Электр кедергісі томографиясы: дененің ішкі құрылымын зерттеудің жаңа әдісі

Кіріспе

Медициналық бейнелеудің инвазивті емес түрі

Электрлік импеданстық томография (ЭИТ) – дененің бір бөлігінің электр өткізгіштігі, диэлектрлік тұрақтылығы және импедансының беткі электродтардан алынған өлшемдер арқылы анықталып, осы бөліктің томографиялық бейнесін құру үшін қолданылатын медициналық бейнелеудің инвазивті емес түрі. Электр өткізгіштігі әртүрлі биологиялық тіндер арасында айқын өзгешеліктерді көрсетеді (абсолютті ЭИТ) немесе тіндер ішіндегі сұйықтықтар мен газдардың қозғалысын (дифференциалды ЭИТ) көрсетеді. Көптеген ЭИТ жүйелері бір жиілікте шағын ауыспалы токтарды қолданады, бірақ кейбір ЭИТ жүйелері бір орган ішіндегі қалыпты және күдікті патологиялық тіндерді жақсырақ ажырату үшін бірнеше жиілікті пайдаланады (көп жиілікті ЭИТ немесе электр импеданстық спектроскопия). Әдетте, тексерілетін дене бөлігінің айналасындағы теріге өткізгіш беткі электродтар бекітіледі. Кішкентай ауыспалы токтар кейбір немесе барлық электродтарға қолданылады, нәтижедегі эквипотенциалдар басқа электродтардан тіркеледі (1- және 2-суреттер). Бұл процесс көптеген әртүрлі электродтар конфигурациялары үшін қайталанады және ақырында бейнелерді қайта құру алгоритмдеріне сәйкес екі өлшемді томограмманы құрайды. Тін мен сұйықтықтың өткізгіштігі бос иондардың мөлшерімен анықталатындықтан, бұлшықет және қан май, сүйек немесе өкпе тініне қарағанда қолданылған токтарды жақсы өткізеді. Дегенмен, компьютерлік томографияда қолданылатын түзу сызықты рентген сәулелерінен айырмашылығы, электр тогы өзінің өткізгіштігіне пропорционал (яғни ең аз кедергісі бар жолмен, бірақ ғана емес) барлық бағыттармен үш өлшемді түрде жүреді. Бұл электр тогының бір бөлігі көлденең жазықтықтан шығып, импеданс ауысуына себеп болады. Осы және басқа факторлар абсолютті ЭИТ-те бейнелерді қайта құрудың қиын болуын анықтайды, себебі үш өлшемді кеңістіктің бейнесін екі өлшемді жазықтыққа проекциялау үшін көбінесе бір ғана шешім болмайды. Математикалық тұрғыдан алғанда, ток пен потенциалдың өлшемдерінен өткізгіштікті анықтау мәселесі – бұл сызықты емес кері мәселе және нашар шешілген мәселе болып табылады. Мәселенің математикалық тұжырымы Альберто Кальдеронға тиесілі, ал кері мәселелердің математикалық әдебиетінде ол көбінесе «Кальдеронның кері мәселесі» немесе «Кальдерон мәселесі» деп аталады. Бұл мәселенің шешімінің бірегейлігі және сандық алгоритмдерге қатысты мәселелер бойынша кең ауқымды математикалық зерттеулер жүргізілді. Адамның кеуде қуысының көптеген басқа жұмсақ тіндерімен салыстырғанда, өкпе тінінің өткізгіштігі шамамен бес есе төмен, бұл жоғары абсолютті контрастқа әкеледі. Бұл ерекшелік ЭИТ өкпе бейнелеу саласындағы зерттеулердің көп болуын ішінара түсіндіруі мүмкін. EIT-тің басқа да ұсынылған қолданыстары: тері, сүт безі немесе жатыр мойнындағы қатерлі ісікті анықтау/орналастыру, эпилепсия ошақтарын анықтау, ми қызметін бейнелеу, сондай-ақ асқазанның босауы бұзылғанда диагностикалық құрал ретінде қолдану. Қалыпты тіндердегі тіндік патологияны анықтау немесе орналастыру әрекеттері көбінесе көп жиілікті ЭИТ (МФ ЭИТ) немесе электр импеданстық спектроскопиясы (ЭИС) негізінде жүзеге асырылады және әртүрлі жиіліктердегі өткізгіштік үлгілерінің айырмашылықтарына сүйенеді.

