Electrical Impedance Tomography (EIT): The Establishment of a Dual Current Stimulation EIT System for Improved Image Quality

Electrical Impedance Tomography (EIT) is a noninvasive imaging technique that reproduces images of cross-sections, based on the internal impedance distribution of an object. This Dissertation investigates and confirms the use of a dual current stimulation EIT (DCS EIT) system. The results of this investigation presented a size error of 2.82 % and a position error of 5.93 % in the reconstructed images, when compared to the actual size and position of the anomaly inside a test object. These results confirmed that the DCS EIT system produced images of superior quality (fewer image reconstruction errors) to those produced from reviewed single plane stimulating EIT systems, which confirmed the research hypothesis. This system incorporates two independent current stimulating patterns, which establishes a more even distribution of current in the test object, compared to single plane systems, and is more efficient than 2.5D EIT systems because the DCS EIT system only measures boundary voltages in the center plane, compared to 2.5D EIT systems that measure the boundary voltages in all electrode planes. The system uses 48 compound electrodes, divided into three electrode planes. Current is sourced and sunk perpendicularly in the center plane, to produce a high current density near the center of the test object. Sequentially, current is sourced through an electrode in the top electrode plane and sunk through an electrode in the bottom plane, directly below the source electrode, to produce a high current density near the boundary of the test object, in the center plane. During both injection cycles, boundary potentials are measured in the center plane. Following the measurement of a complete frame, a weighted average is computed from the single and cross plane measured data. The weighted measured voltages, injected currents and Finite Element Model of the object is used to reconstruct an image of the internal impedance distribution along a cross-section of the object. This method is applicable to the biomedical imaging and process monitoring fields

Tomographic inversion of time-domain resistivity and chargeability data for the investigation of landfills using a priori information

In this paper, we present a new code for the modelling and inversion of resistivity and chargeability data using a priori information to improve the accuracy of the reconstructed model for landfill. When a priori information is available in the study area, we can insert them by means of inequality constraints on the whole model or on a single layer or assigning weighting factors for enhancing anomalies elongated in the horizontal or vertical directions. However, when we have to face a multilayered scenario with numerous resistive to conductive transitions (the case of controlled landfills), the effective thickness of the layers can be biased. The presented code includes a model-tuning scheme, which is applied after the inversion of field data, where the inversion of the synthetic data is performed based on an initial guess, and the absolute difference between the field and synthetic inverted models is minimized. The reliability of the proposed approach has been supported in two real-world examples; we were able to identify an unauthorized landfill and to reconstruct the geometrical and physical layout of an old waste dump. The combined analysis of the resistivity and chargeability (normalised) models help us to remove ambiguity due to the presence of the waste mass. Nevertheless, the presence of certain layers can remain hidden without using a priori information, as demonstrated by a comparison of the constrained inversion with a standard inversion. The robustness of the above-cited method (using a priori information in combination with model tuning) has been validated with the cross-section from the construction plans, where the reconstructed model is in agreement with the original design

Electrical Resistance Tomography Applied to Slurry Flows

Electrical resistance tomography (ERT) is used to investigate a variety of slurry flow applications including pipe flow, mixing tanks, and thickener feed wells. Transparent liquids such as Carbopol polymer solutions and water are often used to allow for visualization of slurry flows, but ERT can provide data about solids behavior when the liquid phase is transparent or when it is opaque. The state of suspension of solids using ERT is often useful even when the technique is not a primary requirement of a test. The chapter introduces ERT from the point of view of a user in a research environment, but with flow scenarios relevant to industrial applications in mineral processing. Relevant literature concerning slurry flow applications of ERT is reviewed. The basic theory of ERT will be presented together with a discussion of the image reconstruction problem which is a topic of research activity in the slurry transport community. An overview of ERT applications in slurry pipe flow and mixing tanks will be presented. Examples of the application of ERT to pipe flow and tanks will be discussed in detail, including practical experiences with integrating ERT into slurry pipe and tank rigs

Numerical modelling of electrical stimulation for cartilage tissue engineering

In this thesis, the design and validity of numerical models of electrical stimulation for cartilage tissue engineering are critically assessed at different scales. In sum, the results of this thesis pave the way for experimentally validated numerical models of electrical stimulation devices for cartilage tissue engineering. Furthermore, models of tissue samples can be developed down to the cellular scale and will contribute to the development of patient-specific stimulation approaches

