Tomografía de Impedancia Eléctrica.
La tomografía de impedancia eléctrica (EIT) es una técnica de imágenes médicas en la cual la imagen de la conductividad o permisividad de una parte del cuerpo se estima a partir de mediciones eléctricas superficiales. Generalmente, los electrodos conductores se pegan a la piel y se conduce una pequeña corriente alterna en algunos electrodos o en la totalidad de estos. Los potenciales eléctricos resultantes son medidos. El proceso puede repetirse varias veces con el fin de evaluar diferentes magnitudes de la corriente aplicada.
Las aplicaciones propuestas de la EIT incluye monitoreo de la función pulmonar, detección de cáncer en la piel y de seno y la localización de focos epilépticos.[2] No obstante, todas las aplicaciones se consideran experimentales.[2]
La invención de la EIT como una técnica de imagen médica es atribuida a John G. Webster y a una publicación en 1978,[3] , aunque la primera EIT realizada sucedió en 1984 debido al trabajo de David C. Barber y Brian H. Brown.[4]
Matemáticamente el problema de recuperar conductividad a partir de las mediciones de la corriente y potenciales es un problema inverso no lineal . La formulación matemática del problema fue dada por Alberto Calderón,[5] y en la literatura matemática de los problemas inversos esta es nombrada como “El problema inverso de Calderón” o como el “Problema Calderón”. Se está realizando una extensa investigación matemática sobre el inconveniente de no obtener una solución única y los algoritmos numéricos para este problema.[6]
En la Geofísica una técnica similar (llamada tomografía de resistividad eléctrica) es empleada usando electrodos en la superficie de la Tierra o en perforaciones, con el fin de localizar anomalías en la resistividad y en algunos procesos industriales mediante el monitoreo de las matrices de los electrodos, se utiliza para supervisar las mezclas de fluidos conductores en los vasos o tubos. El método se utiliza en imágenes de procesos industriales[7] for imaging conductive fluids. En ese contexto la técnica se denomina tomografía de resistencia eléctrica (Generalmente, los electrodos metálicos están en contacto directo con el liquido pero las técnicas electrónicas y de reconstrucción son muy similar al caso medico. En la geofísica la idea surge en la década de 1930.
Teoría
editLa conductividad y la permisividad eléctrica varía según la clase de tejido, la temperatura y factores fisiológicos. Por ejemplo, los pulmones tienen una menor capacidad conductora cuando los alveolos se encuentran llenos de aire. En la EIT los electrodos adhesivos se localiza en la piel y una corriente eléctrica, generalmente de unos pocos miliamperios de corriente alterna a una frecuencia de 10 – 100kHz, se conduce a través de dos o más electrodos. Otros electrodos son utilizados para medir el voltaje resultante. Este procedimiento se repite para varios “patrones de estimulación”, tales como los pares sucesivos de los electrodos adyacentes.
TLas corrientes empleadas son relativamente pequeñas y ciertamente por debajo del umbral al cual causarían estimulación nerviosa. La frecuencia de la corriente alterna es lo suficientemente alta para no ocasionar efectos electrolíticos en el cuerpo y el potencial Ohmico disipado es suficientemente pequeño y puede difundirse por el cuerpo para der fácilmente controlado por el sistema termorregulador corporal.
La corriente se aplica utilizando fuentes de corrientes, ya sea una única fuente de corriente compartida entre los electrodos utilizando un multiplexor o un sistema de conversión voltaje a corrientes, , uno para cada electrodo y controlados por un convertidor digital a análogo. Nuevamente, las medidas pueden ser tomadas por un voltaje medido a través de un circuito multiplexo sobre los electrodos o mediante un circuito para cada electrodo. Los primeros sistemas utilizaban un circuito de demodulación analógica para convertir el voltaje alterno a un nivel de corriente directa y después un convertidor análogo a digital. La mayoría de los sistemas recientes convierten directamente la señal alterna luego la modulación se realiza de forma digital. Muchos sistemas EIT son capaces de trabajar a diferentes frecuencias y pueden medir la magnitud y fase del voltaje.
