TOMOGRAFÍA POR IMPEDANCIA ELÉCTRICA

Guillermo Fajardo

CONTENIDO

1. CONTEXTO HISTÓRICO2. PRINCIPIOS FÍSICOS3. PROCESAMIENTO DE SEÑALES4. APLICACIONES5. VENTAJAS Y DESVENTAJAS6. BIBLIOGRAFÍA

1. CONTEXTO HISTÓRICO

La impedancia eléctrica es una propiedad inherente a los materiales que puede ser utilizada para caracterizar los tejidos y sistemas biológicos de forma no invasiva.

1. CONTEXTO HISTÓRICO1890, G.N. Stewart, usó la conductividad eléctrica de la sangre para caracterizar los tiempos de circulación de ésta por los diferentes órganos.1940, Kenneth S. Cole, primeros trabajos sobre partículas esféricas con modelos matemáticos, circuitos equivalentes y descripciones para los vectores de impedancia.

Apéndice normal Apéndice inflamado

1. CONTEXTO HISTÓRICO

1966, Kubicek. 1974, Nyober, desarrollaron su utilización en temas cardiovasculares.

1978, Henderson y Webster, utilizaron las medidas de bioimpedancia para obtener información de las características de un material e imágenes del interior del objeto.

1955, Herman P. Schwan, estudió propiedades eléctricas de tejidos biológicos y desarrolló técnicas para medir en diferentes márgenes frecuenciales.

1982, Brown y Barber, Universidad de Sheffield, TOMOGRAFÍA POR IMPEDANCIA ELÉCTRICA -TIE.

1. CONTEXTO HISTÓRICOTAC TIE

Excitación utilizadaRadiación Corriente eléctrica

Características medidasDensidad electrónica Conductividad eléctrica

Permitividad eléctrica

2. PRINCIPIOS FÍSICOSLa TIE es un método particular para obtener imágenes por medio de la inyección de corriente eléctrica de baja potencia y frecuencia en el objeto a caracterizar.

Tomografía de pulmón, fijado para visualizar vasos sanguíneos y vías respiratorias

La imagen reconstruida -que corresponde a una sección transversal del objeto- se halla a partir de las tensiones o corrientes detectadas en su superficie, y representala distribución de impedancia en su interior.

2. PRINCIPIOS FÍSICOS

D = densidad de carga s = conductividadE = campo eléctrico unitario e = permitividadJ= densidad de corriente inducida

Z = impedancia eléctrica

2. PRINCIPIOS FÍSICOSFactores que afectan la medida de impedancia eléctrica:Propiedades eléctricas de

Sustancias biológicas (características dieléctricas)Tejidos biológicos (anisotropía, valor impedancia) Tipos: suspensiones (células), estado condensado (músculos, piel), bajo contenido de agua (huesos)

2. PRINCIPIOS FÍSICOSMÉTODOS DE MEDIDA Y ERRORES

ELECTRODOSTipos:

Polarizables, paso CCNo polarizables, paso corrientes de desplazamiento

Ag/AgCl + gel entre electro y superficie a medirEstaño/Cloruro de EstañoPolímeros conductores

Ruido

www.swisstom.com

3. PROCESAMIENTO DE SEÑALES

La TIE representa imágenes de distribución de la conductividad en el interior de la sección en cuyo contorno se han obtenido las medidas de tensión.

Problema directo: encontrar las tensiones en el contorno del objeto a partir de la inyección y la distribución de la conductividad en su interior.

Problema inverso: garantizar calidad y consistencia en la reconstrucción de la imagen.

3. PROCESAMIENTO DE SEÑALES

3. PROCESAMIENTO DE SEÑALES

3. PROCESAMIENTO DE SEÑALES

www.swisstom.com

3. PROCESAMIENTO DE SEÑALES

3. PROCESAMIENTO DE SEÑALES

Analizador de ImpedanciaAgilent 4294A

CG Método de gradiente conjugadoMER Regularización de Entropía MáximaMapa de Sensibilidad Normalizada

3. PROCESAMIENTO DE SEÑALES

Physarum polycephalum

D Ópticomm

Eléctricomm

DR%

A 1,40 1,45 2,8

L 2,47 2,54 2,8

A 1,61 1,64 1,8

L 3,19 3,27 2,5

A 1,76 1,82 3,4

L 1,76 1,82 3,4

3. PROCESAMIENTO DE SEÑALESEIDORSElectrical Impedance and Diffuse Optical Reconstruction Software

Aplicación que opera en el ambiente de MATLAB, mediante un algoritmo para reconstrucción de imágenes a alta rapidez, con base en el método de Gauss-Newton.

