La tomografía de impedancia eléctrica ( TIE ) es un tipo de imagen médica no invasiva en la que la conductividad eléctrica , la permitividad y la impedancia de una parte del cuerpo se infieren a partir de mediciones de electrodos de superficie y se utilizan para formar una tomografía.imagen de esa parte. La conductividad eléctrica varía considerablemente entre varios tejidos biológicos (TIE absoluta) o el movimiento de fluidos y gases dentro de los tejidos (TIE diferencia). La mayoría de los sistemas de EIT aplican pequeñas corrientes alternas a una sola frecuencia, sin embargo, algunos sistemas de EIT utilizan múltiples frecuencias para diferenciar mejor entre tejido normal y presunto anormal dentro del mismo órgano (EIT multifrecuencia o espectroscopia de impedancia eléctrica).
Tomografía de impedancia eléctrica | |
---|---|
Propósito | Las mediciones se utilizan para formar una imagen tomográfica de una parte del cuerpo humano. |
Normalmente, los electrodos de superficie conductora se adhieren a la piel alrededor de la parte del cuerpo que se examina. Se aplicarán pequeñas corrientes alternas a algunos o todos los electrodos, registrándose los equivalentes de potencial resultantes de los otros electrodos (figuras 1 y 2). Este proceso se repetirá luego para numerosas configuraciones de electrodos diferentes y finalmente dará como resultado un tomograma bidimensional de acuerdo con los algoritmos de reconstrucción de imágenes incorporados. [2] [3]
Dado que el contenido de iones libres determina la conductividad de los tejidos y los fluidos, los músculos y la sangre conducirán las corrientes aplicadas mejor que la grasa, los huesos o el tejido pulmonar. [2] Esta propiedad se puede utilizar para reconstruir imágenes estáticas mediante EIT morfológica o absoluta (a-EIT). [4] Sin embargo, a diferencia de los rayos X lineales utilizados en la tomografía computarizada, las corrientes eléctricas viajan en tres dimensiones a lo largo del camino de menor resistividad. Esto significa que una parte de la corriente eléctrica abandona el plano transversal y da como resultado una transferencia de impedancia. Este y otros factores son la razón por la que la reconstrucción de imágenes en EIT absoluta es tan difícil, ya que generalmente hay más de una solución para la reconstrucción de imágenes de un área tridimensional proyectada sobre un plano bidimensional.
Matemáticamente, el problema de recuperar la conductividad a partir de mediciones superficiales de corriente y potencial es un problema inverso no lineal y está muy mal planteado . La formulación matemática del problema se debe a Alberto Calderón , [5] y en la literatura matemática de problemas inversos se suele denominar "problema inverso de Calderón" o "problema de Calderón". Existe una extensa investigación matemática sobre el problema de la unicidad de la solución y los algoritmos numéricos para este problema. [6]
En comparación con las conductividades tisulares de la mayoría de los demás tejidos blandos del tórax humano, la conductividad del tejido pulmonar es aproximadamente cinco veces menor, lo que da como resultado un alto contraste absoluto. Esta característica puede explicar parcialmente la cantidad de investigación realizada en imágenes de pulmón con EIT. [2] Además, la conductividad pulmonar fluctúa intensamente durante el ciclo respiratorio, lo que explica el inmenso interés de la comunidad investigadora en utilizar la TIE como método de cabecera para visualizar la falta de homogeneidad de la ventilación pulmonar en pacientes ventilados mecánicamente. [4] Las mediciones de EIT entre dos o más estados fisiológicos, por ejemplo, entre la inspiración y la espiración, se denominan, por tanto, EIT de diferencia de tiempo (td-EIT).
La diferencia de tiempo EIT (td-EIT) tiene una gran ventaja sobre la EIT absoluta (a-EIT): las inexactitudes resultantes de la anatomía interindividual, el contacto insuficiente de los electrodos de superficie con la piel o la transferencia de impedancia pueden descartarse porque la mayoría de los artefactos se eliminarán por sí mismos debido a la simple sustracción de la imagen. en f-EIT. Probablemente esta sea la razón por la que, a día de hoy, el mayor avance de la investigación de EIT se ha logrado con diferencia de EIT. [2] [4] [7]
Otras aplicaciones de EIT propuestas incluyen detección / localización de cáncer en piel , mama o cuello uterino , localización de focos epilépticos , [8] formación de imágenes de la actividad cerebral. [9] así como una herramienta de diagnóstico para el vaciamiento gástrico alterado. [2] [8] [10] Los intentos de detectar o localizar la patología tisular dentro del tejido normal generalmente se basan en la EIT multifrecuencia (MF-EIT), también denominada espectroscopia de impedancia eléctrica (EIS) y se basan en diferencias en los patrones de conductancia a frecuencias variables.
La invención de la EIT como técnica de imágenes médicas generalmente se atribuye a John G. Webster y una publicación en 1978, [11] aunque la primera realización práctica de un sistema de EIT médico se detalló en 1984 debido al trabajo de David C. Barber y Brian H. Brown . [12] Juntos, Brown y Barber publicaron el primer Tomograma de impedancia eléctrica en 1983, visualizando la sección transversal de un antebrazo humano por TIE absoluta. [13] Aunque ha habido un progreso sustancial mientras tanto, la mayoría de las aplicaciones de a-EIT todavía se consideran experimentales. [8] Sin embargo, recientemente se han introducido dos dispositivos f-EIT comerciales para monitorear la función pulmonar en pacientes de cuidados intensivos.
Una técnica similar a la EIT se utiliza en geofísica y monitoreo de procesos industriales: tomografía de resistividad eléctrica . De manera análoga a la EIT, los electrodos de superficie se colocan en la tierra, dentro de los pozos de perforación o dentro de un recipiente o tubería para localizar anomalías de resistividad o monitorear mezclas de fluidos conductores. [14] Las técnicas de configuración y reconstrucción son comparables a la EIT. En geofísica, la idea data de la década de 1930.
También se ha propuesto la tomografía de resistividad eléctrica para mapear las propiedades eléctricas de sustratos [15] y películas delgadas [16] para aplicaciones electrónicas.
