IMÁGENES MÉDICAS: ADQUISICIÓN, INSTRUMENTACIÓN Y GESTIÓN asignatura del IIE (Núcleo de Ingeniería Biomédica) Tomografía por Impedancia Eléctrica EIT - 17 de junio 2010

TOMOGRAFÍA POR IMPEDANCIA ELÉCTRICA EIT (Electrical Impedance Tomography) Trabajos de Raul Hartman, Jorge Lobo, Santiago González, Andrés Liguori, Adriana Ferreira, Alfredo Rodríguez, Fernando Nieto (+), Mateo Ruétalo, Franco Simini, Walter Quinteros, Walter Olivera, Eduardo Santos, etc.

El tejido vivo puede ser recorrido por corrientes eléctricas La corriente puede entrar a las células (C de membrana) o fluir alrededor de ellas

En bajas frecuencias la corriente fluye alrededor de las células (membranas como aislantes) En altas frecuencias la capacitancia de las membranas permite que la corriente ingrese a las células incrementando el volumen por el cual circula corriente y reduciendo la impedancia.

Modelo de la impedancia de los tejidos biológicos como resistencias y capacitores Ri. resistencia del espacio intracelular mientras Rm y Cm resistencia y capacitancia de la membrana. En bajas frecuencias domina Ri + Rm dado que Cm presenta una alta impedancia. PHILIPPSON, M. Les lois de la resistance electrique des tissues vivants. Bull. (St.)Acad. roy. belgique (5) 7:389 (1921),

Impedancia del tejido vivo

Usos de la diferencia de impedancia El mismo tejido puede variar su impedancia al enfermar Grant, 1923: a 1KHz un tumor cerebral tiene resistividad = 1/2 tejido normal) Hossman, 1971): la resistividad cerebral se incrementa hasta en un 100 % durante un golpe Harreveld, 1962): aumenta hasta un 20 % durante un ataque de epilepsia (No hay muchas aplicaciones)

Usos de la diferencia de impedancia Distinguir sustancias diferentes: por ejemplo Pulmón con aire 7 a 24 ohm metro Sangre 1.5 ohm metro Plasma 0.66 ohm metro UN ORDEN DE MAGNITUD DE DIFERENCIA

Objetivo de EIT Determinar la distribución de conductividad interna en una región definida partiendo de las medidas realizadas sobre su superficie. Las medidas son los voltajes resultantes de la inyección de corrientes conocidas en la región (o las medidas de corrientes generadas a partir de la aplicación de voltajes sobre la superficie).

Sería posible obtener imágenes anatómicas EIT, dado que cada tipo de tejido tiene su resistividad, pero DE BAJA DEFINICION Se pueden comparar imágenes de EIT a lo largo del tiempo o antes y después de una lesión o de un tratamiento Se puede estimar el porcentaje de tejidos diferentes en un miembro (grasa, agua, etc.)

3D EIT La mayoría de los algoritmos de reconstrucción en 2D asumen que la corriente eléctrica es confinada al plano que contiene a los electrodos. En la realidad, si se analiza el problema en 3D el flujo de corriente se dispersa en todas las direcciones lo que contribuye a la distorsión de la reconstrucción.

Métodos de reconstrucción Técnicas iterativas Utilizan operaciones repetitivas que en cada paso mejoran la imagen. Técnicas de un solo paso Reconstrucción basada en la linearización del problema inverso obteniendo una solución que corresponde a la variación de conductividades respecto a una distribución de referencia, con menos cálculos on line.

Métodos de reconstrucción Newton Raphson – Iterativo Matriz de sensibilidad – Un paso Backprojection – Un paso

Principio de funcionamiento Electrodos cutáneos (16 , 32, etc.) Inyección de corriente conocida (50 KHz, 5 mA) Determinación de V en todos los demás electrodos. Obtención de la matriz de impedancias Reconstrucción de imagen (“problema inverso”) Presentación de la imagen y de secuencias

ESQUEMA GENERAL: SISTEMA DE EIT

Esquema de funcionamiento V15 V14 V13 V12 V11 V10 V9 V8 V7 V6 V5 V4 V16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 I 3 V15 V14 V13 V12 V11 V8 V7 V6 V5 V16 V1 V10 V9 V15 V14 V13 V12 V11 V10 V9 V8 V7 V6 V5 V4 V3 I 1 V10 V14 V13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 I 4 V15 V12 V11 V8 V7 V6 V2 V16 V1 14 15 13 16 12 1 11 2 10 3 9 4 8 5 7 6

IMPETOM Sistema de adquisición de datos para tomografía por impedancia eléctrica (Sistema EIT)

IMPETOM especificaciones

Amplitud inocua (5mA@50kHz) Corriente de valor constante No inyecta continua Voltajes de modo común pequeños Imágenes dinámicas Medida tetrapolar Corrientes constantes Monofrecuencia Canales de medida paralelos 16 electrodos