Transducer Arrays for 3D Ultrasound Computed Tomography

Die Ultraschall-Computertomographie (USCT) ist ein vielversprechendes medizinisches Bildgebungsverfahren zur Früherkennung von Brustkrebs. Am Karlsruher Institut für Technologie wird derzeit ein Gerät der dritten Generation (3D-USCT-III) für 3D-Aufnahmen entwickelt. Unter den kritischsten und technologisch anspruchsvollsten Komponenten dieses Geräts sind die Schallwandlerarrays. Diese müssen eine pseudozufällige Positionierung einzelner Wandler ermöglichen, hohe Bandbreiten, große Öffnungswinkel und eine isotrope Schallabstrahlung aufweisen sowie den Vorschriften für Medizinprodukte genügen. In dieser Arbeit wird die Realisierung neuer Schallwandlerarrays (TAS-III) für die 3D-USCT-Bildgebung umfassend vorgestellt. Dies beinhaltet die Definition von Anforderungen, Systemdesign, automatisierte Fertigung, Charakterisierung und Entwurfsoptimierung. Kernelement des TAS-III-Designs sind Scheiben aus piezoelektrischen Verbundwerkstoffen, die 18 in Polymer eingebettete, räumlich verteilte piezokeramische Fasern enthalten. Zusätzliche Scheiben zur akustischenAnpassung und Dämpfung werden auf beiden Seiten angebracht, um die Arrays zu finalisieren. Für die Herstellung der benötigten 256 TAS-III wurde ein teilautomatisierter Fertigungsprozess entwickelt. Quantitative Qualitätsprüfungen ergaben, dass mehr als 96% der produzierten Wandler voll funktionsfähig waren. Die Amplitude und der Phasenwinkel des akustischen Feldes von 54 Wandlern wurden gemessen und ausgewertet. Die meisten der definierten Anforderungen wurden erfüllt. Es wurde eine mittlere Mittenfrequenz von 2,6 MHz, mit einer fraktionellen Bandbreite von 134% bei -10 dB ermittelt. Die Bandbreite resultiert dabei aus zwei unterschiedlichen Schwingungsmoden. Messungen in 3D zeigten isotrope Abstrahlcharakteristiken mit einem mittleren Öffnungswinkel von 42,8°. Für die Analyse und Optimierung des Designs wurden verschiedene Modellierungsansätze entwickelt. Geringfügige Änderungen der Länge und des Durchmessers der piezoelektrischen Fasern sowie eine höhere laterale Dämpfung konnten die Leistung in gewissem Maße verbessern. Der Umfang weiterer möglicher Verbesserungen zeigte jedoch, dass das TAS-III Design nahe am erreichbaren Optimum liegt. Alternative Wandlertechnologien wurden untersucht, umdie grundsätzlichen Grenzen von Verbundwerkstoffen bestehend aus piezoelektrischen Fasern in Bezug auf Öffnungswinkel und Bandbreite zu überwinden. Der Ersatz der Fasern durch einkristalline piezoelektrische Materialien verspricht eine Erhöhung der Bandbreite um 35%, erfordert jedoch umfangreiche Anpassungen in den Herstellungsprozessen. Die Charakterisierung von mikromechanischen Ultraschallwandlern ergab eine signifikante Vergrößerung des Öffnungswinkels, aber geringere erzeugte Schalldrücke. Dennoch machen die Eigenschaften und die verfügbare Designfreiheit diese Schallwandlertechnologie sehr vielversprechend für zukünftige 3D-USCT- Generationen. Die entworfenen und realisierten TAS-III erwiesen sich als rundum geeignet für den vorgesehenen Einsatz und wurden in zwei 3D-USCT-III-Geräten integriert. Ausführliche klinische Tests werden in naher Zukunft durchgeführt, um die Sensitivität und Spezifität dieser neuartigen 3D-Ultraschallbildgebungsmethode zu bewerten

DICOM for EIT

With EIT starting to be used in routine clinical practice [1], it important that the clinically relevant information is portable between hospital data management systems. DICOM formats are widely used clinically and cover many imaging modalities, though not specifically EIT. We describe how existing DICOM specifications, can be repurposed as an interim solution, and basis from which a consensus EIT DICOM ‘Supplement’ (an extension to the standard) can be writte

Towards an Efficient Gas Exchange Monitoring with Electrical Impedance Tomography - Optimization and validation of methods to investigate and understand pulmonary blood flow with indicator dilution

