Elektrische Impedanztomographie - Electrical impedance tomography

Elektrische Impedanztomographie
CT des menschlichen Thorax zeigt Strompfade für EIT korrigiert.jpg
Abbildung 1: Ein Querschnitt eines menschlichen Thorax aus einem Röntgen-CT , der Stromlinien und Äquipotentiale von Antriebselektroden zeigt. Beachten Sie, wie Linien durch die Änderung der Leitfähigkeit zwischen verschiedenen Organen gebogen werden.
Zweck Messungen werden verwendet, um ein tomographisches Bild eines Teils des menschlichen Körpers zu erstellen

Elektrische Impedanztomographie ( EIT ) ist eine nicht - invasive Art der medizinischen Bildgebung , bei dem die elektrischen Leitfähigkeit , Permittivität und Impedanz eines Teils des Körpers von der Oberfläche abgeleitet wird Elektrodenmessungen und verwendet , um eine tomographische Bild des Teils. Die elektrische Leitfähigkeit variiert beträchtlich zwischen verschiedenen biologischen Geweben (absolute EIT) oder der Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen innerhalb von Geweben (Differenz-EIT). Die meisten EIT-Systeme verwenden kleine Wechselströme mit einer einzigen Frequenz, einige EIT-Systeme verwenden jedoch mehrere Frequenzen, um besser zwischen normalem und vermutetem abnormalem Gewebe innerhalb desselben Organs zu unterscheiden (Mehrfrequenz-EIT oder elektrische Impedanzspektroskopie).

Typischerweise werden leitende Oberflächenelektroden an der Haut um den zu untersuchenden Körperteil angebracht. An einige oder alle Elektroden werden kleine Wechselströme angelegt, wobei die resultierenden Äquipotentiale von den anderen Elektroden aufgezeichnet werden (Abbildungen 1 und 2). Dieser Vorgang wird dann für zahlreiche unterschiedliche Elektrodenkonfigurationen wiederholt und führt schließlich zu einem zweidimensionalen Tomogramm gemäß den eingebauten Bildrekonstruktionsalgorithmen.

Da der Gehalt an freien Ionen die Leitfähigkeit von Gewebe und Flüssigkeit bestimmt, leiten Muskeln und Blut die angelegten Ströme besser als Fett-, Knochen- oder Lungengewebe. Diese Eigenschaft kann verwendet werden, um statische Bilder durch morphologische oder absolute EIT (a-EIT) zu rekonstruieren. Im Gegensatz zu linearen Röntgenstrahlen, die in der Computertomographie verwendet werden, bewegen sich elektrische Ströme jedoch dreidimensional entlang des Pfads des geringsten spezifischen Widerstands. Dies bedeutet, dass ein Teil des elektrischen Stroms die Transversalebene verlässt und zu einer Impedanzübertragung führt. Dies und andere Faktoren sind der Grund, warum die Bildrekonstruktion bei der absoluten EIT so schwierig ist, da es in der Regel mehr als nur eine Lösung für die Bildrekonstruktion eines auf eine zweidimensionale Ebene projizierten dreidimensionalen Bereichs gibt.

Mathematisch ist das Problem der Wiederherstellung der Leitfähigkeit aus Oberflächenmessungen von Strom und Potential ein nichtlineares inverses Problem und sehr schlecht gestellt . Die mathematische Formulierung des Problems geht auf Alberto Calderón zurück , und in der mathematischen Literatur über inverse Probleme wird es oft als "Calderóns inverses Problem" oder "Calderón-Problem" bezeichnet. Es gibt umfangreiche mathematische Forschung zum Problem der Eindeutigkeit der Lösung und numerische Algorithmen für dieses Problem.

Im Vergleich zu den Gewebeleitfähigkeiten der meisten anderen Weichgewebe innerhalb des menschlichen Thorax ist die Leitfähigkeit des Lungengewebes etwa fünfmal niedriger, was zu einem hohen absoluten Kontrast führt. Diese Eigenschaft kann teilweise den Umfang der Forschung erklären, die in der EIT-Lungenbildgebung durchgeführt wird. Darüber hinaus schwankt die Lungenleitfähigkeit während des Atemzyklus stark, was das immense Interesse der Forschungsgemeinschaft erklärt, die EIT als Methode am Krankenbett einzusetzen, um die Inhomogenität der Lungenbeatmung bei beatmeten Patienten zu visualisieren. EIT-Messungen zwischen zwei oder mehr physiologischen Zuständen, zB zwischen Inspiration und Exspiration, werden daher als Zeitdifferenz-EIT (td-EIT) bezeichnet.