Electrical impedance tomography (EIT) is a noninvasive type of medical imaging in which the electrical conductivity, permittivity, and impedance of a part of the body is inferred from surface electrode measurements and used to form a tomographic image of that part. Electrical conductivity varies considerably among various biological tissues (absolute EIT) or the movement of fluids and gases within tissues (difference EIT). The majority of EIT systems apply small alternating currents at a single frequency, however, some EIT systems use multiple frequencies to better differentiate between normal and suspected abnormal tissue within the same organ (multifrequency EIT or electrical impedance spectroscopy). Typically, conducting surface electrodes are attached to the skin around the body part being examined. Small alternating currents will be applied to some or all of the electrodes, the resulting equi potentials being recorded from the other electrodes (figures 1 and 2). This process will then be repeated for numerous different electrode configurations and finally result in a two dimensional tomogram according to the image reconstruction algorithms incorporated. Since free ion content determines tissue and fluid conductivity, muscle and blood will conduct the applied currents better than fat, bone or lung tissue. However, in contrast to linear x rays used in Computed Tomography, electric currents travel three dimensionally along all the paths simultaneously, weighted by their conductivity (thus primarily along the path of least resistivity, but not exclusively). This means, that a part of the electric current leaves the transverse plane and results in an impedance transfer. This and other factors are the reason why image reconstruction in absolute EIT is so hard, since there is usually more than just one solution for image reconstruction of a three dimensional area projected onto a two dimensional plane. Mathematically, the problem of recovering conductivity from surface measurements of current and potential is a non linear inverse problem and is severely ill posed. The mathematical formulation of the problem is due to Alberto Calderón, and in the mathematical literature of inverse problems it is often referred to as "Calderón's inverse problem" or the "Calderón problem". There is extensive mathematical research on the problem of uniqueness of solution and numerical algorithms for this problem. Compared to the tissue conductivities of most other soft tissues within the human thorax, lung tissue conductivity is approximately five fold lower, resulting in high absolute contrast. This characteristic may partially explain the amount of research conducted in EIT lung imaging. Further EIT applications proposed include detection/location of cancer in skin, breast, or cervix, localization of epileptic foci, imaging of brain activity. as well as a diagnostic tool for impaired gastric emptying. Attempts to detect or localize tissue pathology within normal tissue usually rely on multifrequency EIT (MF EIT), also termed Electrical Impedance Spectroscopy (EIS) and are based on differences in conductance patterns at varying frequencies.

Тарих

Медициналық бейнелеу техникасы ретінде EIT-нің пайда болуы әдетте Джон Г. Вебстерге және 1978 жылғы жарияланымға байланысты, бірақ медициналық EIT жүйесінің алғашқы практикалық іске асырылуы Дэвид С. Барбер мен Брайан Х. Браунның жұмысының арқасында 1984 жылы толық сипатталды. Браун мен Барбер 1983 жылы абсолютті EIT арқылы адамның алқанының қимасын бейнелеген алғашқы Электрлік Импеданс Томограммасын жариялады. Осы уақыт аралығында маңызды прогресс болғанына қарамастан, EIT қолданылымдарының көп бөлігі әлі де тәжірибелік деп есептеледі. Орнату және реконструкциялау техникалары EIT-мен салыстырады. Геофизикада бұл идея 1930 жылдарға дейін жетеді. Электрлік кедергі томографиясы электрондық қолданыстар үшін субстраттар мен жұқа пленкалардың электрлік қасиеттерін картографиялау үшін де ұсынылған.