Los voltajes medidos son pasados al computador con el fin de reconstruir y exponer la imagen. Si las imágenes se requieren en tiempo real se aplica algún tipo de control inverso de la linealización del problema. IEn la mayoría de los sistemas prácticos utilizados en el ámbito médico se forma una “imagen diferencial”. Es decir, la diferencia de voltajes entre dos puntos dado cierto tiempo es multiplicado por el control inverso para producir una diferencia aproximada entre las imágenes de permisividad y conductividad. Otro abordaje es construir un modelo de elementos finitos del cuerpo y ajustar las conductividades (por ejemplo utilizando una variante del método Levenburg – Marquat) para ajustar los datos medidos. Este abordaje es más difícil puesto que se requiere obtener la forma precisa del cuerpo y la posición exacta de los electrodos.
El proyecto EIDORS, de código abierto, provee una serie de programas (en Matlab/Octave) para la reconstrucción y visualización de los datos bajo la licencia GNU/GPL.
Imagen Pulmonar
editLA EIT se utiliza para monitorear los pulmones debido a que el aire tiene una conductividad de gran contraste respecto a los otros tejidos le tórax. La aplicación clínica más prometedora de la EIT pulmonar es el monitoreo de los pacientes tratados con ventilación mecánica. Dicha ventilación puede ocasionar lesión pulmonar asociada a ventilación. La EIT puede resolver los cambios en la distribución del volumen pulmonar entre las regiones pulmonares dependientes e independientes mediante los cambios en los parámetros del ventilador. Por tanto, las mediciones de la EIT pueden ser útiles para controlar la configuración específica del ventilador con el fin de mantener una ventilación protectora para cada paciente.[8]
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Las imágenes de arriba son del grupo de EIT de la Universidad de Oxford Brookes y representa un primer intento de una imagen EIT tridimensional del pecho, utilizando el sistema EIT OXBACT3. La imagen reconstruida es un promedio del tiempo y muestra los pulmones como regiones de baja conductividad. Aunque una forma precisa del pecho fue empleada solo una reconstrucción algorítmica 2D fue utilizada, resultando en una imagen distorsionada. Los resultados de un estudio de pecho similar han sido publicados.[9]
Imagen de Pecho
editLa EIT está siendo investigada en el campo de la imagen de pecho como una técnica alternativa / complementaria de la mamografía y la MRI para la detección de cáncer de seno. La baja especificidad de la mamografía [10] y de la MRI [11] resulta en un alto riesgo de falsas proyecciones positivas, causando una gran angustia para el paciente y un alto costo para el sistema de salud. Las deficiencias y los problemas relacionados al uso de la radiación ionica, para la mamografía, y la nefrotoxicidad del Gadolinium, agente de contraste utilizado en la MRI de seno [12], hacen que el desarrollo de técnicas alternativas sea deseado.
La literatura indica que las propiedades eléctricas difieren entre un tejido mamario sano y maligno [13], favoreciendo el escenario para la detección de cáncer mediante la determinación de las propiedades eléctricas.
Un desarrollo comercial exitoso de la EIT es el dispositivo T- Scan [14] el cual ha demostrado mejorar la sensibilidad y especificidad cuando se emplea junto a la mamografía. El reporte para la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) (FDA) describe un estudio de 504 sujetos donde la sensibilidad de la mamografía fue de 82%, 62% para el T- Scan únicamente, y 88% para la mamografía y el T- Scan juntos. La especificidad fue de 39% para la mamografía y 47% para el T- Scan y 51% para ambos [15] .
Varios grupos de investigación están alrededor del mundo desarrollando esta técnica.