Die Zeitdifferenz-EIT (td-EIT) hat gegenüber der absoluten EIT (a-EIT) einen großen Vorteil: Ungenauigkeiten aufgrund interindividueller Anatomie, unzureichendem Hautkontakt von Oberflächenelektroden oder Impedanzübertragung können verworfen werden, da sich die meisten Artefakte durch einfache Bildsubtraktion von selbst beseitigen in f-EIT. Dies ist höchstwahrscheinlich der Grund, warum bis heute die größten Fortschritte in der EIT-Forschung mit Differenz-EIT erzielt wurden.

Weitere vorgeschlagene EIT-Anwendungen umfassen die Erkennung/Lokalisierung von Krebs in Haut , Brust oder Gebärmutterhals , Lokalisierung epileptischer Herde , Bildgebung der Gehirnaktivität. sowie ein diagnostisches Instrument bei gestörter Magenentleerung. Versuche, Gewebepathologien in normalem Gewebe zu erkennen oder zu lokalisieren, beruhen normalerweise auf Mehrfrequenz-EIT (MF-EIT), auch als elektrische Impedanzspektroskopie (EIS) bezeichnet, und basieren auf Unterschieden in den Leitfähigkeitsmustern bei unterschiedlichen Frequenzen.

Die Erfindung der EIT als medizinisches Bildgebungsverfahren wird normalerweise John G. Webster und einer Veröffentlichung im Jahr 1978 zugeschrieben, obwohl die erste praktische Realisierung eines medizinischen EIT-Systems 1984 aufgrund der Arbeiten von David C. Barber und Brian H. Braun . Gemeinsam veröffentlichten Brown und Barber 1983 das erste elektrische Impedanztomogramm, das den Querschnitt eines menschlichen Unterarms durch absolute EIT visualisiert. Auch wenn inzwischen erhebliche Fortschritte erzielt wurden, gelten die meisten a-EIT-Anwendungen noch als experimentell. Vor kurzem wurden jedoch zwei kommerzielle f-EIT-Geräte zur Überwachung der Lungenfunktion bei Intensivpatienten eingeführt.

Eine der EIT ähnliche Technik wird in der Geophysik und industriellen Prozessüberwachung verwendet – die elektrische Widerstandstomographie . Analog zum EIT werden Oberflächenelektroden auf der Erde, in Bohrlöchern oder in einem Behälter oder Rohr platziert, um Anomalien des spezifischen Widerstands zu lokalisieren oder Mischungen aus leitfähigen Flüssigkeiten zu überwachen. Aufbau- und Rekonstruktionstechniken sind mit EIT vergleichbar. In der Geophysik stammt die Idee aus den 1930er Jahren.

Die elektrische Widerstandstomographie wurde auch vorgeschlagen, um die elektrischen Eigenschaften von Substraten und dünnen Filmen für elektronische Anwendungen abzubilden.

Theorie

Bei diesem Prototyp sind die Elektroden um eine Grapefruit befestigt, die einen Kinderkopf darstellt. Flüssigkeit wird in die Grapefruit injiziert, um eine Gehirnblutung nachzuahmen.

Wie zuvor erwähnt, variieren die elektrische Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante zwischen den biologischen Gewebetypen und hängen von ihrem Gehalt an freien Ionen ab. Weitere Faktoren, die die Leitfähigkeit beeinflussen, sind die Temperatur und andere physiologische Faktoren, zB der Atemzyklus zwischen Ein- und Ausatmen, wenn das Lungengewebe aufgrund des geringeren Gehalts an isolierender Luft in seinen Alveolen leitfähiger wird.

Nach der Positionierung von Oberflächenelektroden durch Klebeelektroden, einen Elektrodengürtel oder eine leitfähige Elektrodenweste um den interessierenden Körperteil werden Wechselströme von typischerweise einigen Milliampere bei einer Frequenz von 10–100 kHz über zwei oder mehr Antriebselektroden angelegt. Die verbleibenden Elektroden werden verwendet, um die resultierende Spannung zu messen. Der Vorgang wird dann für zahlreiche "Stimulationsmuster" wiederholt, zB aufeinanderfolgende Paare benachbarter Elektroden, bis ein ganzer Kreis geschlossen ist und eine Bildrekonstruktion durchgeführt und von einer digitalen Workstation angezeigt werden kann, die komplexe mathematische Algorithmen und A-priori- Daten enthält.