4. APLICACIONESMonitorización del gasto cardíacoMecánica pulmonarVaciado del estómagoDetección de hemorragiasDetección del cáncerFunciones cerebralesMedicina aeroespacialCaracterización de suelos

http://www.bath.ac.uk/elec-eng/invert/videos/amber_insect_ct.html

4. APLICACIONES

VILI ventilator-induced lung injury - VALI ventilator associated lung injury LPV lung protective ventilation Lung electrical impedance tomography (EIT)

4. APLICACIONESNIVEL DESCRIPCIÓN META

0 Conocimiento de la tecnología

Tecnología precisa(RETROSPECTIVA)

1 Resultados prometedores de la simulación

2 Resultados experimentales con maquetas

3 Estudios piloto in vivo

4 Bioensayos validados con estándares

5 Estudios consistentes con resultados seguros y robustos

6 Estudios experimentales con animales y tecnología

Tecnología útil(PROSPECTIVA)

7 Estudios prospectivos manejando pacientes y tecnología

8 Consenso sobre el uso terapéutico de la tecnología

9 Estudios numerosos y multicéntricos relacionando los resultados con el uso de la tecnología

10 Uso clínico rutinario y consenso en la interpretación

Estado de la evidencia experimental y clínica

4. APLICACIONESComparación de tecnologías ECG y TIE

PARÁMETRO ECG(uso establecido)

TIE(uso recomendado)

Examen, evaluación,nomenclatura y salida estandarizada

Localización de electrodos Localización plana de electrodos

Código de colores y niveles de electrodos Niveles con código de colores, indicadores o electrodos de secuencia, o cordones

Calibración de señal (tiempo, voltaje) Calibración de señal (volumen del gas, presión del aire)

Procesamiento de señal (filtros) Procesamiento de señal (filtros, ROI)

Forma de ondas (12 niveles: I, II, III, aVL, aVR, V1-V6)

Forma de ondas (ROI)

Análisis (onda P, complejo QRS, onda T, intervalos y segmentos, ritmo, entre otros)

Análisis (ventilación anterior a posterior y XXX, líneas de curvatura para pulmón lleno y vacío, volumen tidal regional) Maniobra de Ventilación (incremento PEEP 5 cm H2OEscaneo funcional

PARÁMETRO ECG(uso establecido)

TIE(uso recomendado)

Búsqueda y esquema de interpretación bien definidas

Elevación segmento ST en I, aVL, V2 y V3 Ventilación hacia regiones dependientes

Extrasístoles Incremento (decaída) de regiones de pulmón lleno en regiones no dependientesCaída en volumen tidal regional y de acuerdo con regiones no dependientes

Combinación con otras búsquedas

Síntomas (dolor agudo de pecho, dispnea) Sistemas mecánicos respiratoriosExamen físico Saturación O2

Resultados de laboratorio (biomarcadores) Análisis de gas en sangreEcocardiografía Resultados de laboratorio (inflamación,

biomarcadores producción de colágeno)Angiografía coronaria Escaneo funcional

Diagnóstico Infarto de miocardio (pared anterior) Sobredistensión no dependiente de regiones de pulmón

TerapiaTerapia de oxígeno, intervención coronaria percutánea, fibrinilosis, medicación

Reducción de presión en inspiración, reducción de volumen tidal, ajuste de PEEP, mejorar la remoción de CO2, terapia de posición, terapia física

Comparación de tecnologías ECG y TIE

4. APLICACIONES

FUNCIÓN RESPIRATORIA META DE MEDICIÓNVENTILACIÓN:1.1 DISTRIBUCIÓN DEL VOLUMEN TIDAL Heterogeneidad

Sobre inflaciónSelección volumen tidalCondiciones de alarma

1.2 VOLUMEN DE GAS INTRATORÁCICO(cambios absolutos y relativos).

Sobre inflaciónAtelectasisSelecciónNo selección

1.3 SISTEMAS RESPIRATORIOS MECÁNICOS Propiedades de tejidos heterogéneosSobre inflaciónAtelectasisSelección de volumen tidal