Imagen de cerebro
editLa EIT ha sido sugerida como la base para la imagen de cerebro con el fin de permitir la detección y monitoreo de isquemia cerebral y hemorragia, localización de focos epilépticos, junto a la investigación en la función normal del cerebro y la actividad neuronal.[2]
IEn este uso, la EIT depende de la aplicación de bajas corrientes sobre el cráneo con una frecuencia menor a 100Hz ya que durante el descanso neuronal a esta frecuencia estas corrientes permanecen en el espacio extracelular y no pueden entrar al espacio intracelular de las neuronas. Sin embargo, cuando una neurona crea un potencial de acción o se despolariza, la resistencia de su membrana se reduce un factor de 80. Cuando esto ocurre a lo largo de muchas neuronas se origina un cambio en la resistividad aproximadamente del 0,06 -1,7%. Este cambio de resistividad proporciona un medio para detectar la actividad neuronal coherente a lo largo de las neuronas y para crear la imagen tomográfica de la actividad nerviosa en el cerebro.
Desafortunadamente, mientras estos cambios son detectados "son demasiado pequeños para apoyar la producción confiable de imágenes."[16] El prospecto de utilizar esta técnica depende en mejorar el procesamiento de la señal obtenida.[16]
Sistemas Comerciales
editAunque los sistemas médicos de EIT no son usualmente empleados varios fabricantes de equipos médicos suministran las versiones comerciales de los sistemas desarrollados por los grupos de investigación universitarios. El primero de estos sistemas fue producido por Maltron Internacional [1] quien distribuyo el sistema Sheffield Mark 3,5. Otras fabricas son Dräger Medical, CareFusion, una compañía de monitoreo respiratorio que distribuye el sistema Goe Mf II el cual fue desarrollado en la Universidad de Göttingen. Sim-Tecknika [2] manufactura sistemas basados en los diseños del Instituto de Investigación de Radiotecnología y Electrónica de la Academia Rusa de Ciencia, en Moscú, dirigida especialmente en la detección de cáncer de seno. Estos sistemas suelen cumplir la legislación de seguridad médica y están siendo usados por grupos de investigación en los hospitales, especialmente en cuidados intensivos para el control de la ventilación.
Vea También
editREFERENCIAS
edit- ^ Adler A, Modeling EIT current flow in a human thorax model, EIDORS documentation, 2010-11-03
- ^ a b c Holder D.S., Electrical Impedance Tomography: Methods, History and Applications, Institute of Physics, 2004. ISBN 0-7503-0952-0.
- ^ Henderson, R.P.; Webster, J.G. (1978). "An Impedance Camera for Spatially Specific Measurements of the Thorax". IEEE Trans. Biomed. Eng. 25 (3): 250–254. doi:10.1109/TBME.1978.326329. PMID 680754.
- ^ Barber, D.C.; Brown, B.H. (1984). "Applied Potential Tomography". J. Phys. E:Sci. Instrum. 17: 723–733. doi:10.1088/0022-3735/17/9/002.
- ^ Calderón A.P. (1980) "On an inverse boundary value problem", in Seminar on Numerical Analysis and its Applications to Continuum Physics, Rio de Janeiro. Scanned copy of paper. The paper has been reprinted as Calderon, Alberto P. (2006). "On an inverse boundary value problem". Mat. Apl. Comput. 25 (2–3): 133–138.
- ^ Uhlmann G. (1999) "Developments in inverse problems since Calderón's foundational paper", Harmonic Analysis and Partial Differential Equations: Essays in Honor of Alberto P. Calderón, (editors ME Christ and CE Kenig), University of Chicago Press, ISBN 0-226-10455-9
- ^ M.S. Beck and R. Williams, Process Tomography: Principles, Techniques and Applications, Butterworth-Heinemann (July 19, 1995), ISBN 0750607440
- ^ Frerichs, I.; Scholz, J.; Weiler, N. (2006). "Electrical Impedance Tomography and its Perspectives in Intensive Care Medicine". 2006. Berlin: Springer: 437–447. doi:10.1007/3-540-33396-7_40.
{{cite journal}}: Cite journal requires|journal=(help) - ^ Kerrouche, N.; McLeod, CN; Lionheart, WRB (2001). "Time series of EIT chest images using singular value decomposition and Fourier transform". Physiol. Meas. 22 (1): 147–157. doi:10.1088/0967-3334/22/1/318. PMID 11236875.
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External links
edit- EIT website University College London
- EIDORS - Electrical Impedance Tomography and Diffuse Optical Tomography Reconstruction Software at Sourceforge