Der Strom selbst wird unter Verwendung von Stromquellen angelegt , entweder einer einzelnen Stromquelle, die unter Verwendung eines Multiplexers zwischen Elektroden geschaltet wird, oder eines Systems von Spannungs-Strom-Umsetzern , einer für jede Elektrode, die jeweils von einem Digital-Analog-Umsetzer gesteuert werden . Die Messungen können wiederum entweder durch eine einzelne Spannungsmessschaltung, die über die Elektroden gemultiplext ist, oder eine separate Schaltung für jede Elektrode durchgeführt werden. Frühere EIT-Systeme verwendeten noch eine analoge Demodulationsschaltung, um die Wechselspannung in einen Gleichstrompegel umzuwandeln, bevor sie durch einen Analog-Digital-Wandler geleitet wurde . Neuere Systeme wandeln das Wechselsignal direkt um, bevor sie eine digitale Demodulation durchführen. Je nach Indikation können einige EIT-Systeme bei mehreren Frequenzen arbeiten und sowohl Betrag als auch Phase der Spannung messen. Gemessene Spannungen werden an einen Computer weitergeleitet, um eine Bildrekonstruktion und -anzeige durchzuführen. Die Wahl der Strom- (oder Spannungs-)Muster beeinflusst das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich. Mit Geräten, die Ströme von allen Elektroden gleichzeitig einspeisen können (wie ACT3), ist es möglich, optimale Strommuster adaptiv zu bestimmen.

Wenn Bilder in Echtzeit angezeigt werden sollen, ist ein typischer Ansatz die Anwendung einer Form einer regularisierten Inversen einer Linearisierung des Vorwärtsproblems oder einer schnellen Version eines direkten Rekonstruktionsverfahrens wie dem D-Bar-Verfahren. Die meisten praktischen Systeme, die in der medizinischen Umgebung verwendet werden, erzeugen ein "Differenzbild", dh Spannungsunterschiede zwischen zwei Zeitpunkten werden mit dem regulären Inversen linksmultipliziert, um eine ungefähre Differenz zwischen Permittivitäts- und Leitfähigkeitsbildern zu berechnen. Ein anderer Ansatz besteht darin, ein Finite-Elemente- Modell des Körpers zu konstruieren und die Leitfähigkeiten (z. B. mit einer Variante der Levenburg-Marquart-Methode ) an die gemessenen Daten anzupassen . Dies ist schwieriger, da es eine genaue Körperform und die genaue Position der Elektroden erfordert.

Ein Großteil der grundlegenden Arbeiten zur Untermauerung der elektrischen Impedanz wurde ab den 1980er Jahren am Rensselaer Polytechnic Institute durchgeführt. Siehe auch die 1992 veröffentlichte Arbeit des Glenfield Hospital Project (Verweis fehlt).

Absolute EIT-Ansätze zielen auf die digitale Rekonstruktion von statischen Bildern ab, dh zweidimensionale Darstellungen der Anatomie innerhalb des interessierenden Körperteils. Wie oben erwähnt und im Gegensatz zum linearen Röntgen in der Computertomographie verlaufen elektrische Ströme dreidimensional entlang des Weges des geringsten spezifischen Widerstands (Abbildung 1), was zu einem teilweisen Verlust des angelegten elektrischen Stroms führt (Impedanzübertragung, z die Querebene). Dies ist einer der Gründe, warum die Bildrekonstruktion bei absoluter EIT so komplex ist, da es für die Bildrekonstruktion eines auf eine zweidimensionale Ebene projizierten dreidimensionalen Bereichs meist mehr als nur eine Lösung gibt. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass aufgrund der Anzahl der Elektroden und der Messgenauigkeit an jeder Elektrode nur Objekte unterschieden werden können, die größer als eine bestimmte Größe sind. Dies erklärt die Notwendigkeit hochentwickelter mathematischer Algorithmen, die das inverse Problem und seine Fehlstellung angehen.

Weitere Schwierigkeiten bei der absoluten EIT ergeben sich aus inter- und intraindividuellen Unterschieden der Elektrodenleitfähigkeit mit damit verbundenen Bildverzerrungen und Artefakten. Es ist auch wichtig zu bedenken, dass der interessierende Körperteil selten genau rund ist und dass die interindividuelle Anatomie variiert, z. B. die Form des Thorax, die den individuellen Elektrodenabstand beeinflusst. A-priori- Daten, die alters-, größen- und geschlechtstypische Anatomie berücksichtigen, können die Empfindlichkeit gegenüber Artefakten und Bildverzerrungen reduzieren. Eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses, zB durch die Verwendung von aktiven Oberflächenelektroden, reduziert weiter Abbildungsfehler. Einige der neuesten EIT-Systeme mit aktiven Elektroden überwachen die Elektrodenleistung über einen zusätzlichen Kanal und sind in der Lage, unzureichenden Hautkontakt zu kompensieren, indem sie aus den Messungen entfernt werden.