Теория

Электр өткізгіштігі және диэлектрлік тұрақтылығы биологиялық тіндердің түрлеріне қарай өзгереді және олардың бос иондардың мөлшеріне байланысты. Ток өзі ток көздерін пайдалану арқылы қолданылады, бір ток көзі мультиплексор арқылы электродтар арасында ауыстырылады немесе әр электрод үшін кернеуді токқа түрлендіргіштер жүйесі, олардың әрқайсысы цифрлық-аналогтық түрлендіргішпен басқарылады. Өлшемдер қайтадан электродтар арқылы бір кернеу өлшеу тізбегі арқылы немесе әр электрод үшін жеке тізбек арқылы жүргізілуі мүмкін. Бұрынғы EIT жүйелері аналогтық-цифрлық түрлендіргішке жібермес бұрын айнымалы кернеуді тұрақты ток деңгейіне түрлендіру үшін аналогтық демодуляция тізбегін қолданды. Жаңа жүйелер цифрлық демодуляцияны орындамас бұрын ауыспалы сигналды тікелей түрлендіреді. Көрсеткіштерге байланысты, кейбір EIT жүйелері бірнеше жиілікте жұмыс істей алады және кернеудің шамасын да, фазасын да өлшей алады. Өлшенген кернеулер бейнелерді қайта құру және көрсету үшін компьютерге жіберіледі. Ток (немесе кернеу) үлгілерін таңдау сигнал мен шу арақатынасына елеулі әсер етеді. Барлық электродтардан бір мезгілде ток беруге қабілетті құрылғылармен (мысалы, ACT3) оңтайлы ток үлгілерін бейімдеп анықтау мүмкін. Егер бейнелерді нақты уақытта көрсету қажет болса, кең таралған тәсіл – алдыңғы проблеманың сызықтық жақындауының реттелген керісін қолдану. Медициналық ортада қолданылатын көптеген жүйелер «айырмашылық бейнесін» жасайды, яғни екі уақыт нүктесі арасындағы кернеудің айырмасы реттелген керісімен көбейтіліп, диэлектрлік тұрақтылық және өткізгіштік бейнелері арасындағы шамамен айырмашылықты есептейді. Тағы бір тәсіл – дененің шекті элементтер моделін құру және өлшенген деректерге сәйкес өткізгіштікті реттеу (мысалы, Левенберг-Марквард әдісінің түрін пайдалану). Бұл қиын, себебі ол дене пішінінің дәл болуын және электродтардың нақты орналасуын қажет етеді. Электрлік кедерістің негізгі жұмыстарының көп бөлігі 1980 жылдары Ренсселер политехникалық институтында басталды. Сондай-ақ, 1992 жылғы Glenfield Hospital Project жобасынан жарияланған жұмыстарды қараңыз (анықтамасы жоқ). Абсолютті EIT тәсілдері статикалық бейнелерді, яғни дененің қызығушылық тудыратын бөлігіндегі анатомияның екі өлшемді бейнелерін цифрлық түрде қайта құруға бағытталған. Жоғарыда айтылғандай және компьютерлік томографиядағы сызықтық рентген сәулелерінен айырмашылығы, электр тогы ең аз кедергі жолымен үш өлшемді қозғалады (1-сурет), бұл қолданылатын электр тогының ішінара жоғалуына әкеледі (кедеріс беру, мысалы, көлденең жазықтық арқылы қан ағыны салдарынан). Бұл кері проблеманы және оның дұрыс еместігін шешетін күрделі математикалық алгоритмдердің қажеттілігін түсіндіреді. Абсолютті EIT-де қосымша қиындықтар электродтардың өткізгіштігіндегі жеке және ішкі айырмашылықтардан туындайды, бұл бейне бұрмалануына және артефакттарға әкеледі. Дененің қызығушылық тудыратын бөлігі сирек түзу болып келеді және жеке анатомияның әртүрлі болуын (мысалы, кеуде пішіні) ескеру маңызды, бұл жеке электродтардың арақашықтығына әсер етеді. Жас, бой және жынысқа сәйкес анатомиялық деректер артефакттар мен бейне бұрмалауға сезімталдықты азайтуға көмектеседі. Сигнал мен шу арақатынасын жақсарту, мысалы, белсенді беткі электродтарды пайдалану арқылы, бейнелеу қателіктерін азайтады. Активті электродтары бар соңғы EIT жүйелері электродтардың жұмысын қосымша арна арқылы бақылайды және оларды өлшеуден алып тастау арқылы терімен байланыстың жеткіліксіздігін өтеуге қабілетті. Электродтың терімен байланысу проблемасын шешудің тағы бір жолы – тікелей контактіні қажет етпейтін, кернеуді қоздыруды және сыйымдылықты жалғауды пайдаланатын контактісіз EIT әдісі. Сыйымдылықпен біріктірілген электродтар науқас үшін ыңғайлырақ, бірақ барлық электродтар үшін тұрақты және тең сыйымдылықты сақтау нақты өлшеулерде қиын. Уақыт айырмашылығы EIT осы мәселелердің көпшілігін бір адамдағы екі немесе одан да көп физиологиялық күй арасындағы сызықтық өткізгіштік өзгерістерін тіркеу арқылы айналып өтеді. Бұл тәсілдің жақсы мысалы – тыныс алу кезінде өкпе тіні, себебі дем алу мен сыртқы тыныс алу арасындағы өткізгіштік өзгерісі әрбір тыныс алу циклі кезіндегі оқшаулағыш ауаның мөлшеріне байланысты болады. Matlab / GNU Octave тілінде жазылған деректерді қайта құру және көрсету бағдарламалар жиынтығы GNU GPL лицензиясы бойынша қолжетімді. Сызықсыз EIT қайта құру үшін тура сызықсыз D бар әдісі Matlab кодында қолжетімді.
Open Innovation EIT Research Initiative электрлік кедерістің томографиясын (EIT) жалпы дамытуға және оның клиникалық қолданысын үдетуге бағытталған. Swisstom арқылы қолжетімді және нақты құнмен алынатын қосымша EIT аппараттық және бағдарламалық құралдары жиынтығы бар. Бұл жиынтықтан алынған шинақ деректерді қайта құру және өңдеу EIDORS арқылы ұсынылған бағдарламалық құралдармен шектеусіз жүргізілуі мүмкін.