Teoría
Como se mencionó anteriormente, la conductividad eléctrica y la permitividad varían entre los tipos de tejidos biológicos y dependen de su contenido de iones libres. [2] [3] [8] Otros factores que afectan la conductividad incluyen la temperatura y otros factores fisiológicos, por ejemplo, el ciclo respiratorio entre la inspiración y la espiración cuando el tejido pulmonar se vuelve más conductor debido al menor contenido de aire aislante dentro de sus alvéolos.
Después de colocar los electrodos de superficie a través de electrodos adhesivos, un cinturón de electrodos o un chaleco de electrodos conductores alrededor de la parte del cuerpo de interés, se aplicarán corrientes alternas de unos pocos miliamperios a una frecuencia de 10 a 100 kHz a través de dos o más electrodos impulsores. Los electrodos restantes se utilizarán para medir el voltaje resultante. A continuación, el procedimiento se repetirá para numerosos "patrones de estimulación", por ejemplo, pares sucesivos de electrodos adyacentes hasta que se haya completado un círculo completo y la reconstrucción de la imagen pueda realizarse y visualizarse en una estación de trabajo digital que incorpora algoritmos matemáticos complejos y datos a priori . [2] [3] [4] [17] [18] [19]
La corriente en sí se aplica utilizando fuentes de corriente , ya sea una sola fuente de corriente conmutada entre electrodos mediante un multiplexor o un sistema de convertidores de voltaje a corriente , uno para cada electrodo, cada uno controlado por un convertidor de digital a analógico . Las mediciones nuevamente se pueden tomar mediante un circuito de medición de voltaje único multiplexado sobre los electrodos o un circuito separado para cada electrodo. Los sistemas EIT anteriores todavía usaban un circuito de demodulación analógico para convertir el voltaje alterno a un nivel de corriente continua antes de ejecutarlo a través de un convertidor de analógico a digital . Los sistemas más nuevos convierten la señal alterna directamente antes de realizar la demodulación digital. Dependiendo de la indicación, algunos sistemas EIT son capaces de trabajar en múltiples frecuencias y medir tanto la magnitud como la fase del voltaje. Los voltajes medidos se transmiten a una computadora para realizar la reconstrucción y visualización de imágenes. La elección de patrones de corriente (o voltaje) afecta significativamente la relación señal / ruido. Con dispositivos capaces de alimentar corrientes de todos los electrodos simultáneamente (como ACT3 [20] ) es posible determinar de forma adaptativa patrones de corriente óptimos. [21]
Si las imágenes se van a mostrar en tiempo real, un enfoque típico es la aplicación de alguna forma de inversa regularizada de una linealización del problema de avance [22] o una versión rápida de un método de reconstrucción directa como el método D-bar. [23] La mayoría de los sistemas prácticos utilizados en el entorno médico generan una "imagen de diferencia", es decir, las diferencias de voltaje entre dos puntos de tiempo se multiplican a la izquierda por el inverso regularizado para calcular una diferencia aproximada entre las imágenes de permitividad y conductividad. Otro enfoque es construir un modelo de elementos finitos del cuerpo y ajustar las conductividades (por ejemplo, usando una variante del método de Levenburg-Marquart ) para ajustar los datos medidos. Esto es más desafiante ya que requiere una forma corporal precisa y la posición exacta de los electrodos.
Gran parte del trabajo fundamental que sustenta la impedancia eléctrica se realizó en el Instituto Politécnico Rensselaer a partir de la década de 1980. [3] [17] [21] [22] [24] [25] [26] Véase también el trabajo publicado en 1992 del Glenfield Hospital Project (falta la referencia).
Los enfoques de TIE absoluta están dirigidos a la reconstrucción digital de imágenes estáticas, es decir, representaciones bidimensionales de la anatomía dentro de la parte del cuerpo de interés. Como se mencionó anteriormente y a diferencia de los rayos X lineales en la tomografía computarizada , las corrientes eléctricas viajan tridimensionalmente a lo largo del camino de menor resistividad (figura 1), lo que resulta en una pérdida parcial de la corriente eléctrica aplicada (transferencia de impedancia, por ejemplo, debido al flujo sanguíneo a través de el plano transversal). [3] [18] [19] Esta es una de las razones por las que la reconstrucción de imágenes en EIT absoluta es tan compleja, ya que generalmente hay más de una solución para la reconstrucción de imágenes de un área tridimensional proyectada en un plano bidimensional. . [4] [18] Otra dificultad es que, dado el número de electrodos y la precisión de medición en cada electrodo, solo se pueden distinguir objetos mayores que un tamaño determinado. [26] [27] Esto explica la necesidad de algoritmos matemáticos altamente sofisticados que aborden el problema inverso y su mal planteamiento.
Otras dificultades en la EIT absoluta surgen de las diferencias inter e intraindividuales de la conductividad del electrodo con la distorsión y los artefactos de la imagen asociados. También es importante tener en cuenta que la parte del cuerpo de interés rara vez es precisamente redondeada y que la anatomía interindividual varía, por ejemplo, la forma del tórax, lo que afecta el espaciado de los electrodos individuales. [28] Los datos a priori que tienen en cuenta la anatomía típica de la edad, la altura y el sexo pueden reducir la sensibilidad a los artefactos y la distorsión de la imagen. [29] Mejorar la relación señal-ruido, por ejemplo, mediante el uso de electrodos de superficie activos, reduce aún más los errores de imagen. [30] [31] Algunos de los últimos sistemas de TIE con electrodos activos controlan el rendimiento de los electrodos a través de un canal adicional y pueden compensar el contacto insuficiente con la piel eliminándolos de las mediciones.
La diferencia de tiempo EIT evita la mayoría de estos problemas al registrar mediciones en el mismo individuo entre dos o más estados fisiológicos asociados con cambios de conductividad lineal. Uno de los mejores ejemplos de este enfoque es el tejido pulmonar durante la respiración debido a los cambios de conductividad lineal entre la inspiración y la espiración que son causados por los contenidos variables de aire aislante durante cada ciclo de respiración. [2] Esto permite la sustracción digital de las mediciones registradas obtenidas durante el ciclo respiratorio y da como resultado imágenes funcionales de la ventilación pulmonar. Una ventaja importante es que los cambios relativos de conductividad siguen siendo comparables entre las mediciones, incluso si uno de los electrodos de registro es menos conductor que los otros, reduciendo así la mayoría de los artefactos y distorsiones de la imagen. [7] Sin embargo, la incorporación de conjuntos de datos a priori o mallas en la diferencia de TIE sigue siendo útil para proyectar imágenes sobre la morfología del órgano más probable, que depende del peso, la altura, el sexo y otros factores individuales. [29]
El proyecto de código abierto EIDORS [32] proporciona un conjunto de programas (escritos en Matlab / GNU_Octave ) para la reconstrucción y visualización de datos bajo la licencia GNU GPL. El método directo de barra D no lineal [33] para la reconstrucción de EIT no lineal está disponible en el código de Matlab en [2] .
