Elektrische Impedanztomographie (EIT)


Ansprechpartner:

Projektbeschreibung

Medizinischer Hintergrund

Bei besonders kranken Patienten ist eine kontinuierliche Überwachung wünschenswert. Dies gilt insbesondere bei mechanisch beatmeten Patienten in der Intensivstation (ICU). Derzeit werden Beatmungsparameter wie Beatmungsdruck und Volumen mithilfe von globalen Parametern wie z.B. den Ergebnissen der Blutgasanalyse und des Lungenvolumens angepasst. Um die Behandlung der Patienten zu verbessern, sollte nicht nur das beatmete Volumen, sondern auch die Verteilung innerhalb der Lunge überwacht werden. Dies ist besonders wichtig bei Patienten mit Lungenkrankheiten wie Pneumonie, Lungenödem und Atelektase. Die Elektrische Impedanztomographie (EIT) ist nicht invasiv und kann am Bett eingesetzt werden. Daher ist sie eine vielversprechende Bildgebungstechnik in der Intensivmedizin.

Messprinzip

Die EIT ist ein Bildgebungsverfahren, das es ermöglicht, Änderungen der elektrischen Impedanzverteilung innerhalb eines Körpers zu überwachen. Dies geschieht mithilfe von einem Satz Elektroden (typischerweise n = 16 oder 32), der um den menschlichen Torso befestigt ist. Früher wurden einzelne Elektroden mit einzelnen Kabeln auf die Haut des Patienten gelegt. Moderne EIT-Geräte integrieren mehrere Elektroden in einen speziellen Gürtel, der eine schnellere Handhabung und genauere Messungen ermöglicht, da die Elektroden gleichermaßen reproduzierbar angeordnet sind.

 

Abb.1: Bild von [EML15]

Wie in Abb. 1 dargestellt, ist der Gürtel gewöhnlich auf der Ebene des 4. bis 6. Interkostalraumes ("anatomischer Raum zwischen zwei Rippen") angeordnet und umspannt daher große Bereiche der Lunge sowie das Herz in der abgebildeten Region. Eine weitere Referenzelektrode befindet sich in größerem Abstand zum Riemen und stellt sicher, dass alle Spannungsmessungen in Bezug auf das gleiche Massepotential durchgeführt werden. Kontakt Gel kann verwendet werden, um die elektrische Verbindung zwischen Elektrodenoberfläche und der Haut des Patienten zu verbessern.

Abb.2: Picture from [Leo+12]

In Abb. 2 ist das EIT-Messprinzip dargestellt. Es wird eine sogenannte "adjazente Elektrodenkonfiguration" verwendet. An zwei benachbarten ("adjazenten") Elektroden (hier 2 und 3) wird ein kleiner Wechselstrom (I) eingespeist und an allen verbleibenden 13 Elektrodenpaaren werden Differenzspannungen (U) gemessen. Nachdem alle 13 Spannungen gemessen wurden, wird die Stromeinspeisung auf das nächste Elektrodenpaar (hier 3 und 4) verschoben und die Spannungsmessungen an den übrigen Elektroden werden wiederholt. Die Stromeinspeisung wird zirkular verschoben, bis alle 16 Elektrodenpaare für die Stromeinspeisung einmal verwendet wurden. Für jede Stromeinspeisung werden Spannungsmessungen an den verbleibenden 13 Elektrodenpaaren durchgeführt. Dies führt zu einem Satz von 16 × 13 = 208 Spannungsmessungen, der als „Frame“ bezeichnet wird.

Rekonstruktion

Grundsätzlich kann die EIT zwei Probleme aufgeteilt werden. Mit der Kenntnis der Leitfähigkeitsverteilung im Inneren des Körpers und des eingespeisten Stroms können die resultierenden EIT-Spannungen berechnet werden. Dies wird als Vorwärtsproblem bezeichnet. Das Vorwärtsproblem ist lösbar, beispielsweise durch Verwendung der Finite-Elemente-Methode. In der EIT sind wir jedoch daran interessiert die Leitfähigkeitsverteilung aus den erhaltenen Spannungsmessungen zu rekonstruieren. Dies ist das sogenannte inverse Problem. Leider ist dieses Problem schlecht konditioniert und analytisch nicht lösbar. Die Lösung des inversen Problems ist das Herzstück der EIT-Rekosntruktion. Ein Rekonstruktionsbeispiel eines menschlichen Thoraxes und eines Schweine-Torsos ist in Abb.3 gezeigt.

Abb.3: Picture from [LL12]

Weiterführende Literatur

[Leo+12] Steffen Leonhardt et al. “Electrical Impedance Tomography for Hemodynamic Monitoring”. In: 2012 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Vol. 2012. IEEE, Aug. 2012, pp. 122–125. isbn: 978-1-4577-1787-1. doi: 10.1109/EMBC.2012.6345886. 

[LL12]  Leonhardt, S., & Lachmann, B. (2012). Electrical impedance tomography: The holy grail of ventilation and perfusion monitoring? Intensive Care Medicine, 38(12), 1917–1929. https://doi.org/10.1007/s00134-012-2684-z

[EML15] Eckhard Teschner, Imhoff Michael, and Steffen Leonhardt. Electrical Impedance Tomography: The Realisation of Regional Ventilation Monitoring (2nd Edition). Tech. rep. Draeger GmbH, 2015.

  

 

 

 


527efb333