Zeitdifferenz-EIT umgeht die meisten dieser Probleme, indem sie Messungen bei derselben Person zwischen zwei oder mehr physiologischen Zuständen aufzeichnet, die mit linearen Leitfähigkeitsänderungen verbunden sind. Eines der besten Beispiele für diesen Ansatz ist Lungengewebe während der Atmung aufgrund von linearen Leitfähigkeitsänderungen zwischen Inspiration und Exspiration, die durch den unterschiedlichen Gehalt an isolierender Luft während jedes Atemzyklus verursacht werden. Dies ermöglicht die digitale Subtraktion von aufgezeichneten Messungen während des Atemzyklus und führt zu funktionellen Bildern der Lungenventilation. Ein großer Vorteil besteht darin, dass die relativen Leitfähigkeitsänderungen zwischen den Messungen vergleichbar bleiben, selbst wenn eine der Aufzeichnungselektroden weniger leitend ist als die anderen, wodurch die meisten Artefakte und Bildverzerrungen reduziert werden. Die Einbeziehung von a-priori -Datensätzen oder -Netzen in die Differenz-EIT ist jedoch immer noch nützlich, um Bilder auf die wahrscheinlichste Organmorphologie zu projizieren, die von Gewicht, Größe, Geschlecht und anderen individuellen Faktoren abhängt.

Das Open-Source-Projekt EIDORS stellt eine Reihe von Programmen (geschrieben in Matlab / GNU_Octave ) zur Datenrekonstruktion und -anzeige unter der GNU GPL-Lizenz bereit . Die direkte nichtlineare D-Bar-Methode für die nichtlineare EIT-Rekonstruktion ist im Matlab-Code unter [2] verfügbar .

Die Open Innovation EIT Research Initiative zielt darauf ab, die Entwicklung der elektrischen Impedanztomographie (EIT) im Allgemeinen voranzutreiben und letztendlich ihre klinische Einführung zu beschleunigen. Ein Plug-and-Play-EIT-Hardware- und -Softwarepaket ist über Swisstom erhältlich und kann zum Netto-Einstandspreis erworben werden. Die Bildrekonstruktion und Verarbeitung der mit diesem Set erhaltenen Rohdaten kann ohne Einschränkungen durch die von EIDORS bereitgestellten Softwaretools durchgeführt werden.

Eigenschaften

Im Gegensatz zu den meisten anderen tomographischen Bildgebungsverfahren verwendet die EIT keine ionisierende Strahlung. Die bei der EIT typischerweise angewendeten Ströme sind relativ klein und liegen sicherlich unter dem Schwellenwert, bei dem sie eine signifikante Nervenstimulation verursachen würden. Die Frequenz des Wechselstroms ist ausreichend hoch, um keine elektrolytischen Effekte im Körper hervorzurufen, und die abgeleitete Ohmsche Leistung ist ausreichend klein und wird über den Körper verteilt, um vom thermoregulatorischen System des Körpers leicht gehandhabt zu werden. Diese Eigenschaften qualifizieren die EIT für die kontinuierliche Anwendung beim Menschen, zB während der maschinellen Beatmung auf einer Intensivstation (ICU). Da die zur Durchführung der EIT benötigte Ausrüstung viel kleiner und kostengünstiger ist als bei der herkömmlichen Tomographie, eignet sich die EIT für die kontinuierliche Echtzeit-Visualisierung der Lungenbeatmung direkt am Krankenbett. Der Hauptnachteil der EIT gegenüber der konventionellen Tomographie ist die geringere maximale räumliche Auflösung (ca. 15 % des Durchmessers der Elektrodenanordnung bei der EIT im Vergleich zu 1 mm bei CT und MRT). Die Auflösung kann jedoch durch Verwendung von 32 anstelle von 16 Elektroden verbessert werden. Die Bildqualität kann durch den Aufbau eines EIT-Systems mit aktiven Oberflächenelektroden weiter verbessert werden, die Signalverluste, Artefakte und Störungen im Zusammenhang mit Kabeln sowie Kabellänge und Handhabung deutlich reduzieren. Im Gegensatz zur räumlichen Auflösung ist die zeitliche Auflösung der EIT (0,1 Millisekunden) viel höher als bei der CT oder MRT (0,1 Sekunden).

Anwendungen

Lunge (a-EIT, td-EIT)

EIT ist besonders nützlich für die Überwachung der Lungenfunktion, da der spezifische Widerstand des Lungengewebes fünfmal höher ist als der der meisten anderen Weichgewebe im Thorax. Dies führt zu einem hohen absoluten Kontrast der Lunge. Darüber hinaus steigt und fällt der Lungenwiderstand zwischen Inspiration und Exspiration um ein Vielfaches, was erklärt, warum die Überwachung der Beatmung derzeit die vielversprechendste klinische Anwendung der EIT ist, da mechanische Beatmung häufig zu beatmungsassoziierten Lungenschäden (VALI) führt. Die Machbarkeit der EIT für die Lungenbildgebung wurde erstmals 1990 am Rensselaer Polytechnic Institute mit dem NOSER-Algorithmus demonstriert. Zeitdifferenz-EIT kann die Veränderungen in der Verteilung des Lungenvolumens zwischen abhängigen und nicht abhängigen Lungenregionen auflösen und die Anpassung der Beatmungseinstellungen unterstützen, um Patienten während einer kritischen Erkrankung oder Anästhesie lungenschützende Beatmung bereitzustellen.

