IMÁGENES MÉDICAS: ADQUISICIÓN,

INSTRUMENTACIÓN Y GESTIÓN

asignatura del IIE (Núcleo de Ingeniería Biomédica)

4 de junio 2009

TOMOGRAFÍA POR IMPEDANCIA ELÉCTRICA

EIT (Electrical Impedance Tomography)

Trabajos de Raul Hartman,

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 tejidos diferentes: por ejemplo

– Pulmón con aire 7 a 24 ohm metro– Sangre 1.5 ohm metro– Plasma 0.66 ohm metro

• Sería posible obtener imágenes anatómicas EIT, dado que cada tipo de tejido tiene su resistividad, pero NO HAY DEFINICION

• Se pueden comparar imágenes de EIT a lo largo del tiempo o antes y después de una lesión

• Se puede estimar el porcentaje de tejidos diferentes en un miembro (grasa, agua, etc.)

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).

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 IterativasUtilizan operaciones repetitivas que en cada paso mejoran la

imagen.

Técnicas de un solo paso.Reconstrucción basada en la linealización 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 funcionamientoEsquema de funcionamiento

1

2

3

45

67

8

9

10

11

1213

1415

16

V15

V14 V13

V12

V11

V10

V9

V8

V7

V6V5

V4

V3

I 1

I 2

V15

V14 V13

V12

V11

V10

V9

V8

V7

V6V5

V4

V16

1

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3

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I 3

V15

V14 V13

V12

V11

V8

V7

V6V5

V16

V1 V10

V9

V10

V14 V13

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16

I 4

V15 V12

V11

V8

V7

V6

V2

V16

V1

IMPETOM

Sistema de adquisición de datos para Sistema de adquisición de datos para ttomografía omografía porpor impedancia eléctrica impedancia eléctrica

(Sistema EIT)(Sistema EIT)

IMPETOMIMPETOMespecificacionesespecificaciones

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

IMPETOMIMPETOMcircuito de inyección de corrientecircuito de inyección de corriente

SISTEMA DE INYECCIÓN DE CORRIENTESISTEMA DE INYECCIÓN DE CORRIENTESolución integrada: AD844

Secuencia de estimulación y medidas

01

02

09

04

05

06

07

08

03

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MUX

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MUX

1

2

Fuente de corriente

I

I

3

45

67

8

9

10

11

1213

1415

16

IMPETOMSistema de medida de voltajes

CARACTERÍSTICAS DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LAS SEÑALES MEDIDASSEÑALES MEDIDAS

Sinusoides de 50kHz Desfasadas de la corriente Amplitud “modulada” por Zcuerpo

Voltaje: 100V a 20mV aprox. Impedancia corporal (10 a 100kHz)

mayoritariamente real

ESQUEMA GENERAL DE UNESQUEMA GENERAL DE UNCANAL DE MEDIDACANAL DE MEDIDA

Si corriente inyectadaV(t) voltaje medidovo dc salida del demodulador

INTEGRACIONINTEGRACION

IMP

ET

OM

-C

PACIENTE

AISLACIÓN

CONTROL Y

DAS

GUI

USUARIO

IMPETOM I

DISEÑO DEL DASDISEÑO DEL DAS

AC

ON

DIC

ION

AM

IEN

TO

DE

S

EÑ

AL

ES

AIS

LAC

IÓN

DE

SE

ÑA

LE

S

AC

ON

DIC

ION

AM

IEN

TO

DE

S

EÑ

AL

ES

AIS

LAC

IÓN

DE

SE

ÑA

LE

S

ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO

DE VOLTAJES (ANALÓGICA)

GENERACIÓN DE SEÑALES DE

CONTROL (DIGITAL)

AC

ON

DIC

ION

AM

IEN

TO

D

E D

AT

OS

TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS

NATIONAL INSTRUMENTSLPN16 pnp

IMPETOM-C

Detalle de placa de aislación

Impetom C y Placa aislación

IMPETOMIMPETOMPrograma e interfaz gráfica (GUI)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 ORIGINALRECONSTRUCCIÓN EN FANTOMA ORIGINAL

RECONSTRUCCIÓN EN FANTOMA ORIGINALRECONSTRUCCIÓN EN FANTOMA ORIGINAL

RECONSTRUCCIÓN EN FANTOMA IIRECONSTRUCCIÓN EN FANTOMA II

RECONSTRUCCIÓN EN FANTOMA IIRECONSTRUCCIÓN EN FANTOMA II

RECONSTRUCCIÓN EN FANTOMA IIRECONSTRUCCIÓN EN FANTOMA II

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 TSUGERENCIAS DE TRABAJO FUTURORABAJO FUTURO

RECONSTRUCCIÓN EN TIEMPO REALIMPLEMENTACIÓN DE IMPETOM-I EN

UN DSPDESARROLLO DE UNA PLACA DE

ADQUISICIÓN UNICA (p.ej.USB)PREVISIÓN PARA 3D EIT

Comparacion de imágenes

Placa de rayos X

Fuente UCLA, www.mips.stanford.edu/

Tomografía computada

Fuente UCLA, www.mips.stanford.edu/

Resonancia magnética

Fuente UCLA, www.mips.stanford.edu/

Estudio de Medicina Nuclear - riñón

Fuente UCLA, www.mips.stanford.edu/

Evolución de radioactividad en una Región de Interés (ROI) seleccionada por

el operador en las imágenes

Imagen PET con 18F

Fuente UCLA, www.mips.stanford.edu/

Ecografía obstétrica

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

Tomografía de impedancia eléctrica

Fuente UCLA, www.mips.stanford.edu/

www.nib.fmed.edu.uy