La Iniciativa de Investigación de Innovación Abierta EIT [34] tiene como objetivo promover el desarrollo de la tomografía de impedancia eléctrica (EIT) en general y, en última instancia, acelerar su adopción clínica. Un paquete de software y hardware EIT plug-and-play está disponible a través de Swisstom y se puede adquirir al precio de costo neto. [35] La reconstrucción de imágenes y el procesamiento de datos brutos obtenidos con este conjunto se pueden llevar a cabo sin ninguna limitación mediante las herramientas de software proporcionadas a través de EIDORS.
Propiedades
A diferencia de la mayoría de las otras técnicas de imágenes tomográficas, la EIT no aplica ningún tipo de radiación ionizante. Las corrientes que se aplican típicamente en la TIE son relativamente pequeñas y ciertamente están por debajo del umbral en el que causarían una estimulación nerviosa significativa. La frecuencia de la corriente alterna es suficientemente alta para no dar lugar a efectos electrolíticos en el cuerpo y la potencia óhmica disipada es suficientemente pequeña y difundida por el cuerpo para ser manejada fácilmente por el sistema termorregulador del cuerpo. Estas propiedades permiten que la EIT se aplique de forma continua en humanos, por ejemplo, durante la ventilación mecánica en una unidad de cuidados intensivos (UCI). Debido a que el equipo necesario para realizar la TIE es mucho más pequeño y menos costoso que en la tomografía convencional, la TIE califica para la visualización continua en tiempo real de la ventilación pulmonar junto a la cama. La principal desventaja de la TIE frente a la tomografía convencional es su resolución espacial máxima más baja (aproximadamente el 15% del diámetro de la matriz de electrodos en la TIE en comparación con 1 mm en la TC y la RM). Sin embargo, la resolución se puede mejorar utilizando 32 en lugar de 16 electrodos. [2] [4] [7] [20] La calidad de la imagen se puede mejorar aún más construyendo un sistema EIT con electrodos de superficie activos, que reducen significativamente la pérdida de señal, los artefactos y las interferencias asociadas con los cables, así como la longitud y el manejo de los cables. [30] [31] En contraste con la resolución espacial, la resolución temporal de la TIE (0,1 milisegundos) es mucho más alta que la de la TC o la RM (0,1 segundos). [8]
Aplicaciones
Pulmón (a-EIT, td-EIT)
La TIE es particularmente útil para controlar la función pulmonar porque la resistividad del tejido pulmonar es cinco veces mayor que la mayoría de los demás tejidos blandos del tórax. Esto da como resultado un alto contraste absoluto de los pulmones. Además, la resistividad pulmonar aumenta y disminuye varias veces entre la inspiración y la espiración, lo que explica por qué la monitorización de la ventilación es actualmente la aplicación clínica más prometedora de la TIE, ya que la ventilación mecánica con frecuencia da como resultado una lesión pulmonar asociada al ventilador (VALI). La viabilidad de la TIE para la obtención de imágenes pulmonares se demostró por primera vez en el Instituto Politécnico Rensselaer en 1990 utilizando el algoritmo NOSER. [22] La TIE de diferencia de tiempo puede resolver los cambios en la distribución de los volúmenes pulmonares entre las regiones pulmonares dependientes y no dependientes y ayudar a ajustar la configuración del ventilador para proporcionar ventilación protectora pulmonar a los pacientes durante una enfermedad crítica o anestesia. [36]
La mayoría de los estudios de EIT se han centrado en el seguimiento de la función pulmonar regional utilizando la información determinada por la diferencia de tiempo de EIT (td-EIT). Sin embargo, la TIE absoluta (a-TIE) también tiene el potencial de convertirse en una herramienta clínicamente útil para la obtención de imágenes pulmonares, ya que este enfoque permitiría distinguir directamente entre las afecciones pulmonares que resultan de regiones con menor resistividad (p. Ej., Hemotórax, derrame pleural, atelectasia, edema pulmonar) y aquellos con mayor resistividad (por ejemplo, neumotórax, enfisema). [7] [37]
La imagen de arriba muestra un estudio de EIT de un bebé de 10 días que respira normalmente con 16 electrodos adhesivos aplicados en el pecho.
La reconstrucción de imágenes a partir de mediciones de impedancia absoluta requiere la consideración de las dimensiones y la forma exactas de un cuerpo, así como la ubicación precisa del electrodo, ya que las suposiciones simplificadas conducirían a importantes artefactos de reconstrucción. [28] Si bien se han publicado estudios iniciales que evalúan aspectos de la TIE absoluta, esta área de investigación aún no ha alcanzado el nivel de madurez que la haría adecuada para uso clínico.