Die meisten EIT-Studien haben sich auf die Überwachung der regionalen Lungenfunktion unter Verwendung der Informationen konzentriert, die durch die Zeitdifferenz-EIT (td-EIT) bestimmt werden. Die absolute EIT (a-EIT) hat jedoch auch das Potenzial, ein klinisch nützliches Werkzeug für die Lungenbildgebung zu werden, da dieser Ansatz es ermöglichen würde, direkt zwischen Lungenerkrankungen zu unterscheiden, die aus Regionen mit niedrigerem Widerstand resultieren (z. B. Hämothorax, Pleuraerguss, Atelektase, Lungenödem) und solche mit höherem Widerstand (zB Pneumothorax, Emphysem).

Klebeelektroden auf der Brust eines 10 Tage alten Babys
EIT-Rekonstruktion (links) und Impedanzänderung über sechs Atemzüge, ab. Daten verfügbar auf

Das obige Bild zeigt eine EIT-Studie eines 10 Tage alten Babys, das normal atmet, mit 16 auf der Brust angebrachten Klebeelektroden.

Die Bildrekonstruktion aus absoluten Impedanzmessungen erfordert die Berücksichtigung der genauen Abmessungen und Form eines Körpers sowie der genauen Elektrodenposition, da vereinfachte Annahmen zu großen Rekonstruktionsartefakten führen würden. Obwohl erste Studien zu Aspekten der absoluten EIT veröffentlicht wurden, hat dieser Forschungsbereich noch nicht den Reifegrad erreicht, der für den klinischen Einsatz geeignet wäre.

Im Gegensatz dazu bestimmt die Zeitdifferenz-EIT relative Impedanzänderungen, die entweder durch die Beatmung oder durch Änderungen des endexspiratorischen Lungenvolumens verursacht werden können. Diese relativen Veränderungen werden auf ein Grundlinienniveau bezogen, das typischerweise durch die intrathorakale Impedanzverteilung am Ende der Exspiration definiert wird. Zeitdifferenz-EIT-Bilder können kontinuierlich und direkt am Krankenbett erzeugt werden. Diese Eigenschaften machen ein regionales Lungenfunktionsmonitoring besonders dann sinnvoll, wenn eine Verbesserung der Oxygenierung oder CO 2 -Elimination erforderlich ist und wenn durch Therapieänderungen eine homogenere Gasverteilung bei beatmeten Patienten erreicht werden soll. Die EIT-Lungenbildgebung kann die Veränderungen in der regionalen Verteilung der Lungenvolumina zwischen zB abhängigen und nicht abhängigen Lungenregionen auflösen, wenn die Beatmungsparameter geändert werden. Somit können EIT-Messungen verwendet werden, um spezifische Beatmungseinstellungen zu führen, um die lungenschützende Beatmung für jeden Patienten aufrechtzuerhalten.

Neben der Anwendbarkeit der EIT auf der Intensivstation zeigen erste Studien mit spontan atmenden Patienten weitere vielversprechende Anwendungen. Die hohe zeitliche Auflösung der EIT ermöglicht die regionale Bewertung üblicher dynamischer Parameter, die bei Lungenfunktionstests verwendet werden (zB forciertes Exspirationsvolumen in 1 Sekunde). Darüber hinaus können speziell entwickelte Bildfusionsmethoden verwendet werden, die funktionelle EIT-Daten mit morphologischen Patientendaten (z. B. CT- oder MRT- Bildern) überlagern , um einen umfassenden Einblick in die Pathophysiologie der Lunge zu erhalten, der für Patienten mit obstruktiven Lungenerkrankungen hilfreich sein könnte ( zB COPD , CF ).

Nach vielen Jahren der Lungen-EIT-Forschung mit provisorischen EIT-Geräten oder in Kleinstserien gefertigten Serienmodellen sind seit kurzem zwei kommerzielle Systeme für Lungen-EIT in der Medizintechnik auf den Markt gekommen: das PulmoVista® 500 von Dräger und das Swisstom BB 2 der Swisstom AG . Beide Modelle werden derzeit auf Intensivstationen installiert und dienen bereits als Entscheidungshilfe für die Behandlung von Patienten mit akutem Atemnotsyndrom (ARDS).

