Electrical Impedance Tomography تصويربرداري از توزيع امپدانس الكتريكي داخل بدن

سه نوع استفاده اساسي از EIT در کارهاي کلينيکي وجود دارد. (a تصويربرداري از توزيع امپدانس داخلي بدن (b تصويربرداري از تغيير امپدانس داخلي بدن با فرکانس (c تصويربرداري از تغييرات امپدانس در مدت يک فرآيند فيزيولوژيکي

اندازه گيريهاي اوليه و مدل امپدانس بافت قانون ولتاژ و جريان اهم در مورد بافتهاي بيولوژيکي نيز صادق است. در مطالعات گذشته نشان داده شده که مقاومت بافت با کاهش فرکانس، افزايش مي يابد. در يك مدل امپدانسي، سلول به سه قسمت تقسيم مي شود. -1سيتوپلاسم يا قسمت هادي سلول كه در درون يک پرده عايق الکتريکي قرار دارد. -2 خود پرده يا غشا كه بوسيله يک محيط هادي پوشانده شده -3 محيط بين سلولي.

مدل امپدانس بافت در فرکانسهاي کم، غشاء سلولي به صورت عايق عمل مي‌کند و جريان در اطراف سلول جاري مي‌شود در فرکانسهاي بالا، خاصيت خازني غشاء امپدانس کمي را نشان مي‌دهد و جريان زيادي جاري مي شود، بنابراين حجم قابل دسترس براي جاري شدن جريان زياد مي شود

مدل امپدانسي بافت نوع اول Ri مقاومت الکتريکي داخل سلول Rm خاصيت مقاومتي غشاء سلول Cm خاصيت خازني غشاء سلول در فرکانسهاي پايين خازن به صورت اتصال باز عمل مي کند و در نتيجه مقاومت معادل Ri+ Rm مي شود در فرکانسهاي بالا خازن به صورت اتصال کوتاه عمل مي کند در نتيجه مقاومت معادل Ri مي شود.

مدل امپدانسي بافت نوع دوم R مقاومت الکتريکي فضاي بين سلولي S مقاومت الکتريکي داخل سلولي C خاصيت خازني غشاء

تغييرات مقاومت بافت با فركانس

امپدانس بافت نرمال بيشترين مقاومت در محدوده فرکانس 20 KHz تا 100 KHz Ω m Tssue 170 Bone 21-28 Fat 23-24 lung 28 Brain-gray matter 68 Brain-white matter 16-58 Cardiac muscle-longitudinal 4.2-5.1 Cardiac muscle-transverse 1.3-1.5 Skelet muscle- transverse 18-23 Skelet muscle- longitudinal 3.5-5.5 Liver 1.5 Blood 0.66 Plasma 0.65 Cerebrospinal Fluid

تفاوت امپدانس بافت سالم با پاتولوژي تفاوت امپدانس بافت سالم با پاتولوژي امپدانس بافت نرمال با امپدانس بافت پاتولوژي متفاوت است. اگر اندازه و شکل يک ارگان در بدن تغيير کند در اين صورت امپدانس آن بافت عوض خواهد شد. براي مثال معده در مدت خوردن منبسط مي شود و در مدت زماني خاص به داخل اثني عشر خالي مي شود. حالتهاي پاتولوژي مي‌تواند سبب تفاوت در امپدانس با حالت نرمال بشود. براي مثال در 1 KHz مايع مغزي غيرنرمال مقاومتي برابر نصف حالت طبيعي دارد. در موقع ضربه مقاومت مايع مغزي به اندازه 100% افزايش مي يابد و در بيماري غش مقاومت مايع مغزي به اندازه 20% کاهش مي يابد.

نحوه ارسال و دريافت سيگنال و مساله نويز از دو راه مي توان به بدن سيگنال اعمال نمود: ولتاژ يا جريان. اگر منبع سيگنال ولتاژ باشد از آنجاييكه مقاومت منبع ولتاژ کم است امپدانس تماسي الکترود در اعمال ولتاژ ايجاد خطاي چشمگير مي کند. اما با اعمال جريان به بافت، و اندازه گيري ولتاژ در طرف ديگر آن خطاي كمتري ايجاد مي‌شود. بعلاوه، ارسال سيگنال به صورت جريان از نظر مساله نويز، مناسب تر است.