Por el contrario, la TIE de diferencia de tiempo determina los cambios de impedancia relativa que pueden ser causados por la ventilación o por cambios en el volumen pulmonar al final de la espiración. Estos cambios relativos se refieren a un nivel de línea de base, que típicamente se define por la distribución de impedancia intratorácica al final de la espiración. [7] Las imágenes EIT de diferencia de tiempo se pueden generar de forma continua y junto a la cama. Estos atributos hacen que la monitorización regional de la función pulmonar sea particularmente útil cuando existe la necesidad de mejorar la oxigenación o la eliminación de CO 2 y cuando los cambios de terapia están destinados a lograr una distribución de gas más homogénea en pacientes ventilados mecánicamente. La formación de imágenes pulmonares con EIT puede resolver los cambios en la distribución regional de los volúmenes pulmonares entre, por ejemplo, regiones pulmonares dependientes y no dependientes a medida que se modifican los parámetros del ventilador. Por lo tanto, las mediciones de TIE se pueden utilizar para guiar los ajustes específicos del ventilador para mantener la ventilación protectora de los pulmones para cada paciente. [40]
Además de la aplicabilidad de la TIE en la UCI, los primeros estudios con pacientes que respiran espontáneamente revelan otras aplicaciones prometedoras. [41] La alta resolución temporal de la TIE permite la evaluación regional de los parámetros dinámicos comunes que se utilizan en las pruebas de función pulmonar (p. Ej., Volumen espiratorio forzado en 1 segundo). [42] Además, se pueden utilizar métodos de fusión de imágenes especialmente desarrollados que superponen datos funcionales de EIT con datos morfológicos del paciente (p. Ej., Imágenes de TC o IRM ) para obtener una visión completa de la fisiopatología de los pulmones, lo que podría ser útil para los pacientes que padecen enfermedades obstructivas. enfermedades pulmonares (por ejemplo , EPOC , FQ ). [43]
Después de muchos años de investigación de EIT pulmonar con equipos EIT provisionales o modelos en serie fabricados en cantidades muy pequeñas, dos sistemas comerciales para EIT pulmonar han entrado recientemente en el mercado de la tecnología médica: PulmoVista® 500 de Dräger y Swisstom BB 2 de Swisstom AG . Ambos modelos se están instalando actualmente en unidades de cuidados intensivos y ya se utilizan como auxiliares en los procesos de toma de decisiones relacionados con el tratamiento de pacientes con síndrome de dificultad respiratoria aguda (SDRA).
La creciente disponibilidad de sistemas comerciales de TIE en las UCI mostrará si el prometedor cuerpo de evidencia obtenido de modelos animales se aplicará también a los seres humanos (reclutamiento pulmonar guiado por TIE, selección de niveles óptimos de PEEP, detección de neumotórax, prevención de lesiones pulmonares asociadas al ventilador ( VALI), etc.). Esto sería muy deseable, dado que estudios recientes sugieren que el 15% de los pacientes con ventilación mecánica en la UCI desarrollarán una lesión pulmonar aguda (LPA) con colapso pulmonar progresivo concomitante y que se asocia con una alta mortalidad, según se informa, del 39%. [44] Recientemente, el primer ensayo prospectivo en animales sobre la ventilación mecánica guiada por TIE y los resultados podrían demostrar beneficios significativos con respecto a la mecánica respiratoria, el intercambio de gases y los signos histológicos de la lesión pulmonar asociada al ventilador. [45]
Además de la información visual (p. Ej., Distribución regional del volumen corriente), las mediciones de la TIE proporcionan conjuntos de datos sin procesar que se pueden utilizar para calcular otra información útil (p. Ej., Cambios en el volumen de gas intratorácico durante una enfermedad crítica); sin embargo, estos parámetros aún requieren una evaluación cuidadosa y validación. [40]
Otro aspecto interesante de la TIE torácica es su capacidad para registrar y filtrar señales pulsátiles de perfusión. Aunque se han publicado estudios prometedores sobre este tema, [46] esta tecnología se encuentra todavía en sus inicios. Un gran avance permitiría la visualización simultánea del flujo sanguíneo regional y la ventilación regional, lo que permitiría a los médicos localizar y reaccionar ante las derivaciones fisiológicas causadas por desajustes regionales de ventilación y perfusión pulmonar con hipoxemia asociada.
Mama (MF-EIT)
La EIT se está investigando en el campo de las imágenes de mama como una técnica alternativa / complementaria a la mamografía y la resonancia magnética (IRM) para la detección del cáncer de mama. La baja especificidad de la mamografía [47] y de la resonancia magnética [48] dan como resultado una tasa relativamente alta de exámenes de detección de falsos positivos, con una gran angustia para los pacientes y un coste para las estructuras sanitarias. El desarrollo de técnicas de imagen alternativas para esta indicación sería deseable debido a las deficiencias de los métodos existentes: radiación ionizante en mamografía y el riesgo de inducir fibrosis sistémica nefrogénica (FSN) en pacientes con función renal disminuida mediante la administración del medio de contraste utilizado en la resonancia magnética de mama. , Gadolinio . [49]
La literatura muestra que las propiedades eléctricas difieren entre los tejidos mamarios normales y malignos, [50] preparando el escenario para la detección del cáncer mediante la determinación de las propiedades eléctricas.
Un desarrollo comercial temprano de imágenes de impedancia eléctrica no tomográfica fue el dispositivo T-Scan [51], que se informó que mejora la sensibilidad y la especificidad cuando se usa como complemento de la mamografía de detección. Un informe de la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA) describe un estudio en el que participaron 504 sujetos en los que la sensibilidad de la mamografía fue del 82%, del 62% para el T-Scan solo y del 88% para los dos combinados. La especificidad fue del 39% para la mamografía, del 47% para el T-Scan solo y del 51% para los dos combinados. [52]
Varios grupos de investigación de todo el mundo están desarrollando activamente la técnica. Un barrido de frecuencia parece ser una técnica eficaz para detectar el cáncer de mama mediante EIT. [53]
La patente estadounidense US 8.200.309 B2 combina exploración de impedancia eléctrica con formación de imágenes de densidad de corriente de baja frecuencia por resonancia magnética en una configuración clínicamente aceptable que no requiere el uso de mejora de quelato de gadolinio en mamografía por resonancia magnética.
Cuello uterino (MF-EIT)
Además de su papel pionero en el desarrollo de los primeros sistemas EIT en Sheffield [8], el profesor Brian H. Brown está actualmente activo en la investigación y desarrollo de un espectroscopio de impedancia eléctrica basado en MF-EIT. Según un estudio publicado por Brown en 2000, MF-EIT puede predecir [Neoplasia intraepitelial cervical] (NIC) grados 2 y 3 según la prueba de Papanicolaou con una sensibilidad y especificidad del 92% cada una. [54] Aún no se ha decidido si la MF-TIE cervical se introducirá como un complemento o una alternativa a la prueba de Papanicolaou. Brown es el fundador académico de Zilico Limited, que distribuye el espectroscopio (ZedScan I). El dispositivo recibió la certificación CE de su organismo notificado en 2013 y actualmente se está introduciendo en varias clínicas del Reino Unido y en sistemas sanitarios de todo el mundo.
Cerebro (a-EIT, td-EIT, mf-EIT)
La EIT se ha sugerido como base para la obtención de imágenes cerebrales para permitir la detección y el seguimiento de isquemia cerebral , hemorragia y otras patologías morfológicas asociadas con cambios de impedancia debidos a la inflamación de las células neuronales, es decir, hipoxemia e hipoglucemia cerebrales .
