2): 514–22. doi : 10.1016/j.neuroimage.2009.04.085 . PMID 19426819 . S2CID 6027222 .  
  56. ^ Kunst PW, Vonk Noordegraaf A., Hoekstra OS, Postmus PE, de Vries PM (1998) «Визуализация вентиляции и перфузии с помощью электроимпедансной томографии: сравнение с радионуклидным сканированием». Физиол. Изм. 19(4): 481–90.
  57. ^ Мальтрон Интернэшнл. «Maltron Sheffield MK 3.5, пионер электроимпедансной томографии» . Архивировано из оригинала 2 декабря 2010 года . Проверено 17 июня 2011 г.
  58. ^ Дрегер медицинский. «Технические данные для PulmoVista 500» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 25 июля 2011 г .. Проверено 17 июня 2011 г.
  59. ^ ИМТ. «Импедансные медицинские технологии» . Проверено 17 июня 2011 г.
  60. ^ ITS, http://www.itoms.com/products/v5r-electrical-resistance-tomography/
Получено с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Electrical_impedance_tomography&oldid=1027641930 "
Contribute a better translation