Separating ventricular activity in thoracic EIT using 4D image-based FEM simulations

One challenge in central hemodynamic monitoring based on electrical impedance tomography (EIT) is to robustly detect ventricular signal components and the corresponding EIT image region without external monitoring information. Current stimulation and voltage measurement of EIT were simulated with finite element porcine torso models in presence of a multitude ofthoracic blood volume shifts. The simulated measurement data was examined for linear dependence on changes in stroke volume. Based onthe results the EIT measurement information regardingstroke volume changesis sparse

Data-Analytics Modeling of Electrical Impedance Measurements for Cell Culture Monitoring

High-throughput data analysis challenges in laboratory automation and lab-on-a-chip devices’ applications are continuously increasing. In cell culture monitoring, specifically, the electrical cell-substrate impedance sensing technique (ECIS), has been extensively used for a wide variety of applications. One of the main drawbacks of ECIS is the need for implementing complex electrical models to decode the electrical performance of the full system composed by the electrodes, medium, and cells. In this work we present a new approach for the analysis of data and the prediction of a specific biological parameter, the fill-factor of a cell culture, based on a polynomial regression, data-analytic model. The method was successfully applied to a specific ECIS circuit and two different cell cultures, N2A (a mouse neuroblastoma cell line) and myoblasts. The data-analytic modeling approach can be used in the decoding of electrical impedance measurements of different cell lines, provided a representative volume of data from the cell culture growth is available, sorting out the difficulties traditionally found in the implementation of electrical models. This can be of particular importance for the design of control algorithms for cell cultures in tissue engineering protocols, and labs-on-a-chip and wearable devices applicationsEspaña, Ministerio de Ciencia e Innovación y Universidades project RTI2018-093512-B-C2

Limitations and challenges of EIT-based monitoring of stroke volume and pulmonary artery pressure.

Electrical impedance tomography (EIT) shows potential for radiation-free and noninvasive hemodynamic monitoring. However, many factors degrade the accuracy and repeatability of these measurements. Our goal is to estimate the impact of this variability on the EIT-based monitoring of two important central hemodynamic parameters: stroke volume (SV) and pulmonary artery pressure (PAP). We performed simulations on a 4D ([Formula: see text]) bioimpedance model of a human volunteer to study the influence of four potential confounding factors (electrode belt displacement, electrode detachment, changes in hematocrit and lung air volume) on the performance of EIT-based SV and PAP estimation. Results were used to estimate how these factors affect the EIT measures of either absolute values or relative changes (i.e. trending). Our findings reveal that the absolute measurement of SV via EIT is very sensitive to electrode belt displacements and lung conductivity changes. Nonetheless, the trending ability of SV EIT might be a promising alternative. The timing-based measurement of PAP is more robust to lung conductivity changes but sensitive to longitudinal belt displacements at severe hypertensive levels and to rotational displacements (independent of the PAP level). We identify and quantify the challenges of EIT-based SV and PAP monitoring. Absolute SV via EIT is challenging, but trending is feasible, while both the absolute and trending of PAP via EIT are mostly impaired by belt displacements

Tomografía de impedancia eléctrica: fundamentos de hardware y aplicaciones médicas

Introduction: The following article shows a systematic review of publications on hardware topologies used to capture and process electrical signals used in Electrical Impedance Tomography (EIT) in medical applications, as well topicality of the EIT in the field of biomedicine. This work is the product of the research project “Electrical impedance tomography based on mixed signal devices”, which took place at the University of Cauca during the period 2017-2019. Objective: This review describes the operation, topicality and clinical use of Electrical Impedance Tomography systems. Methodology: A systematic review was carried out in the IEEE-Xplore, ScienceDirect and Scopus databases. After the classification, 106 relevant articles were obtained on scientific studies of EIT systems; applications dedicated to the analysis of medical images. Conclusions: Impedance-based methods have a variety of medical applications as they allow for the reconstruction of a body region, by estimating the conductivity distribution inside the human body; this is without exposing the patient to the damaging effects of radiation and contrast elements. Impedance-based methods are therefore a very useful and versatile tool in the treatment of diseases such as: monitoring blood pressure, detection of atherosclerosis, localization of intracranial hemorrhages, determining bone density, among others. Originality: It describes the necessary components to design an EIT system, as well as the design characteristics depending on the pathology to be visualized.  Introducción: En el siguiente artículo se muestra una revisión sistemática de publicaciones sobre topologías hardware utilizadas para capturar y procesar señales eléctricas utilizadas en tomografía por impedancia eléctrica (TIE) en aplicaciones médicas, así como la actualidad del TIE en el campo de la biomedicina. Este trabajo es producto del proyecto de investigación “Tomografía de impedancia eléctrica basada en dispositivo de señal mixta”, que tiene lugar en la Universidad del Cauca durante el período 2017-2019.   Objetivo: Esta revisión describe la estructura hardware de los sistemas de TIE, además de sus características, como frecuencia y magnitud de señales de corriente, patrones de inyección y medición de señales y número de electrodos orientado a, uso clínico.   Metodología: Se realizó una revisión sistemática, en las bases de datos IEEE-Xplore, ScienceDirect y Scopus. Tras la clasificación se obtuvo 106 artículos relevantes sobre estudios científicos de sistemas, aplicaciones dedicadas al análisis de imágenes médicas.   Conclusión: Los métodos basados en impedancia, tienen una variedad de aplicaciones médicas, puesto que permite la reconstrucción de una región corporal, mediante la estimación de la distribución de conductividad al interior del cuerpo humano, sin radiación y elementos de contraste, tan perjudiciales para la salud de los pacientes; convirtiéndola en una herramienta muy útil y versátil en el tratamiento de enfermedades como: monitorear la presión arterial, detección de arterosclerosis, localización de hemorragias intracraneales, determinar la densidad ósea, entre otras.     &nbsp

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

EIT2015: promoting electrical impedance tomography as a non-invasive monitoring technology

Editorial. No abstract