Si bien la resolución espacial máxima de la EIT de aproximadamente el 15% del diámetro de la matriz de electrodos es significativamente menor que la de la TC o la RM cerebral (alrededor de un milímetro), la resolución temporal de la EIT es mucho mayor que la de la TC o la RM (0,1 milisegundos en comparación con 0,1 segundos) . [8] Esto hace que la EIT también sea interesante para monitorear la función cerebral normal y la actividad neuronal en unidades de cuidados intensivos o en el entorno preoperatorio para la localización de focos epilépticos mediante grabaciones telemétricas. [8]
Holder pudo demostrar en 1992 que los cambios de impedancia intracerebral se pueden detectar de forma no invasiva a través del cráneo mediante mediciones de electrodos de superficie. Los modelos animales de accidente cerebrovascular o convulsión experimentales mostraron aumentos de impedancia de hasta el 100% y el 10%, respectivamente. Los sistemas EIT más recientes ofrecen la opción de aplicar corrientes alternas desde electrodos impulsores no adyacentes. Hasta ahora, la TIE cerebral aún no ha alcanzado la madurez para ser adoptada en la rutina clínica, sin embargo, actualmente se están realizando estudios clínicos sobre el accidente cerebrovascular y la epilepsia. [8]
En este uso, la TIE depende de la aplicación de corrientes de baja frecuencia por encima del cráneo que estén alrededor de <100 Hz, ya que durante el reposo neuronal a esta frecuencia estas corrientes permanecen en el espacio extracelular y, por lo tanto, no pueden ingresar al espacio intracelular dentro de las neuronas. Sin embargo, cuando una neurona genera un potencial de acción o está a punto de despolarizarse , la resistencia de su membrana que lo previene se reducirá en ochenta veces. Siempre que esto suceda en un mayor número de neuronas, se producirán cambios de resistividad de aproximadamente 0,06 a 1,7%. Estos cambios en la resistividad proporcionan un medio para detectar la actividad neuronal coherente en un mayor número de neuronas y, por lo tanto, la obtención de imágenes tomográficas de la actividad neuronal del cerebro.
Desafortunadamente, aunque tales cambios son detectables, "son demasiado pequeños para soportar una producción confiable de imágenes". [55] Las perspectivas de utilizar esta técnica para esta indicación dependerán de un mejor procesamiento o grabación de la señal. [55]
Un estudio informó en junio de 2011 que la tomografía de impedancia eléctrica funcional por respuesta de evocación (fEITER) se ha utilizado para visualizar cambios en la actividad cerebral después de la inyección de un anestésico. Uno de los beneficios de la técnica es que el equipo requerido es lo suficientemente pequeño y fácil de transportar para que pueda usarse para monitorear la profundidad de la anestesia en los quirófanos. [9]
Perfusión (td-EIT)
Debido a su conductividad relativamente alta, la sangre puede usarse para obtener imágenes funcionales de la perfusión en tejidos y órganos caracterizados por conductividades más bajas, por ejemplo, para visualizar la perfusión pulmonar regional. [4] [56] El antecedente de este enfoque es que la impedancia del tejido pulsátil cambia de acuerdo con las diferencias en el llenado de los vasos sanguíneos entre la sístole y la diástole, particularmente cuando se inyecta solución salina como agente de contraste. [46]
Medicina deportiva / atención domiciliaria (a-EIT, td-EIT)
Las mediciones de impedancia eléctrica también se pueden utilizar para calcular parámetros abstractos, es decir, información no visual. Los avances recientes en la tecnología EIT, así como el menor número de electrodos necesarios para registrar parámetros globales en lugar de regionales en individuos sanos, pueden utilizarse para la determinación no invasiva de, por ejemplo, VO 2 o presión arterial en medicina deportiva o atención domiciliaria. [46]
Sistemas comerciales
a-EIT y td-EIT
Aunque los sistemas de EIT médicos no se habían utilizado ampliamente hasta hace poco, varios fabricantes de equipos médicos han estado suministrando versiones comerciales de sistemas de imágenes pulmonares desarrollados por grupos de investigación universitarios. El primer sistema de este tipo es producido por Maltron International [57] que distribuye el sistema Sheffield Mark 3.5 con 16 electrodos. Sistemas similares son el sistema Goe MF II desarrollado por la Universidad de Göttingen , Alemania y distribuido a través de CareFusion (16 electrodos), así como el Enlight 1800 desarrollado en la Facultad de Medicina de la Universidad de São Paulo y el Instituto Politécnico de la Universidad de São Paulo. , Brasil que es distribuida por Timpel SA (32 electrodos). Estos sistemas generalmente cumplen con la legislación de seguridad médica y han sido empleados principalmente por grupos de investigación clínica en hospitales, la mayoría de ellos en cuidados intensivos .
Dräger Medical puso a disposición en 2011 el primer dispositivo EIT para la monitorización de la función pulmonar diseñado para el uso clínico diario en el entorno de cuidados intensivos : el PulmoVista® 500 (sistema de 16 electrodos). [58] Otro sistema EIT comercial diseñado para la monitorización de la función pulmonar en la UCI se basa en 32 electrodos activos y se presentó por primera vez en anual de 2013 ESICM congreso - la Swisstom BB 2 . Mientras tanto, Swisstom AG 's de Swisstom BB 2 ha sido lanzado al mercado en 2014 del Simposio Internacional sobre Cuidados Intensivos y Medicina de Emergencia ( ISICEM ) y será distribuido en Europa occidental a través de una asociación entre Swisstom y Maquet .
MF-EIT
Los sistemas de EIT multifrecuencia (MF-EIT) o de espectroscopia de impedancia eléctrica (EIS) se diseñan típicamente para detectar o localizar tejido anormal, por ejemplo, lesiones precancerosas o cáncer. Impedance Medical Technologies fabrica sistemas basados en diseños del Instituto de Investigación de Radioingeniería y Electrónica de la Academia de Ciencias de Rusia en Moscú, que están dirigidos especialmente a la detección del cáncer de mama. [59] Mirabel Medical Systems, Inc., con sede en Texas, desarrolla una solución similar para la detección no invasiva del cáncer de mama y ofrece el T-Scan 2000ED . Zilico Limited distribuye un espectroscopio de impedancia eléctrica llamado ZedScan I como un dispositivo médico que supuestamente ayuda a la localización / diagnóstico de neoplasias intraepiteliales cervicales. [54] El dispositivo acaba de recibir la certificación CE en 2013.