Electrical conductivity and permittivity vary among biological tissue types and depend on their free ion content. The current itself is applied using current sources, either a single current source switched between electrodes using a multiplexer or a system of voltage to current converters, one for each electrode, each controlled by a digital to analog converter. The measurements again may be taken either by a single voltage measurement circuit multiplexed over the electrodes or a separate circuit for each electrode. Earlier EIT systems still used an analog demodulation circuit to convert the alternating voltage to a direct current level before running it through an analog to digital converter. Newer systems convert the alternating signal directly before performing digital demodulation. Depending on indication, some EIT systems are capable of working at multiple frequencies and measuring both magnitude and phase of the voltage. Voltages measured are passed on to a computer to perform image reconstruction and display. The choice of current (or voltage) patterns affects the signal to noise ratio significantly. With devices capable of feeding currents from all electrodes simultaneously (such as ACT3) it is possible to adaptively determine optimal current patterns. If images are to be displayed in real time a typical approach is the application of some form of regularized inverse of a linearization of the forward problem Most practical systems used in the medical environment generate a 'difference image', i. e. differences in voltage between two time points are left multiplied by the regularized inverse to calculate an approximate difference between permittivity and conductivity images. Another approach is to construct a finite element model of the body and adjust the conductivities (for example using a variant of Levenburg–Marquart method) to fit the measured data. This is more challenging as it requires an accurate body shape and the exact position of the electrodes. Much of the fundamental work underpinning Electrical Impedance was done at Rensselaer Polytechnic Institute starting in the 1980s. See also the work published in 1992 from the Glenfield Hospital Project (reference missing). Absolute EIT approaches are targeted at digital reconstruction of static images, i. e. two dimensional representations of the anatomy within the body part of interest. As mentioned above and unlike linear x rays in Computed Tomography, electric currents travel three dimensionally along the path of least resistivity (figure 1), which results in partial loss of the electric current applied (impedance transfer, e. g. due to blood flow through the transverse plane). This explains the necessity of highly sophisticated mathematical algorithms that will address the inverse problem and its ill posedness. Further difficulties in absolute EIT arise from inter and intra individual differences of electrode conductivity with associated image distortion and artifacts. It is also important to bear in mind that the body part of interest is rarely precisely rotund and that inter individual anatomy varies, e. g. thorax shape, affecting individual electrode spacing. A priori data accounting for age , height and gender typical anatomy can reduce sensitivity to artifacts and image distortion. Improving the signal to noise ratio, e. g. by using active surface electrodes, further reduces imaging errors. Some of the latest EIT systems with active electrodes monitor electrode performance through an extra channel and are able to compensate for insufficient skin contact by removing them from the measurements. Another potential solution to problem with electrode skin contact is contactless EIT technique which uses voltage excitation and capacitive coupling instead of direct contact with the skin. Capacitively coupled electrodes are more comfortable for the patient but maintaining a constant and equal coupling capacitance for all electrodes is challenging in real measurements. Time difference EIT bypasses most of these issues by recording measurements in the same individual between two or more physiological states associated with linear conductivity changes. One of the best examples for this approach is lung tissue during breathing due to linear conductivity changes between inspiration and expiration which are caused by varying contents of insulating air during each breath cycle. provides a suite of programs (written in Matlab / GNU Octave) for data reconstruction and display under the GNU GPL license. The direct nonlinear D bar method for nonlinear EIT reconstruction is available in Matlab code at
The Open Innovation EIT Research Initiative is aimed at advancing the development of electrical impedance tomography (EIT) in general and to ultimately accelerate its clinical adoption. A plug and play EIT hardware and software package is available through Swisstom and can be acquired at net cost price. Image reconstruction and processing of raw data obtained with this set can be carried out without any limitations by the software tools provided through EIDORS.