IMPETOM circuito de inyección de corriente

SISTEMA DE INYECCIÓN DE CORRIENTE Solución integrada: AD844

Secuencia de estimulación y medidas

14 15 13 I 16 12 1 11 2 10 3 9 4 8 5 7 6 I Fuente de corriente MUX MUX 01 02 03 04 14 05 15 13 Fuente de corriente I 06 07 16 12 MUX 08 09 1 11 10 11 12 2 10 13 14 15 3 9 16 4 8 01 5 7 02 6 03 04 05 I 06 07 MUX 08 09 10 11 12 13 14 15 16

IMPETOM Sistema de medida de voltajes

CARACTERÍSTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDAS Sinusoides de 50kHz Desfasadas de la corriente Amplitud “modulada” por Zcuerpo Voltaje: 100V a 20mV aprox. Impedancia corporal (10 a 100kHz) mayoritariamente real

ESQUEMA GENERAL DE UN CANAL DE MEDIDA

DETERMINACION DE PARTES REAL E IMAGINARIA EN BASE A CORRIENTE INYECTADA Y TENSIÓN MEDIDA Si corriente inyectada, V(t) voltaje medido, vo dc salida del demodulador

INTEGRACION DE impetom-c e impetom-i PACIENTE AISLACIÓN CONTROL Y A/D INTERFACE USUARIO IMPETOM I

Adquisición de señales de IMPETOM ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES AISLACIÓN DE SEÑALES TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS NATIONAL INSTRUMENTS LPN16 pnp ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE VOLTAJES (ANALÓGICA) ACONDICIONAMIENTO DE DATOS ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES GENERACIÓN DE SEÑALES DE CONTROL (DIGITAL) AISLACIÓN DE SEÑALES

IMPETOM-C

Detalle de placa de aislación

Impetom C y Placa de aislación

IMPETOM Programa e interfaz gráfica (GUI) CONTROL COMPLETO SOBRE EL EQUIPO AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO FACILIDAD DE USO INTUITIVO VERSATIL DISEÑO MODULAR INTERFASE DE MANTENIMIENTO

RESULTADOS

RECONSTRUCCIÓN EN FANTOMA ORIGINAL

RECONSTRUCCIÓN EN FANTOMA ORIGINAL

RECONSTRUCCIÓN EN FANTOMA II

RECONSTRUCCIÓN EN FANTOMA II

RECONSTRUCCIÓN EN FANTOMA II

Posible imagen de reconstrucción EIT Pulmones der e izq con contenido aire/liq diferente Fuente de la imagen incierta, 2002

IMPETOM 1994 – 1996 IMPEMAT Medidor de impedancia corporal  Cecilia Frugoni Ramiro Escuder, Lauro Artia Dr. Fernando Nieto, FS 1997 Necesidad de obtener imágenes de edema 2000-2002 IMPETOM-I  Reconstrucción tomográfica de imágenes de impedanciometría del tórax Raúl Hartman, Jorge Lobo, Mateo Ruétalo, Dr. Walter Olivera, FS. 2000 – 2004 IMPETOM-C Obtención de matriz de impedancias del tórax Adriana Ferreira, Alfredo Rodríguez, Ing. P. Mazzara, Dr. F. Nieto, FS. 2003 – 2005 IMPETOM Tomógrafo por impedancias Santiago González y Andrés Liguori, Dr. Javier Hurtado, FS. 2005 – 2007 IMPETOM 48 Tomógrafo por impedancias de 48 electrodos   Walter Quinteros,  Dr. Javier Hurtado, FS 2009 – 2010 IMPETOM (tesis) Ing. Eduardo Santos

Oferta comercial 2009 Maltron International Sheffield Mark 3.5. Dräger Medical (anestesia) Viasys Health Care, (respiratorio) Goe MF II (University of Goettingen). Sim-Tecknika (Academia de Ciencias Rusa) Lista Wikipedia 2009

SUGERENCIAS DE TRABAJO FUTURO RECONSTRUCCIÓN EN TIEMPO REAL IMPLEMENTACIÓN DE IMPETOM-I EN UN DSP DESARROLLO DE UNA PLACA DE ADQUISICIÓN UNICA (p.ej.USB) PREVISIÓN PARA 3D EIT

Comparacion de imágenes

Fuente UCLA, www.mips.stanford.edu/ Placa de rayos X Fuente UCLA, www.mips.stanford.edu/

Fuente UCLA, www.mips.stanford.edu/ Tomografía computada Fuente UCLA, www.mips.stanford.edu/

Fuente UCLA, www.mips.stanford.edu/ Resonancia magnética Fuente UCLA, www.mips.stanford.edu/

Estudio de Medicina Nuclear - riñón Evolución de radioactividad en una Región de Interés (ROI) seleccionada por el operador en las imágenes Fuente UCLA, www.mips.stanford.edu/

Fuente UCLA, www.mips.stanford.edu/ Imagen PET con 18F Fuente UCLA, www.mips.stanford.edu/

Fuentes: www.kentmedicalimaging.co.uk www.radiologyinfo.org Ecografía obstétrica Fuentes: www.kentmedicalimaging.co.uk www.radiologyinfo.org

Tomografía de impedancia eléctrica

www.nib.fmed.edu.uy