Die zunehmende Verfügbarkeit kommerzieller EIT-Systeme auf Intensivstationen wird zeigen, ob die vielversprechenden Erkenntnisse aus Tiermodellen auch auf den Menschen übertragbar sind (EIT-gesteuerte Lungenrekrutierung, Auswahl optimaler PEEP-Werte, Pneumothorax-Erkennung, Prävention beatmungsassoziierter Lungenschäden ( VALI) usw.). Dies wäre sehr wünschenswert, da neuere Studien darauf hindeuten, dass 15 % der beatmeten Patienten auf der Intensivstation eine akute Lungenverletzung (ALI) mit begleitendem progressivem Lungenkollaps entwickeln, die mit einer angeblich hohen Mortalität von 39 % verbunden ist. Erst kürzlich konnte der erste prospektive Tierversuch zur EIT-gesteuerten mechanischen Beatmung und zum Ergebnis signifikante Vorteile in Bezug auf Atemmechanik, Gasaustausch und histologische Anzeichen einer beatmungsassoziierten Lungenschädigung zeigen.

Neben visuellen Informationen (z. B. regionale Verteilung des Tidalvolumens) liefern EIT-Messungen Rohdatensätze, die zur Berechnung weiterer hilfreicher Informationen (z Validierung.

Ein weiterer interessanter Aspekt der thorakalen EIT ist ihre Fähigkeit, pulsierende Perfusionssignale aufzuzeichnen und zu filtern. Obwohl zu diesem Thema vielversprechende Studien veröffentlicht wurden, steht diese Technologie noch am Anfang. Ein Durchbruch würde die gleichzeitige Visualisierung des regionalen Blutflusses und der regionalen Ventilation ermöglichen – so dass Kliniker physiologische Shunts lokalisieren und darauf reagieren können, die durch regionale Fehlanpassungen von Lungenventilation und Perfusion mit assoziierter Hypoxämie verursacht werden.

Brust (MF-EIT)

Die EIT wird im Bereich der Brustbildgebung als alternative/komplementäre Technik zur Mammografie und Magnetresonanztomografie (MRT) zur Brustkrebserkennung untersucht. Die geringe Spezifität der Mammographie und der MRT führt zu einer relativ hohen Rate falsch positiver Screenings, mit hoher Belastung für die Patienten und Kosten für die Gesundheitseinrichtungen. Die Entwicklung alternativer bildgebender Verfahren für diese Indikation wäre aufgrund der Unzulänglichkeiten der bestehenden Methoden wünschenswert: ionisierende Strahlung in der Mammographie und das Risiko einer nephrogenen systemischen Fibrose (NSF) bei Patientinnen mit eingeschränkter Nierenfunktion durch Gabe des bei der Mamma-MRT verwendeten Kontrastmittels , Gadolinium .

Die Literatur zeigt, dass sich die elektrischen Eigenschaften zwischen normalem und bösartigem Brustgewebe unterscheiden, wodurch die Voraussetzungen für die Krebserkennung durch die Bestimmung der elektrischen Eigenschaften geschaffen werden.

Eine frühe kommerzielle Entwicklung der nicht-tomographischen elektrischen Impedanzbildgebung war das T-Scan-Gerät, von dem berichtet wurde, dass es die Sensitivität und Spezifität verbessert, wenn es als Ergänzung zum Mammographie-Screening verwendet wird. Ein Bericht an die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) beschreibt eine Studie mit 504 Probanden, bei der die Sensitivität der Mammographie 82 % betrug, 62 % für den T-Scan allein und 88 % für beide zusammen. Die Spezifität betrug 39 % für die Mammographie, 47 % für den T-Scan allein und 51 % für die beiden kombinierten.

Mehrere Forschungsgruppen auf der ganzen Welt entwickeln die Technik aktiv weiter. Ein Frequenz-Sweep scheint eine effektive Methode zur Erkennung von Brustkrebs mit EIT zu sein.

Das US-Patent US 8,200,309 B2 kombiniert eine elektrische Impedanzabtastung mit einer Magnetresonanz-Niederfrequenzstromdichte-Bildgebung in einer klinisch akzeptablen Konfiguration, die keine Gadoliniumchelatverstärkung bei der Magnetresonanzmammographie erfordert.