Қасиеттері

EIT, көптеген басқа томографиялық бейнелеу әдістерінен өзгеше, ешқандай иондаушы сәулелену қолданбайды. EIT-де қолданылатын тоқтар әдетте өте аз болады және олардың жүйкелерді ынталандыруға әкелу шегінен төмен. Айнымалы тоқтың жиілігі денеде электролиттік эффектілерді тудырмайды, ал таратылған Омдық қуат денеде оңай таралып, дененің терморегуляциялық жүйесімен оңай басқарылады. Бұл қасиеттер EIT-ні адамдарда үздіксіз қолдануға мүмкіндік береді, мысалы, жансақтау бөлімінде (ЖСБ) механикалық желдету кезінде. EIT-ні жүргізуге қажетті жабдықтар дәстүрлі томографияға қарағанда әлдеқайда кішкентай және арзан болғандықтан, EIT өкпе желдетуін жанындағы ортада нақты уақыт режимінде көруге мүмкіндік береді. EIT-нің дәстүрлі томографияға қарағандағы басты кемшілігі – оның төменгі максималды кеңістіктік ажыратымдылығы (EIT-де электродтар тізбегінің диаметріне қарағанда шамамен 15%, ал КТ және МРТ-да 1 мм). Дегенмен, 16 электродтың орнына 32 электродты пайдалану арқылы ажыратымдылықты жақсартуға болады. Уақыт айырмасы EIT өкпе көлемінің тәуелді және тәуелсіз өкпе аймақтары арасындағы таралуындағы өзгерістерді анықтай алады және ауыр науқастарда немесе анестезия кезінде өкпені қорғау үшін желдеткіштің параметрлерін реттеуге көмектеседі. EIT зерттеулерінің көп бөлігі уақыт айырмасы EIT (td EIT) арқылы анықталған ақпаратты пайдаланып, өкпенің аймақтық функциясын бақылауға бағытталған. Бірақ абсолютті EIT (a EIT) өкпе бейнелеу үшін клиникалық тұрғыдан пайдалы құралға айналу әлеуетіне ие, себебі бұл тәсіл төмен кедергілі аймақтардағы (мысалы, гемоторакс, плевралық эффузия, ателектаз, өкпе ісігі) және жоғары кедергілі аймақтардағы (мысалы, пневмоторакс, эмфизема) өкпе жағдайларын тікелей ажырата алады. Суретте 10 күндік сәбидің кеудесіне 16 жабысқақ электродтар қойылған күйде қалыпты тыныс алып жатқандағы EIT зерттеуі көрсетілген. Абсолютті кедергі өлшемдерінен алынған бейнені қайта құру үшін дененің нақты өлшемдері мен пішінін, сондай-ақ электродтардың дәл орналасқан жерін ескеру қажет, себебі шамамен есептеулер үлкен бейне құбылыстарына әкелуі мүмкін. EIT-нің ЖСБ-да қолданылуынан басқа, өздігінен тыныс алатын науқастармен жасалған алғашқы зерттеулер одан әрі перспективалы қолдануларды көрсетеді. EIT-нің жоғары уақыт ажыратымдылығы өкпе функциясын тексеруде қолданылатын ортақ динамикалық параметрлерді (мысалы, 1 секунд ішіндегі мәжбүрлі экспираторлық көлем) аймақтық бағалауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, функционалдық EIT деректерін морфологиялық науқас деректерімен (мысалы, КТ немесе МРТ суреттері) біріктіретін арнайы әзірленген бейне біріктіру әдістері өкпенің патофизиологиясын толық түсіну үшін қолданылуы мүмкін, бұл кедергілі өкпе аурулары бар науқастар үшін пайдалы болуы мүмкін (мысалы, ХОББ, КФ). Өкпе EIT зерттеулерінің көп жылдық тарихынан кейін, алдын ала EIT жабдықтарымен немесе өте аз санда өндірілген сериялық үлгілермен, өкпе EIT үшін үш коммерциялық жүйе медициналық технология нарығына енді: Timpel Medical ENLIGHT 2100, Dräger's PulmoVista® 500 және Swisstom AG Swisstom BB2. Бұл үлгілер қазіргі уақытта ЖСБ-да орнатылуда және жедел тыныс алу синдромымен (ЖТС) ауыратын науқастарды емдеуге байланысты шешім қабылдау процесінде көмекші құрал ретінде қолданылуда. ЖСБ-да коммерциялық EIT жүйелерінің кеңінен қолданылуы жануарлар үлгілерінен алынған үміттердің адамдарға да қатысатынын көрсетеді (EIT басшылығымен өкпелерді кеңейту, ПЭЭП деңгейін оңтайландыру, пневмотораксты анықтау, желдеткішпен байланысты өкпе зақымдануын (VALI) алдын алу және т.б.). Бұл өте қажет, себебі соңғы зерттеулер көрсеткендей, ЖСБ-да механикалық желдеткішпен емделетін науқастардың 15%-ында жедел өкпе зақымдануы (ЖӨЗ) дамуы мүмкін, бұл 39% жоғары өлім-жітіммен байланысты. Жақында ғана EIT басшылығымен жүргізілген механикалық желдеткіш пен нәтижелерге қатысты алғашқы перспективалық жануарлар сынағы тыныс алу механизміне, газ алмасуына және желдеткішпен байланысты өкпе зақымдануының гистологиялық белгілеріне қатысты маңызды пайдаларға қол жеткізе алатынын көрсетті. Көрнекі ақпараттан басқа (мысалы, тасқын көлемінің аймақтық таралуы), EIT өлшемдері басқа пайдалы ақпаратты есептеу үшін пайдаланылатын шикі дерек жиынтығын ұсынады (мысалы, ауыр науқаста интраторакальдық газ көлемінің өзгеруі), бірақ мұндай параметрлерді мұқият бағалау және тексеру қажет. Бұл технология әлі де бастапқы сатысында. Жаңалық – аймақтық қан ағыны мен аймақтық желдетуді бірдей бейнелеуге мүмкіндік беру болар еді, бұл клиниктерге өкпе желдетуі мен перфузиясының аймақтық сәйкессіздігінен туындаған физиологиялық шайқауларды анықтауға және оларға ден қоюға мүмкіндік береді, бұл гипоксемиямен байланысты.