V5R
El v5r [60] es un dispositivo de alto rendimiento, basado en una técnica de medición de voltaje-voltaje, diseñado para mejorar el control del proceso. La alta velocidad de fotogramas de la v5r (más de 650 fotogramas por segundo) significa que puede usarse para monitorear procesos en rápida evolución o condiciones de flujo dinámico. Los datos que proporciona se pueden utilizar para determinar el perfil de flujo de procesos multifásicos complejos; permitiendo a los ingenieros discriminar entre laminar, plug y otras condiciones de flujo importantes para una comprensión más profunda y un mejor control del proceso.
Cuando se utiliza para mediciones de concentración, la capacidad de medir la impedancia total en un amplio rango de relaciones de fase significa que el v5r puede ofrecer una precisión considerable en un rango de conductividad más amplio en comparación con otros dispositivos.
Ver también
- Tomografía de volumen por capacitancia eléctrica
- Tomografía de resistividad eléctrica
- Tomografía de capacitancia eléctrica
- Monitoreo respiratorio
- Lesión pulmonar asociada al ventilador (VALI)
- EIDORS una caja de herramientas de reconstrucción para EIT
- Sistemas de tomografía industrial
Referencias
- ^ Adler A, Modelado del flujo de corriente de EIT en un modelo de tórax humano, documentación de EIDORS , 2010-11-03
- ↑ a b c d e f g h i Brown, BH (2003). "Tomografía de impedancia eléctrica (EIT): una revisión". Revista de tecnología e ingeniería médica . 27 (3): 97–108. doi : 10.1080 / 0309190021000059687 . PMID 12775455 . S2CID 43607387 .
- ^ a b c d e Cheney, Margaret; Isaacson, David; Newell, Jonathan C. (1999). "Tomografía de impedancia eléctrica". Revisión SIAM . 41 (1): 85–101. Código bibliográfico : 1999SIAMR..41 ... 85C . doi : 10.1137 / s0036144598333613 .
- ^ a b c d e f g Bodenstein, Marc; David, Matthias; Markstaller, Klaus (2009). "Principios de la tomografía de impedancia eléctrica y su aplicación clínica". Medicina de cuidados intensivos . 37 (2): 713–724. doi : 10.1097 / ccm.0b013e3181958d2f . PMID 19114889 . S2CID 39179521 .
- ^ Calderón AP (1980) "Sobre un problema de valor de frontera inverso", en Seminario sobre análisis numérico y sus aplicaciones a la física continua , Río de Janeiro. Copia escaneada de papel . El documento se ha reimpreso como Calderón, Alberto P. (2006). "En un problema de valor de frontera inverso" . Estera. Apl. Computación . 25 (2-3): 133-138. doi : 10.1590 / s0101-82052006000200002 .
- ^ Uhlmann G. (1999) "Desarrollos en problemas inversos desde el artículo fundacional de Calderón", Análisis armónico y ecuaciones diferenciales parciales: Ensayos en honor a Alberto P. Calderón , (editores ME Christ y CE Kenig), University of Chicago Press, ISBN 0-226-10455-9
- ^ a b c d e Costa, EL; Lima, RG; Amato, MB (2009). "Tomografía de impedancia eléctrica". Opinión actual en cuidados intensivos . 15 (1): 18-24. doi : 10.1097 / mcc.0b013e3283220e8c . PMID 19186406 . S2CID 17149730 .
- ^ a b c d e f g h i Holder DS, Tomografía de impedancia eléctrica: métodos, historia y aplicaciones, Instituto de Física, 2004. ISBN 0-7503-0952-0 .
- ^ a b Carpenter, Jennifer (13 de junio de 2011). "Las imágenes capturan el momento en que el cerebro se vuelve inconsciente" . BBC News: Ciencia y Medio Ambiente . Reino Unido: BBC . Consultado el 20 de febrero de 2013 .
- ^ Trokhanova, OV; Chijova, YA; Okhapkin, MB; Korjenevsky, AV; Tuykin, TS (2013). "Posibilidades de la tomografía de impedancia eléctrica en ginecología" . Journal of Physics: Serie de conferencias . 434 (1): 012038. Código Bibliográfico : 2013JPhCS.434a2038V . doi : 10.1088 / 1742-6596 / 434/1/012038 .
- ^ Henderson, RP; Webster, JG (1978). "Una cámara de impedancia para mediciones espacialmente específicas del tórax". IEEE Trans. Biomed. Ing . 25 (3): 250–254. doi : 10.1109 / TBME.1978.326329 . PMID 680754 . S2CID 12963682 .
- ^ Barber, DC; Brown, BH (1984). "Tomografía de potencial aplicada". J. Phys. E: Sci. Instrum . 17 (9): 723–733. doi : 10.1088 / 0022-3735 / 17/9/002 .
- ^ Barber, CC; Marrón, BH; Freeston, IL (1983). "Imágenes de distribuciones espaciales de resistividad mediante tomografía de potencial aplicada". Cartas de electrónica . 19 (22): 933. Código bibliográfico : 1983ElL .... 19..933B . doi : 10.1049 / el: 19830637 .
- ^ MS Beck y R. Williams, Tomografía de proceso: principios, técnicas y aplicaciones, Butterworth-Heinemann (19 de julio de 1995), ISBN 0-7506-0744-0
- ^ Djamdji, F .; Gorvin, AC; Freeston, IL; Tozer, RC; Mayes, IC; Blight, SR (1996). "Tomografía de impedancia eléctrica aplicada a la caracterización de obleas de semiconductores". Ciencia y Tecnología de la Medición . 7 (3): 391–395. Código Bibliográfico : 1996MeScT ... 7..391D . doi : 10.1088 / 0957-0233 / 7/3/021 . ISSN 0957-0233 .
- ^ Cultrera, Alessandro; Callegaro, Luca (2016). "Tomografía por resistencia eléctrica de películas delgadas conductoras". Transacciones IEEE sobre instrumentación y medición . 65 (9): 2101–2107. arXiv : 1606.05698 . Código bibliográfico : 2016arXiv160605698C . doi : 10.1109 / TIM.2016.2570127 . ISSN 0018-9456 . S2CID 13220087 .