Gebärmutterhals (MF-EIT)

Neben seiner Vorreiterrolle bei der Entwicklung der ersten EIT-Systeme in Sheffield ist Professor Brian H. Brown derzeit in der Forschung und Entwicklung eines elektrischen Impedanzspektroskops auf Basis von MF-EIT tätig. Laut einer von Brown im Jahr 2000 veröffentlichten Studie kann die MF-EIT die [zervikale intraepitheliale Neoplasie] (CIN) Grad 2 und 3 nach Pap-Abstrich mit einer Sensitivität und Spezifität von jeweils 92% vorhersagen . Ob die zervikale MF-EIT als Ergänzung oder Alternative zum Pap-Abstrich eingeführt wird, ist noch nicht entschieden. Brown ist akademischer Gründer von Zilico Limited, der das Spektroskop (ZedScan I) vertreibt. Das Gerät erhielt 2013 die EG-Zertifizierung von seiner Benannten Stelle und wird derzeit in einer Reihe von Kliniken in Großbritannien und Gesundheitssystemen auf der ganzen Welt eingeführt.

Gehirn (a-EIT, td-EIT, mf-EIT)

EIT wurde als Grundlage für die Bildgebung des Gehirns vorgeschlagen , um die Erkennung und Überwachung von zerebraler Ischämie , Blutung und anderen morphologischen Pathologien zu ermöglichen, die mit Impedanzänderungen aufgrund von neuronalen Zellschwellungen, dh zerebraler Hypoxämie und Hypoglykämie, verbunden sind .

Während die maximale räumliche Auflösung der EIT von ca. 15 % des Elektroden-Array-Durchmessers deutlich niedriger ist als die der zerebralen CT oder MRT (etwa ein Millimeter), ist die zeitliche Auflösung der EIT viel höher als bei der CT oder MRT (0,1 Millisekunden im Vergleich zu 0,1 Sekunden). . Dies macht die EIT auch interessant für die Überwachung der normalen Gehirnfunktion und neuronalen Aktivität auf Intensivstationen oder im präoperativen Setting zur Lokalisierung epileptischer Herde durch telemetrische Aufzeichnungen.

Holder konnte 1992 zeigen, dass Veränderungen der intrazerebralen Impedanz nichtinvasiv durch den Schädel durch Oberflächenelektrodenmessungen erfasst werden können. Tiermodelle von experimentellen Schlaganfällen oder Krampfanfällen zeigten Impedanzerhöhungen von bis zu 100 % bzw. 10 %. Neuere EIT-Systeme bieten die Möglichkeit, Wechselströme von nicht benachbarten Antriebselektroden anzulegen. Bisher hat die zerebrale EIT noch nicht den Reifegrad erreicht, um in die klinische Routine übernommen zu werden, dennoch werden derzeit klinische Studien zu Schlaganfall und Epilepsie durchgeführt.

Bei dieser Verwendung hängt die EIT von der Anwendung niederfrequenter Ströme über dem Schädel ab, die um <100 Hz liegen, da diese Ströme während der neuronalen Ruhe bei dieser Frequenz im extrazellulären Raum verbleiben und daher nicht in den intrazellulären Raum innerhalb der Neuronen eintreten können. Wenn ein Neuron jedoch ein Aktionspotential erzeugt oder kurz davor steht, depolarisiert zu werden , wird der Widerstand seiner Membran, die dies verhindert, um das Achtzigfache reduziert. Wenn dies in einer größeren Anzahl von Neuronen geschieht, ergeben sich Widerstandsänderungen von etwa 0,06–1,7 %. Diese Änderungen des spezifischen Widerstands bieten ein Mittel zum Nachweis kohärenter neuronaler Aktivität über eine größere Anzahl von Neuronen hinweg und somit die tomographische Abbildung der neuronalen Gehirnaktivität.

Leider sind solche Veränderungen zwar nachweisbar, aber "sie sind einfach zu klein, um eine zuverlässige Produktion von Bildern zu unterstützen". Die Aussichten, diese Technik für diese Indikation zu verwenden, hängen von einer verbesserten Signalverarbeitung oder -aufzeichnung ab.

In einer Studie vom Juni 2011 wurde berichtet, dass die funktionelle elektrische Impedanztomographie von Evoke Response (fEITER) verwendet wurde, um Veränderungen der Gehirnaktivität nach Injektion eines Anästhetikums abzubilden. Einer der Vorteile der Technik besteht darin, dass die erforderliche Ausrüstung klein genug und leicht zu transportieren ist, um sie zur Überwachung der Anästhesietiefe in Operationssälen verwenden zu können.

Durchblutung (td-EIT)

Aufgrund seiner relativ hohen Leitfähigkeit kann Blut zur funktionellen Darstellung der Perfusion in Geweben und Organen mit geringerer Leitfähigkeit verwendet werden, zB zur Visualisierung der regionalen Lungenperfusion. Hintergrund dieses Ansatzes ist, dass sich die pulsierende Gewebeimpedanz entsprechend den Unterschieden in der Füllung von Blutgefäßen zwischen Systole und Diastole ändert, insbesondere wenn Kochsalzlösung als Kontrastmittel injiziert wird.