In contrast to most other tomographic imaging techniques, EIT does not apply any kind of ionizing radiation. Currents typically applied in EIT are relatively small and certainly below the threshold at which they would cause significant nerve stimulation. The frequency of the alternating current is sufficiently high not to give rise to electrolytic effects in the body and the Ohmic power dissipated is sufficiently small and diffused over the body to be easily handled by the body's thermoregulatory system. These properties qualify EIT to be continuously applied in humans, e. g. during mechanical ventilation in an intensive care unit (ICU). Because the equipment needed in order to perform EIT is much smaller and less costly than in conventional tomography, EIT qualifies for continuous real time visualization of lung ventilation right at the bedside. EIT's major disadvantage versus conventional tomography is its lower maximum spatial resolution (approximately 15% of electrode array diameter in EIT compared to 1 mm in CT and MRI). However, resolution can be improved using 32 instead of 16 electrodes. Time difference EIT can resolve the changes in the distribution of lung volumes between dependent and non dependent lung regions and assist in adjusting ventilator settings to provide lung protective ventilation to patients during critical illness or anesthesia. Most EIT studies have focused on monitoring regional lung function using the information determined by time difference EIT (td EIT). However absolute EIT (a EIT) also has the potential to become a clinically useful tool for lung imaging, as this approach would allow one to directly distinguish between lung conditions which result from regions with lower resistivity (e. g. hemothorax, pleural effusion, atelectasis, lung edema) and those with higher resistivity (e. g. pneumothorax, emphysema). The above image shows an EIT study of a 10 day old baby breathing normally with 16 adhesive electrodes applied to the chest. Image reconstruction from absolute impedance measurements requires consideration of the exact dimensions and shape of a body as well as the precise electrode location since simplified assumptions would lead to major reconstruction artifacts. Besides the applicability of EIT in the ICU, first studies with spontaneously breathing patients reveal further promising applications. The high temporal resolution of EIT allows regional assessment of common dynamic parameters used in pulmonary function testing (e. g. forced expiratory volume in 1 second). Additionally, specially developed image fusion methods overlaying functional EIT data with morphological patient data (e. g. CT or MRI images) may be used to get a comprehensive insight into the pathophysiology of the lungs, which might be useful for patients with obstructive lung diseases (e. g. COPD, CF). After many years of lung EIT research with provisional EIT equipment or series models manufactured in very small numbers, three commercial systems for lung EIT have entered in the medical technology market: Timpel Medical ENLIGHT 2100, Dräger's PulmoVista® 500 and Swisstom AG's Swisstom BB2. The models are currently being installed in intensive care units and are already used as aides in decision making processes related to the treatment of patients with acute respiratory distress syndrome (ARDS). The increasing availability of commercial EIT systems in ICUs will show whether the promising body of evidence obtained from animal models will apply to humans as well (EIT guided lung recruitment, selection of optimum PEEP levels, pneumothorax detection, prevention of ventilator associated lung injury (VALI), etc.). This would be highly desirable, given that recent studies suggest that 15% of mechanically ventilated patients in the ICU will develop acute lung injury (ALI) with attendant progressive lung collapse and which is associated with a reportedly high mortality of 39%. Just recently, the first prospective animal trial on EIT guided mechanical ventilation and outcome could demonstrate significant benefits in regard to respiratory mechanics, gas exchange, and histological signs of ventilator associated lung injury. In addition to visual information (e. g. regional distribution of tidal volume), EIT measurements provide raw data sets that can be used to calculate other helpful information (e. g. changes of intrathoracal gas volume during critical illness) – however, such parameters still require careful evaluation and validation. this technology is still at its beginnings. A breakthrough would allow simultaneous visualization of both regional blood flow and regional ventilation – enabling clinicians to locate and react upon physiological shunts caused by regional mismatches of lung ventilation and perfusion with associated hypoxemia.

Жатыр мойын (MF-EIT)

Шеффилдте алғашқы EIT жүйелерін әзірлеудегі пионерлік рөлінен өзге, жатыр мойнының МФ EIT-і Пап-тестке қосымша ретінде немесе оның орнына енгізіле ме, әлі шешілген жоқ. Браун – спектроскопты (ZedScan I) тарататын Zilico Limited компаниясының ғылыми негізін қалаушы. Бұл құрылғы 2013 жылы ЕО сертификатын алды және қазір Ұлыбританиядағы бірнеше клиникаларда және әлемдік денсаулық сақтау жүйелерінде пайдалануға енгізілуде.