- ^ a b Cheney, M .; Isaacson, D. (1995). "Problemas en la formación de imágenes de impedancia eléctrica". IEEE Ciencias e Ingeniería Computacional . 2 (4): 53–62. doi : 10.1109 / 99.476369 .
- ^ a b c Titular David S .: Tomografía de impedancia eléctrica. Métodos, Historia y Aplicaciones , Instituto de Física: Bristol y Filadelfia 2005, Parte 1 Algoritmos
- ^ a b Corazón de león, William R B. (2004). "Algoritmos de reconstrucción de EIT: trampas, desafíos y desarrollos recientes". Medición fisiológica . 25 (1): 125-142. arXiv : física / 0310151 . doi : 10.1088 / 0967-3334 / 25/1/021 . PMID 15005311 . S2CID 16332765 .
- ^ a b Cook, RD; Saulnier, GJ; Gisser, DG; Goble, JC; Newell, JC; Isaacson, D. (1994). "ACT3: un tomógrafo de impedancia eléctrica de alta velocidad y alta precisión" . Transacciones IEEE sobre Ingeniería Biomédica . 41 (8): 713–722. doi : 10.1109 / 10.310086 . PMC 4793976 . PMID 7927393 .
- ^ a b Gisser, DG; Isaacson, D .; Newell, JC (1990). "Tomografía computarizada de corriente eléctrica y valores propios". Revista SIAM de Matemática Aplicada . 50 (6): 1623–1634. doi : 10.1137 / 0150096 .
- ^ a b c Cheney, M .; Isaacson, D .; Newell, JC; Simske, S .; Goble, J. (1990). "NOSER: Un algoritmo para resolver el problema de conductividad inversa". Revista internacional de sistemas y tecnología de imágenes . 2 (2): 66–75. doi : 10.1002 / ima.1850020203 . S2CID 26337135 .
- ^ Dodd, Melody; Mueller, Jennifer L. (2014). "Un algoritmo de barra D en tiempo real para datos de tomografía de impedancia eléctrica 2-D" . Problemas inversos e imágenes (Springfield, Missouri) . 8 (4): 1013–1031. arXiv : 1404,5978 . doi : 10.3934 / ipi.2014.8.1013 . PMC 4414053 . PMID 25937856 .
- ^ Cheng, KS, Isaacson, D., Newell, JC y Gisser, DG (1989). Modelos de electrodos para tomografía computarizada de corriente eléctrica. Ingeniería biomédica, IEEE Transactions on, 36 (9), 918–24.
- ^ Somersalo, E., Cheney, M. y Isaacson, D. (1992). Existencia y singularidad de modelos de electrodos para tomografía computarizada de corriente eléctrica. Revista SIAM sobre matemáticas aplicadas, 52 (4), 1023–1040.
- ↑ a b Cheney, M. y Isaacson, D. (1992). Distinguibilidad en imágenes de impedancia. Ingeniería biomédica, IEEE Transactions on, 39 (8), 852–860.
- ^ Alessandrini, G. (1988). Determinación estable de la conductividad mediante mediciones de límites. Análisis aplicable, 27 (1-3), 153-172.
- ^ a b Boyle A., Adler A. (2011) "El impacto del área del electrodo, la impedancia de contacto y la forma del límite en las imágenes de EIT". Physiol. Meas. 32 (7): 745–54.
- ^ a b Ferrario D., Grychtol B., Adler A., Solà J., Böhm SH, Bodenstein M. (2012) "Hacia la EIT torácica morfológica: las principales fuentes de señales corresponden a las ubicaciones de los órganos respectivos en la TC". IEEE Trans. Biomed. Ing. 59 (11): 3000–8.
- ^ a b Rigaud B., Shi Y., Chauveau N., Morucci JP (1993) "Sistema de adquisición experimental para tomografía de impedancia con enfoque de electrodo activo". Medicina. Biol. Ing. Computación. 31 (6): 593–9.
- ^ a b Gaggero PO, Adler A., Brunner J., Seitz P. (2012) "Sistema de tomografía de impedancia eléctrica basado en electrodos activos". Physiol. Meas. 33 (5): 831–47.
- ^ Adler, Andy; Corazón de león, William (2006). "Usos y abusos de EIDORS: una base de software extensible para EIT". Physiol Meas . 27 (5): S25 – S42. Código bibliográfico : 2006PhyM ... 27S..25A . CiteSeerX 10.1.1.414.8592 . doi : 10.1088 / 0967-3334 / 27/5 / S03 . PMID 16636416 .
- ^ Mueller JL y Siltanen S (2012), Problemas inversos lineales y no lineales con aplicaciones prácticas. SIAM.
- ^ "Pionero del EIT" . eit-pioneer.org/ . Archivado desde el original el 13 de enero de 2015 . Consultado el 3 de febrero de 2016 .
- ^ "Iniciativa de investigación EIT de innovación abierta de Swisstom" . swisstom.com . Swisstom . Consultado el 3 de febrero de 2016 .
- ^ Frerichs, I .; Scholz, J .; Weiler, N. (2006). "Tomografía de impedancia eléctrica y sus perspectivas en Medicina Intensiva". Anuario de Cuidados Intensivos y Medicina de Urgencias . Anuario de Cuidados Intensivos y Medicina de Urgencias. 2006 . Berlín: Springer. págs. 437–447. doi : 10.1007 / 3-540-33396-7_40 . ISBN 978-3-540-30155-4.
- ^ Luecke T., Corradi F., Pelosi P. (2012) "Imágenes pulmonares para la titulación de la ventilación mecánica" Curr. Opin. Anaesth. 25 (2): 131–140.
- ^ a b S. Heinrich, H. Schiffmann, A. Frerichs, A. Klockgether-Radke, I. Frerichs, Efectos de la posición del cuerpo y la cabeza en la ventilación pulmonar regional en bebés: un estudio de tomografía de impedancia eléctrica. Intensive Care Med., 32: 1392-1398, 2006.