Sportmedizin / häusliche Pflege (a-EIT, td-EIT)

Elektrische Impedanzmessungen können auch verwendet werden, um abstrakte Parameter, dh nicht-visuelle Informationen, zu berechnen. Jüngste Fortschritte in der EIT-Technologie sowie die geringere Anzahl von Elektroden, die zur Erfassung globaler statt regionaler Parameter bei Gesunden erforderlich sind, können zur nicht-invasiven Bestimmung von zB VO 2 oder arteriellem Blutdruck in der Sportmedizin oder in der häuslichen Pflege genutzt werden.

Kommerzielle Systeme

a-EIT und td-EIT

Obwohl medizinische EIT-Systeme bis vor kurzem noch nicht weit verbreitet waren, bieten mehrere Hersteller medizinischer Geräte kommerzielle Versionen von Lungenbildgebungssystemen an, die von universitären Forschungsgruppen entwickelt wurden. Das erste derartige System wird von Maltron International hergestellt, die das Sheffield Mark 3.5- System mit 16 Elektroden vertreibt . Ähnliche Systeme sind das von der Universität Göttingen entwickelte und über CareFusion vertriebene Goe MF II-System (16 Elektroden) sowie das Enlight 1800, das an der Medizinischen Fakultät der Universität São Paulo und dem Polytechnischen Institut der Universität São Paulo entwickelt wurde , Brasilien, das von Timpel SA vertrieben wird (32 Elektroden). Diese Systeme entsprechen in der Regel der medizinischen Sicherheitsgesetzgebung und wurden hauptsächlich von klinischen Forschungsgruppen in Krankenhäusern eingesetzt, die meisten davon in der Intensivpflege .

Mit dem PulmoVista® 500 (16-Elektroden-System) hat Dräger Medical 2011 das erste EIT-Gerät zur Lungenfunktionsüberwachung für den klinischen Alltag im Intensivbereich auf den Markt gebracht . Ein weiteres kommerzielles EIT-System zur Überwachung der Lungenfunktion auf der Intensivstation basiert auf 32 aktiven Elektroden und wurde erstmals 2013 auf dem jährlichen ESICM- Kongress vorgestellt – das Swisstom BB 2 . In der Zwischenzeit Swisstom AG ‚s Swisstom des BB 2 hat auf dem Markt 2014 International Symposium on Intensive Care and Emergency Medicine (veröffentlicht ISICEM ) und wird in Westeuropa durch eine Partnerschaft zwischen Swisstom und verteilt werden Maquet .

MF-EIT

Multifrequenz-EIT (MF-EIT) oder elektrische Impedanzspektroskopie (EIS) Systeme sind typischerweise dafür ausgelegt, abnormales Gewebe, zB präkanzeröse Läsionen oder Krebs, zu erkennen oder zu lokalisieren. Impedance Medical Technologies stellt Systeme nach Entwürfen des Forschungsinstituts für Radiotechnik und Elektronik der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau her, die speziell auf die Brustkrebserkennung ausgerichtet sind. Mirabel Medical Systems, Inc. mit Sitz in Texas entwickelt eine ähnliche Lösung zur nicht-invasiven Erkennung von Brustkrebs und bietet den T-Scan 2000ED an . Zilico Limited vertreibt ein elektrisches Impedanzspektroskop namens ZedScan I als Medizinprodukt, das die Lokalisation/Diagnose von zervikalen intraepithelialen Neoplasien unterstützen soll. Das Gerät hat erst 2013 die EG-Zertifizierung erhalten .

V5R

Der v5r ist ein Hochleistungsgerät, das auf einer Spannungs-Spannungs-Messtechnik basiert und entwickelt wurde, um die Prozesskontrolle zu verbessern. Die hohe Bildrate des v5r (über 650 Bilder pro Sekunde) ermöglicht es, sich schnell entwickelnde Prozesse oder dynamische Flussbedingungen zu überwachen. Mit den bereitgestellten Daten lässt sich das Strömungsprofil komplexer Mehrphasenprozesse bestimmen; So können Ingenieure zwischen Laminar-, Pfropfen- und anderen wichtigen Strömungsbedingungen unterscheiden, um ein tieferes Verständnis und eine verbesserte Prozesskontrolle zu ermöglichen.

Beim Einsatz für Konzentrationsmessungen bedeutet die Möglichkeit, die volle Impedanz über einen weiten Bereich von Phasenverhältnissen zu messen, dass der v5r im Vergleich zu anderen Geräten eine beträchtliche Genauigkeit über einen breiteren Leitfähigkeitsbereich liefert.

Siehe auch

Verweise