In vielen Fällen sind bei Patienten, die unter stark gestörtem Gasaustausch der Lunge leiden, die regionale Lungenventilation und die Perfusion nicht aufeinander abgestimmt. Besonders bei Patienten mit akutem Lungenversagen sind sehr heterogene räumliche Verteilungen von Belüftung und Perfusion der Lunge zu beobachten. Diese Patienten müssen auf der Intensivstation künstlich beatmet und überwacht werden, um einen ausreichenden Gasaustausch sicherzustellen. Bei schweren Lungenverletzungen ist es schwierig, durch die Anwendung hoher Beatmungsdrücke und -volumina eine optimale Balance zwischen dem Rekrutieren kollabierter Regionen zu finden, und gleichzeitig die Lunge vor weiterem Schaden durch die von außen angelegten Drücke zu schützen. Das Interesse für eine bettseitige Messung und Darstellung der regionalen Belüftungs- und Perfusionsverteilung für den Einsatz auf der Intensivstation ist in den letzten Jahren stark gestiegen, um eine lungenprotektive Beatmung zu ermöglichen und klinische Diagnosen zu vereinfachen. Die Elektrische-Impedanztomographie (EIT) ist ein nicht-invasives, strahlungsfreies und sehr mobil einsetzbares System. Es bietet eine hohe zeitliche Abtastung und eine funktionelle räumliche Auflösung, die es ermöglicht, dynamische (patho-) physiologische Prozesse zu visualisieren und zu überwachen. Die medizinische Forschung an EIT hat sich dabei hauptsächlich auf die Schätzung der räumlichen Belüftung konzentriert. Kommerziell erhältliche Systeme haben gezeigt, dass die EIT eine wertvolle Entscheidungshilfe während der mechanischen Beatmung darstellt. Allerdings ist die Abschätzung der pulmonalen Perfusion mit EIT noch nicht etabliert. Dies könnte das fehlende Glied sein, um die Analyse des pulmonalen Gasaustauschs am Krankenbett zu ermöglichen. Obwohl einige Publikationen die prinzipielle Machbarkeit der indikatorgestützten EIT zur Schätzung der räumlichen Verteilung des pulmonalen Blutflusses gezeigt haben, müssen diese Methoden optimiert und durch Vergleich mit dem Goldstandard des Lungenperfusions-Monitorings validiert werden. Darüber hinaus ist weitere Forschung notwendig, um zu verstehen welche physiologischen Informationen der EIT-Perfusionsschätzung zugrunde liegen. Mit der vorliegenden Arbeit soll die Frage beantwortet werden, ob bei der klinischen Anwendung von EIT neben der regionalen Belüftung auch räumliche Informationen des pulmonalen Blutflusses geschätzt werden können, um damit potenziell den pulmonalen Gasaustausch am Krankenbett beurteilen zu können. Die räumliche Verteilung der Perfusion wurde durch Bolusinjektion einer leitfähigen Kochsalzlösung als Indikator geschätzt, um die Verteilung des Indikators während seines Durchgangs durch das Gefäßsystem der Lunge zu verfolgen. Verschiedene dynamische EIT-Rekonstruktionsmethoden und Perfusionsparameter Schätzmethoden wurden entwickelt und verglichen, um den pulmonalen Blutfluss robust beurteilen zu können. Die geschätzten regionalen EIT-Perfusionsverteilungen wurden gegen Goldstandard Messverfahren der Lungenperfusion validiert. Eine erste Validierung wurde anhand von Daten einer tierexperimentellen Studie durchgeführt, bei der die Multidetektor-Computertomographie als vergleichende Lungenperfusionsmessung verwendet wurde. Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit eine umfassende präklinische Tierstudie durchgeführt, um die Lungenperfusion mit indikatorverstärkter EIT und Positronen-Emissions-Tomographie während mehrerer verschiedener experimenteller Zustände zu untersuchen. Neben einem gründlichen Methodenvergleich sollte die klinische Anwendbarkeit der indikatorgestützten EIT-Perfusionsmessung untersucht werden, indem wir vor allem die minimale Indikatorkonzentration analysierten, die eine robuste Perfusionsschätzung erlaubte und den geringsten Einfluss für den Patienten darstellt. Neben den experimentellen Validierungsstudien wurden zwei in-silico-Untersuchungen durchgeführt, um erstens die Sensitivität von EIT gegenüber des Durchgangs eines leitfähigen Indikators durch die Lunge vor stark heterogenem pulmonalen Hintergrund zu bewerten. Zweitens untersuchten wir die physiologischen Einflüsse, die zu den rekonstruierten EITPerfusionsbildern beitragen, um die Limitationen der Methode besser zu verstehen. Die Analysen zeigten, dass die Schätzung der Lungenperfusion auf der Basis der indikatorverstärkten EIT ein großes Potenzial für die Anwendung in der klinischen Praxis aufweist, da wir sie mit zwei Goldstandard-Perfusionsmesstechniken validieren konnten. Zudem konnten wertvolle Schlüsse über die physiologischen Einflüsse auf die geschätzten EIT Perfusionsverteilungen gezogen werden

Estimation of thorax shape for forward modelling in lungs EIT

The thorax models for pre-term babies are developed based on the CT scans from new-borns and their effect on image reconstruction is evaluated in comparison with other available models