Ми (a-EIT, td-EIT, mf-EIT)

ЭИТ миды бейнелеудің негізі ретінде ұсынылды, бұл церебральды ишемияны, қан кетуді және нейрондық жасушалардың ісігіне байланысты импиданстың өзгеруімен байланысты басқа морфологиялық патологияларды, яғни церебральды гипоксия мен гипогликемияны анықтауға және бақылауға мүмкіндік береді. ЭИТ-тің электродтар массивінің диаметріне шамамен 15% дейінгі ең жоғары кеңістіктік ажыратымдылығы мидың КТ немесе МРТ ажыратымдылығынан (бір миллиметр шамасында) айтарлықтай төмен болғанымен, ЭИТ-тің уақытша ажыратымдылығы КТ немесе МРТ-ге қарағанда әлдеқайда жоғары (0,1 миллисекунд КТ/МРТ-дегі 0,1 секундқа қарағанда). Осы жағдай үшін осы техниканы қолдану мүмкіндігі жақсартылған сигналды өңдеуге немесе жазуға байланысты болады. Бұл тәсілдің негізі – қан тамырларының толтырылуындағы айырмашылықтарға байланысты систола мен диастола кезіндегі тіндердің пульсациялық импидансының өзгеруі, әсіресе тұзды суды контрасттық зат ретінде енгізгенде. Олар 16 электродтан тұратын Шеффилд Mark 3.5 жүйесін таратады. Осыған ұқсас жүйелер – Германияның Геттинген университетінде әзірленген және CareFusion (16 электрод) арқылы таратылатын Goe MF II жүйесі, сондай-ақ Сан-Паулу университетінің Медицина мектебінде және Сан-Паулу университетінің Политехникалық институтында әзірленген Enlight 1800 (Ересектерге арналған белбеуді қайта пайдалануға болады, 32 электрод; Педотриялық белбеуді қайта пайдалануға болады, 24 электрод; Жаңа туған нәрестеге арналған белбеуді бір рет пайдалануға болады, 16 электрод) Timpel SA таратады. Timpel Medical енді ENLIGHT 2100 екінші буынын шығарды және ол АҚШ-та сатылатын FDA бекіткен жалғыз электрлік импиданстық томография құрылғысы болып табылады. Бұл жүйелер әдетте медициналық қауіпсіздік заңнамасына сәйкес келеді және ауруханалардағы клиникалық зерттеу топтарында, көбінесе жансақтау бөлімдерінде қолданылады. Дрейгер Medical 2011 жылы өкпе функциясын бақылауға арналған алғашқы EIT құрылғысын ұсынды – PulmoVista® 500 (16 электродты жүйе). Жансақтау бөлімінде өкпе функциясын бақылауға арналған тағы бір коммерциялық EIT жүйесі 32 белсенді электродқа негізделген және алғаш рет 2013 жылғы ESICM жылдық конгресінде ұсынылды – Swisstom BB2. Содан бері Swisstom AG компаниясының Swisstom BB2 2014 жылғы Интенсивті күтім және жедел медицина симпозиумында (ISICEM) нарыққа шығарылды және Swisstom мен Maquet арасындағы серіктестік арқылы Батыс Еуропада таратылатын болады.

EIT has been suggested as a basis for brain imaging to enable detection and monitoring of cerebral ischemia, haemorrhage, and other morphological pathologies associated with impedance changes due to neuronal cell swelling, i. e. cerebral hypoxemia and hypoglycemia. While EIT's maximum spatial resolution of approximately 15% of the electrode array diameter is significantly lower than that of cerebral CT or MRI (about one millimeter), temporal resolution of EIT is much higher than in CT or MRI (0.1 milliseconds compared to 0.1 seconds). The prospects of using this technique for this indication will depend upon improved signal processing or recording. Background of this approach is that pulsatile tissue impedance changes according to differences in the filling of blood vessels between systole and diastole, particularly when injecting saline as contrasting agent. who distribute the Sheffield Mark 3.5 system with 16 electrodes. Similar systems are the Goe MF II system developed by the University of Göttingen, Germany and distributed through CareFusion (16 electrodes) as well as the Enlight 1800 developed at the University of São Paulo School of Medicine and the Polytechnic Institute of the University of São Paulo, Brazil which is distributed by Timpel SA (Adult Belt Reusable 32 electrodes; Pediatric Belt Reusable 24 electrodes; Neonatal Belt Disposable 16 electrodes). Timpel Medical has now released their second generation ENLIGHT 2100 and is the only FDA cleared electrical impedance tomography device commercially available in the United States. These systems typically comply with medical safety legislation and have been primarily employed by clinical research groups in hospitals, most of them in critical care. The first EIT device for lung function monitoring designed for everyday clinical use in the critical care environment has been made available by Dräger Medical in 2011 – the PulmoVista® 500 (16 electrode system). Another commercial EIT system designed for monitoring lung function in the ICU setting is based on 32 active electrodes and was first presented at 2013's annual ESICM congress – the Swisstom BB2. In the meantime, Swisstom AG's Swisstom’s BB2 has been released to the market at 2014's International Symposium on Intensive Care and Emergency Medicine (ISICEM) and will be distributed in Western Europe through a partnership between Swisstom and Maquet.

