Weiterentwicklung der Elektrischen Impedanztomographie für den Einsatz bei obstruktiven Lungenerkrankungen

Elektrische Impedanztomographie (EIT) ist ein strahlungsfreies Verfahren zur funktionellen medizinischen Bildgebung, welches bisher hauptsächlich im Bereich der Intensivmedizin zur Überwachung der regionalen Ventilationsverteilung bei beatmeten Patienten eingesetzt wird. Das Potential von EIT zeigt sich jedoch auch in aktuellen Studien mit spontan atmenden Patienten, die unter obstruktiven Lungenerkrankungen leiden. Neben den typischerweise mittels Spirometrie durchgeführten Lungenfunktionstests kann der regionale Informationsgehalt von EIT diagnostisch relevante Hinweise zum Krankheitszustand und -verlauf liefern. Bei der Anwendung von EIT als ergänzendes Verfahren zu klassischen Lungenfunktionstests bei Patienten mit obstruktiven Lungenkrankheiten müssen die Besonderheiten dieser Patientengruppe berücksichtigt werden. Die ausgeprägte Heterogenität der Ventilationsverteilung in cranio-caudaler Richtung wird durch die typischerweise in einer einzelnen Thoraxebene durchgeführten EIT-Messung nicht abgebildet. Ebenso entstehen durch starke Thoraxausdehnungen während der Lungenfunktionstests erhebliche Artefakte in den rekonstruierten Bildern der Ventilationsverteilung. Darüber hinaus erfordert eine umfassende Untersuchung der Pathophysiologie der Lunge eine Betrachtung von morphologischen Anomalien und den daraus resultierenden funktionellen Veränderungen, wofür eine Überlagerung morphologischer Bilder mit funktionellen EIT-Bildern notwendig ist. In der vorliegenden Arbeit werden drei Verfahren präsentiert, welche die genannten Eigenschaften obstruktiver Lungen berücksichtigen und die Anforderungen an die Bildrekonstruktion einbeziehen. So wird eine Möglichkeit zur gleichzeitigen Datenerhebung in mehreren Thoraxschichten vorgestellt, wodurch auch Ventilationsunterschiede in cranio-caudaler Richtung ermittelt werden können. Zudem wird ein Verfahren zur Kompensation der durch Thoraxausdehnung hervorgerufenen Bildartefakte entwickelt, was zu besser interpretierbaren EIT-Bildern führt. Das Einbinden von patientenspezifischem Vorwissen in den EIT-Bildrekonstruktionsprozess wird mittels einer 'Diskreten Kosinustransformation' erreicht. Die mittels dieser Methode rekonstruierten EIT-Bilder der Ventilationsverteilung lassen sich direkt mit morphologischen Daten überlagern und erlauben eine umfassende Betrachtung morphologischer und funktioneller Anomalien der Lunge.Electrical Impedance Tomography (EIT) is a radiation-free method for functional medical imaging, which is currently mainly used in the intensive care unit to monitor the regional ventilation distribution in mechanically ventilated patients. The potential of EIT has been shown in recent studies with spontaneously breathing patients suffering from obstructive lung diseases. Besides the typically executed lung function tests utilizing spirometry, the regional data of EIT is able to provide diagnostically valuable information regarding the disease state and progression. When EIT is utilized as an additional method to conventional lung function tests in patients with obstructive lungs disease, the peculiarities of this group of patients needs to be considered. The distinct ventilation heterogeneity in the cranio-caudal direction is not identifiable with EIT measurements, which are usually only examined at a single thorax level. As well the large thorax excursion during lung function tests leads to considerable artifacts in reconstructed images of ventilation distribution. Furthermore, a comprehensive insight into the pathophysiology of the lung needs to consider morphologic anomalies and the resulting functional changes, which requires a superposition of morphological images with functional EIT images. In this work three methods are presented, which address the mentioned lung characteristics and requirements for image reconstruction. A possibility for simultaneous data acquisition at different thorax levels is introduced, enabling to determine changes in ventilation in the cranio-caudal direction. Moreover, a procedure to compensate for images artifacts induced by thorax excursion is developed, leading to easier interpretability of EIT images. Incorporation of patient specific prior-knowledge into the EIT image reconstruction process is realized utilizing 'discrete cosine transformation'. EIT images of ventilation distribution reconstructed with this method can directly be superimposed with morphological data and allow a comprehensive view on morphological and functional anomalies of the lung

Conditioning electrical impedance mammography system

A multi-frequency Electrical Impedance Mammography (EIM) system has been developed to evaluate the conductivity and permittivity spectrums of breast tissues, which aims to improve early detection of breast cancer as a non-invasive, relatively low cost and label-free screening (or pre-screening) method. Multi-frequency EIM systems typically employ current excitations and measure differential potentials from the subject under test. Both the output impedance and system performance (SNR and accuracy) depend on the total output resistance, stray and output capacitances, capacitance at the electrode level, crosstalk at the chip and PCB levels. This makes the system design highly complex due to the impact of the unwanted capacitive effects, which substantially reduce the output impedance of stable current sources and bandwidth of the data that can be acquired. To overcome these difficulties, we present new methods to design a high performance, wide bandwidth EIM system using novel second generation current conveyor operational amplifiers based on a gyrator (OCCII-GIC) combination with different current excitation systems to cancel unwanted capacitive effects from the whole system. We reconstructed tomography images using a planar E-phantom consisting of an RSC circuit model, which represents the resistance of extra-cellular (R), intra-cellular (S) and membrane capacitance (C) of the breast tissues to validate the performance of the system. The experimental results demonstrated that an EIM system with the new design achieved a high output impedance of 10MΩ at 1MHz to at least 3MΩ at 3MHz frequency, with an average SNR and modelling accuracy of over 80dB and 99%, respectively

Realization of a multi-layer EIT-system

Electrical Impedance Tomography (EIT) is an imaging technique used for monitoring of ventilation distribution in the lung. Small alternating currents are injected and resulting voltages are measured on the body surface with electrodes fixed around the thorax. Two-dimensional EIT (2D-EIT) is the most common technique in clinical applications but enables visualization of only one horizontal slice of the thorax. However, additional information in the cranio-caudal direction is necessary to more comprehensively assess the ventilation distribution