- ^ S. Heinrich, H. Schiffmann, A. Frerichs, A. Klockgether-Radke, I. Frerichs, EIDORS contribuyó con datos [1] 2011
- ^ a b Adler A., Amato MB, Arnold JH, Bayford R., Bodenstein M., Böhm SH, Brown BH, Frerichs I., Stenqvist O., Weiler N., Wolf GK (2012) "Dónde pulmón EIT: donde ¿Estamos, a dónde queremos ir y qué necesitamos para llegar allí? " Physiol. Meas. 33 (5): 679–94.
- ^ Gong, Bo; Krueger-Ziolek, Sabine; Moeller, Knut; Schullcke, Benjamin; Zhao, Zhanqi (2 de noviembre de 2015). "Tomografía de impedancia eléctrica: ¿imagen pulmonar funcional en camino a la práctica clínica?". Revisión de expertos en medicina respiratoria . 9 (6): 721–737. doi : 10.1586 / 17476348.2015.1103650 . ISSN 1747-6348 . PMID 26488464 . S2CID 207206999 .
- ^ Krueger-Ziolek, Sabine; Schullcke, Benjamin; Zhao, Zhanqi; Gong, Bo; Naehrig, Susanne; Müller-Lisse, Ullrich; Moeller, Knut (2016). "Inhomogeneidad de ventilación multicapa en fibrosis quística". Fisiología respiratoria y neurobiología . 233 : 25–32. doi : 10.1016 / j.resp.2016.07.010 . PMID 27476932 . S2CID 10355241 .
- ^ Schullcke, Benjamin; Gong, Bo; Krueger-Ziolek, Sabine; Soleimani, Manuchehr; Mueller-Lisse, Ullrich; Moeller, Knut (16 de mayo de 2016). "Imagen de pulmón estructural-funcional utilizando un CT-EIT combinado y un método de reconstrucción de transformación discreta del coseno" . Informes científicos . 6 (1): 25951. Bibcode : 2016NatSR ... 625951S . doi : 10.1038 / srep25951 . ISSN 2045-2322 . PMC 4867600 . PMID 27181695 .
- ^ Rubenfeld G., Caldwell E., Peabody E., Weaver J., Martin D., Ne M., Stern E., Hudson L. (2005) "Incidencia y resultados de la lesión pulmonar aguda". N. Engl. J. Med. 353 (16): 1685–1693.
- ^ Wolf G., Gomez-Laberge C., Rettig J., Vargas S., Smallwood C., Prabhu S., Vitali S., Zurakowski D. y Arnold J. (2013). "Ventilación mecánica guiada por tomografía de impedancia eléctrica en lesión pulmonar aguda experimental" Crit. Cuidado. Medicina. 41 (5): 1296-1304.
- ^ a b c Solà J., Adler A., Santos A., Tusman G., Sipmann FS, Bohm SH (2011) "Monitorización no invasiva de la presión arterial central mediante tomografía de impedancia eléctrica: primera evidencia experimental". Medicina. Biol. Ing. Computación. 49 (4): 409-15.
- ^ Huynh, PT; Jarolimek, AM; Daye, S. (1998). "La mamografía falsa negativa" . RadioGraphics . 18 (5): 1137-1154. doi : 10.1148 / radiographics.18.5.9747612 . PMID 9747612 .
- ^ Piccoli, CW (1997). "Resonancia magnética de mama con contraste: factores que afectan la sensibilidad y la especificidad" . Radiología europea . 7 : 281–288. doi : 10.1007 / PL00006909 . PMID 9370560 . S2CID 25324137 .
- ^ Kuo, PH; Kanal, E .; Abu-Alfa, AK; Cowper, SE (2007). "Agentes de contraste MR basados en gadolinio y fibrosis sistémica nefrogénica". Radiología . 242 (3): 647–9. doi : 10.1148 / radiol.2423061640 . PMID 17213364 .
- ^ Jossinet, J. (1998). "La impedimento del tejido mamario humano recién extirpado". Medición fisiológica . 19 (1): 61–76. doi : 10.1088 / 0967-3334 / 19/1/006 . PMID 9522388 .
- ^ Assenheimer, Michel; Laver-Moskovitz, Orah; Malonek, Dov; Manor, David; Nahaliel, Udi; Nitzan, Ron; Saad, Abraham (2001). "La tecnología T-SCAN: impedancia eléctrica como herramienta de diagnóstico para la detección del cáncer de mama". Medición fisiológica . 22 (1): 1–8. doi : 10.1088 / 0967-3334 / 22/1/301 . PMID 11236870 .
- ^ TransScan T-Scan 2000 - P970033 , 24 de abril de 2002, Administración de Drogas y Alimentos .
- ^ Kim BS, Isaacson D., Xia H., Kao TJ, Newell JC, Saulnier, GJ (2007) "Un método para analizar datos de espectroscopia de impedancia eléctrica de pacientes con cáncer de mama" "Medición fisiológica" 28 (7): S237.
- ^ a b Brown BH, Tidy JA, Boston K, Blackett AD, Smallwood RH, Sharp F. (2000) "Relación entre la estructura del tejido y el flujo de corriente eléctrica impuesta en la neoplasia cervical". Lancet 355 (9207): 892–5.
- ^ a b Gilad, O; Titular, DS (2009). "Cambios de impedancia registrados con electrodos del cuero cabelludo durante las respuestas evocadas visuales: implicaciones para la tomografía de impedancia eléctrica de la actividad neuronal rápida". NeuroImage . 47 (2): 514-22. doi : 10.1016 / j.neuroimage.2009.04.085 . PMID 19426819 . S2CID 6027222 .
- ^ Kunst PW, Vonk Noordegraaf A., Hoekstra OS, Postmus PE, de Vries PM (1998) "Imágenes de ventilación y perfusión por tomografía de impedancia eléctrica: una comparación con la exploración con radionúclidos". Physiol. Meas. 19 (4): 481–90.
- ^ Maltron International. "El Maltron Sheffield MK 3.5, el pionero de la tomografía de impedancia eléctrica" . Archivado desde el original el 2 de diciembre de 2010 . Consultado el 17 de junio de 2011 .
- ^ Draeger médico. "Datos técnicos de PulmoVista 500" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 25 de julio de 2011 . Consultado el 17 de junio de 2011 .
- ^ IMT. "Tecnologías médicas de impedancia" . Consultado el 17 de junio de 2011 .
- ^ SU, http://www.itoms.com/products/v5r-electrical-resistance-tomography/