ارسال سيگنال توسط ولتاژ

ارسال سيگنال توسط جريان

اندازه گيري امپدانس در حالت عمومي

توصيف اجزاء يك سيستم ساده EIT

جمع آوري اطلاعات در عمل ما به صدها اندازه گيري غيروابسته براي بدست آوردن تصوير مناسب نياز داريم. در اين سيستم مولتي پلکسر مورد استفاده قرار مي گيرد تا منبع جريان و اندازه گيري ولتاژ ما بين الکترودها سوئيچ شود. پارامتر هاي مهم در جمع آوري داده ها: الف- تعداد الكترود مورد استفاده ب- طراحي سيستم ج- فركانس كار و يا محدوده فركانس

محدوده فركانس و ولتاژ کار تقريباً تمامي سيستمهاي EIT در فركانس ثابت ما بين 10KHz تا 100KHZ كار مي كنند. القاء جريان EIT در فركانسهاي زير 100KHZ باعث كاهش حساسيت ميشود و لذا حساسيت اطلاعات مركز بدن را كاهش مي دهد. القا فركانس هاي مختلف براي ماكزيممم كردن اطلاعات بدست آمده و كسب بهترين تفاوت ما بين بافت نرمال و پاتولوژي اهميت دارد. اندازه گيريهاي چند فركانسي تمايز اطلاعات آناتوميك از تصاوير ديناميك را نيز ممكن مي سازد ولتاژ اندازه گيري شده ممكن است از حد كوچك25µv تا بيشترين مقدار 160mv باشد

جمع آوري مقادير امپدانس از طريق روش همسايگي اندازه گيري ولتاژ: با تغيير دادن الكترودهاي اعمال جريان، 13 اندازه گيري ديگر بدست خواهد آمد

جمع آوري مقادير امپدانس از طريق روش مقابل

بازسازي تصوير ارتباط بين الگوي جريان به كاربرده شده و ولتاژ اندازه گيري شده مي تواند با رابطه زير نمايش داده شود. V= R(j,s) در اين رابطه j الگوي جريان به كاربرده شده در سطح شيء، V ولتاژ اندازه گيري شده و s توزيع رسانايي است. در مساله بازسازي تصاوير، V و j معلوم فرض مي شوند و s محاسبه ميشود.

روشهاي مرسوم كه براي بازسازي EIT بكار مي روند: روش بک پروجکشن 2) روشهاي ماتريس حساسيت ماتريس حساسيت، ماتريسي است كه توسط آن مقادير رسانايي به ولتاژهاي الكترودها ضرب ميشود 3) روشهاي تكراري تكنيكهاي تكراري. اين روش شامل مراحل زير است. الف- انتخاب يك مقدار تخميني براي s كه توزيع رسانايي است. ب- حل مساله مستقيم براي محاسبه ولتاژهاي مرزي از يك تكنيك عددي (روش المانهاي محدود) ج- مقايسه نتايج حل مساله مستقيم (ولتاژ محاسبه شده) با استفاده از s تخميني و ولتاژ بدست آمده توسط الكترودها د- اصلاح s به مقدار مناسب ه- تكرار از مرحله ب تا تفاوت بين مقدار اندازه گيري شده و ولتاژ كناري پيشگويي شده به اندازه كافي كوچك باشد.

در روش المانهاي محدود مقطع مورد نظر بصورت يك شبكه مقاومتي مدل سازي مي شود و از روشهاي عددي استفاده مي شود (مش بندي مثلثي)

مثالي از بازسازي تصويرامپدانس توموگرافي

كاربردهاي پزشكي 1- تشخيص خالي شدن معده و اندازه گيري سرعت خالي شدن معده بعد از خوردن غذا و كنترل بي نظمي هاي معده و تنگي مجراي وابسته به معده. 2- براي اندازه گيري زمان بلع و اختلالات مري. 3- بعلت اينكه تفاوت مقاومت زيادي بين بافت پر از هوا و خالي از هوا وجود دارد، تهويه ريوي نيز در تصاوير EIT قابل بررسي است. 4- جمع شدن خون سياهرگي در لگن، مشخصاتي از تاخير خون در رگهاي لگن است. 5- تفاوت واضحي بين مشخصات امپدانسي بافت نرمال و تومور وجود دارد. با تصويربرداري با EIT مي توان از وجود تومور، محل آن، و يا رشدش با خبر شد. 6- يك راه عملي براي نمايش و غربالگري سرطان پستان 7- تشخيص اسكمي مغزي: در مدت اسكمي مغزي امپدانس بافت مغز افزايشي تا اندازه 100% دارد