Timpel Medical компаниясының

2002-2008 жылдар аралығында Марсело Аматоның жетекшілігімен жасанды желдетудің жаңа стратегиялары зерттеу жобасы арқылы әзірленді. Бұл жаңа желдету стратегиялары желдетуді нақты уақыт режимінде визуализациялауға және емделуді науқас жанында жекешелендіруге мүмкіндік беретін инновациялар қажеттігін күшейтті. Осы мақсатпен 2004 жылы Timpel құрылды. Сол жылы доктор Амато және оның командасы танымал ATS журналында, яғни «Американдық тыныс алу және жедел жәрдем медицинасы журналында» («Көк журнал») «Аймақтық өкпе желдетудегі тепе-теңсіздіктер: Электрлік импеданстық томографияны растау туралы зерттеу» мақаласын жариялады. Бұл – тек қана бастауы ғана еді. Аматоның зерттеу тобы 2004 жылдан 2023 жылға дейін EIT туралы 30-дан астам мақала жариялады. Бұл зерттеулер қазіргі күні EIT арқылы қол жетімді көптеген құралдардың пайда болуына үлес қосты. EIT-ке деген үлкен қызығушылық пен технологияның науқас жанындағы құндылығының арқасында 2022 жылға дейін әлемдегі зерттеушілер 250-ден астам рецензияланған басылымдармен ғылыми дәлелдер базасын толықтырды. Timpel атауы технологияның атын кері жазу арқылы алынған (Электрлік Импеданстық Томографиясы). El – электрлік; Imp – импеданс; T – томография. Timpel-дің мақсаты – EIT-ді өкпені қорғау стратегияларына бағалы қосымша құрал ретінде пайдалану, соның арқасында ауыр сырқаттармен күресудің жаңа әдістерін әзірлеу. Timpel-дің ENLIGHT электрлік импеданстық томографиялық құрылғысының арқасында әрбір науқасқа жеке көмек көрсетіледі, ол науқастың өкпе ауруына байланысты болады. ENLIGHT клиникалық дәрігерлерге желдету ауруының профилін нақты уақытта, науқас жанында, қосымша тасымалдау тәуекелсіз көруге мүмкіндік береді.

МФ-ЕИТ

Көп жиілікті EIT (MF EIT) немесе электр импедансы спектроскопиясы (EIS) жүйелері әдетте аномальды тіндерді, мысалы, қатерлі ісік алды зақымдануларды немесе қатерлі ісікті анықтау немесе орналастыру үшін жасалған. Impedance Medical Technologies компаниясы Ресей Ғылым академиясының Радиоинженерлік және Электроника ғылыми-зерттеу институтының жобалары бойынша жүйелер шығарады, олар әсіресе сүт безі қатерлі ісігін анықтауға бағытталған. Техас штатындағы Mirabel Medical Systems, Inc. компаниясы сүт безі қатерлі ісігін инвазивті емес әдіспен анықтау үшін ұқсас шешім әзірлейді және T Scan 2000ED ұсынады. Zilico Limited компаниясы ZedScan I деп аталатын электрлік импеданстық спектроскопты жатыр мойнының ішкі эпителиялық неоплазиясын анықтау/диагностикалауға көмектесетін медициналық құрылғы ретінде таратады. Бұл – жоғары өнімділік құрылғы, кернеуді өлшеу техникасына негізделген және процесті басқаруды жақсарту үшін жасалған. v5r-дің жоғары кадр жылдамдығы (секундына 650-ден астам кадр) оны жылдам дамып жатқан процестерді немесе динамикалық ағын жағдайларын бақылау үшін пайдалануға мүмкіндік береді. Ол ұсынатын деректерді күрделі көп фазалы процестердің ағыс профилін анықтау үшін қолдануға болады, бұл инженерлерге ламинарлық ағысты, тоқтау ағысты және процесті жақсарту және тереңірек түсіну үшін маңызды басқа ағын жағдайларын ажыратуға мүмкіндік береді. Концентрацияны өлшеу үшін қолданылғанда, фазалық қатынастардың кең диапазонында толық импедансты өлшеу мүмкіндігі v5r-ді басқа құрылғылармен салыстырғанда өткізгіштіктің кең диапазонында жоғары дәлдікпен өлшеуге мүмкіндік береді.