Campos de uso propuesto para TIE torácica1. MONITOREO DE LA VENTILACIÓN

4. APLICACIONES

FUNCIÓN RESPIRATORIA META DE MEDICIÓNPERFUSIÓN:2.1 FLUJO SANGUÍNEO Distribución regional de flujo sanguíneo pulmonar

Defectos en perfusiónTiempos en perfusión

2.2 PARÁMETROS HEMODINÁMICOS Salida cardíacaPresión sistémica de la sangreRespuesta de fluidos intravasculares

INTERCAMBIO DE GASES:2.3 PAPEL VENTILACIÓN – PERFUSIÓN Intercambio regional de gases

Relación regional ventilación – perfusión2.4 EDEMA Valoración agua extravascular en el pulmón

Campos de uso propuesto para TIE torácica

2. MONITOREO PERFUSIÓN E INTERCAMBIO DE GASES

4. APLICACIONES

MANUFACTURADOR SISTEMA TIEDRÄGER MEDICALLübek, Alemania

Pulmo Vista 500(cordón de 16 electrodos)

TIMPEL SASao Paulo, Brasil

Enlight(cordón de 32 electrodos)

UNIVERSIDAD DE GÖTTINGEN (CareFusion)Höechberg, Alemania

Goe MF II(16 electrodos)

UNIVERSIDAD DE MONTREAL Sigmatome III(16 electrodos)

UNIVERSIDAD DE SHEFFIELD (Maltron Inc)Rayleigh, Reino Unido

Mark 1 (16 electrodos)Mark 3.5 (8 electrodos)

Equipos TIE usados en estudios clínicos

http://campaigns.draeger.com/pulmovista500/es/http://campaigns.draeger.com/pulmovista500/es/#introduction

4. APLICACIONESEn enfermedades pulmonares, ¿qué se necesita?Programa de investigación experimental y clínica

Tomando como hipótesis:IET selectiva (tratamiento de la atelectasia).Respuesta rápida (guiar la atención).Advertencias (calidad y seguridad)Diagnóstico clínico relevante para economías en transición (guiar la configuración del ventilador)

Programa de desarrollo tecnológicoOrientado hacia:Mejorar el hardwareElaborar electrodos para disminuir márgenes de errorDiseñar algoritmos para reconstrucciónDiseñar software amigable para fácil interacciónRealizar imágenes consistentes y de utilidad clínica

4. APLICACIONES

La tecnología no es interesante por sí misma, o porque se pueden hacer imágenes bonitas. El nuevo instrumento debe ser justificado por la forma como ayuda al equipo clínico para tomar mejores decisiones en el tratamiento de sus pacientes. La información del TIE debe ser oportuna, fácil de entender, confiable, y llevar a un diagnóstico clínicamente significativo. El equipo debe estar disponible, ser robusto y justificar sus costos directos e indirectos, para mejorar en una atención más rápida y por lo tanto menos costosa.

5. VENTAJAS Y DESVENTAJASVentajas:Diagnóstico no invasivo, seguro y de menor impacto para el bienestar del paciente

Desventajas:Las técnicas de adquisición (datos fiables)Electrodos sin suficiente seguridad y con ruidoMétodos para reconstrucción de la imagen

6. BIBLIOGRAFÍATushar Kanti Bera, y J. Nagaraju. Studying the resistivity imaging of chicken tissue phantoms with different current patterns in Electrical Impedance Tomography (EIT). Department of Instrumentation and Applied Physics, Indian Institute of Science, Bangalore, India. 2012. En: Measurement 45 (2012) 663–682.

Gehre Matthias, Kluth Tobias, Lipponen Antti, Jin Bangti, Seppänenb Aku, Kaipio Jari P., y Peter Maass. Sparsity reconstruction in electrical impedance tomography: An experimental evaluation. 2012. En: Journal of Computational and Applied Mathematics 236 (2012) 2126–2136

Fan W.R. y H.X. Wang. Maximum entropy regularization method for electrical impedance tomography combined with a normalized sensitivity map. School of Electrical Engineering & Automation, Tianjin University, Tianjin, China. 2010. En: FlowMeasurement and Instrumentation 21 (2010) 277-283

Tao Sun, Soichiro Tsuda, Klaus-Peter Zauner, Hywel Morgan. On-chip electrical impedance tomography for imaging biological cells. Nano Research Group, School of Electronics and Computer Science, University of Southampton, United Kingdom. 2010. En: Biosensors and Bioelectronics 25 (2010) 1109–1115.