Θεόφιλος Νάστας

Εισαγωγή:

Οι τεχνολογίες ιατρικής απεικόνισης όπως η αξονική τομογραφία ακτινών Χ (Computerized Tomography – CT) και η μαγνητική τομογραφία (Magnetic Resonance Imaging – MRI) έχουν εδραιωθεί εδώ και αρκετά χρόνια στην ιατρική επιστήμη. Μέσω αυτών των τεχνικών καθίσταται δυνατή η παραγωγή τρισδιάστων εικόνων µε υψηλή ευκρίνεια από την ανατομία του εσωτερικού του ανθρώπινου σώματος. Οι μαθηματικές μέθοδοι που ϐασίζονται σε υπολογιστή έχουν σημαντικό ϱόλο στην αναπαράσταση των εικόνων αυτών. Παρ’ όλα αυτά, επειδή κάθε τεχνολογία ιατρικής απεικόνισης έχει τους δικούς της περιορισμούς, αρκετές ερευνητικές προσπάθειες επιχειρούν να επεκτείνουν επιπλέον την ικανότητά µας να «δούμε» το εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος µε ποικίλους διαφορετικούς τρόπους. 

Μέθοδος:

Η αρχή της τομογραφίας εμπέδησης βασίζεται στον υπολογισμό και στις μεταβολές της σύνθετης αντίστασης του ανθρώπινου σώματος σε μια εγκάρσια διατομή, η οποία μετράται με τη βοήθεια 16 ηλεκτροδίων. Τα ηλεκτρόδια είναι τοποθετημένα γύρω από το επίπεδο της εγκάρσιας διατομής που πρόκειται να μελετηθεί, ενώ η ανασύνθεση της εικόνας αναπαράγεται σε monitor το οποίο διαθέτει ο τομογράφος. Όταν εφαρμόζεται εναλλασσόμενο ρεύμα γνωστής έντασης μεταξύ δύο ηλεκτροδίων δημιουργείται ηλεκτρική δραστηριότητα μεταξύ τους.

Στη συνέχεια από τις μετρήσεις αυτές είναι δυνατός ο υπολογισμός των τιμών των ηλεκτρικών αντιστάσεων εντός του εξεταζόμενου οργάνου με την τεχνική της οπισθοπροβολής (backprojection), ενώ με τη βοήθεια ειδικού προγράμματος του ηλεκτρονικού υπολογιστή καθίσταται δυνατή η δημιουργία εικόνας, που είναι εικόνα κατανομής της αγωγιμότητας. Ο υπολογιστικός ανασυνδυασμός των 208 διαφορετικών διαφορών δυναμικού που προκύπτουν, μετά και την εφαρμογή ειδικών φίλτρων, συνθέτει μια εικόνα 32×32 εικονοστοιχείων τα οποία οπτικοποιούν τις μεταβολές της σύνθετης αντίστασης της μελετώμενης περιοχής. Μάλιστα, επειδή η ειδική αγωγιμότητα εξαρτάται από την συχνότητα, για κάθε εφαρμογή ηλεκτρικού ρεύματος συγκεκριμένης συχνότητας προκύπτει και διαφορετική εικόνα της κατανομής της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, γεγονός που αξιοποιούν οι ειδικοί για την λήψη πολλών διαφορετικών εικόνων με εφαρμογή διαφορετικών συχνοτήτων ρεύματος.

Κίνδυνος για τον ασθενή:

Όπως είναι αναμενόμενο δεν είναι δυνατόν μια απεικονιστική διαγνωστική μέθοδος να ενέχει κίνδυνο για τον ασθενή. Στη προκειμένη περίπτωση το ενδεχόμενο της ηλεκτροπληξίας, που έχουμε συνδέσει με την επαφή του σώματός μας με ηλεκτρικό ρεύμα αποφεύγεται με την αύξηση της συχνότητας του ηλεκτρικού ρεύματος από 50 Hz σε δεκάδες kHz και MHz, με αποτέλεσμα το ρεύμα να μην εισέρχεται εντός του σώματος αλλά να διέρχεται επιφανειακά, οπότε να μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ακίνδυνα και υψηλότερες τιμές έντασης ρεύματος.

Πλεονεκτήματα:

• Φθηνή και σύντομη μέθοδος

• Ο ασθενής δεν επιβαρύνεται με ιονίζουσα ακτινοβολία

• Μεγάλη επαναληψιμότητα στα αποτελέσματά της άρα μεγάλη αξιοπιστία

• Απεικόνιση περιοχής ενδιαφέροντος σε πραγματικό χρόνο, με συνέπεια την δυναμική παρακολούθησή της

• Ευελιξία ως προς την τοποθέτηση του ασθενούς, καθώς δεν απαιτούνται ειδικές θέσεις αλλά αρκεί η σταθερότητα της εξεταζόμενης περιοχής.

Μειονεκτήματα:

• Μικρή διαθεσιμότητα

• Χαμηλή ανάλυση, που δεν αφήνει τα περιθώρια λεπτομερειακής ανάλυσης των περιοχών ενδιαφέροντος, με αποτέλεσμα οι πολύ εντοπισμένες διαφορές να μην είναι δυνατόν να υπολογιστούν με ακρίβεια.

Εφαρμογές:

Στη Ιατρική:

• Παρακολούθηση πνευμονικού αερισμού

• Ανίχνευση όγκων σε μαστό και επιβεβαίωση ή αποκλεισμός ύπαρξης καρκίνου

• Απεικόνιση εγκεφαλικής δραστηριότητας και ειδικότερα σε περιστατικά επιληπτικών κρίσεων, άνοιας και εγκεφαλικών επεισοδίων

• Καταγραφή αιματικής ροής

• Υπολογισμός χρόνου κένωσης στομάχου

Άλλες εφαρμογές:

• Παρακολούθηση διαδικασιών στο εσωτερικό κλειστών δοχείων, αντιδραστήρων, σωλήνων ϱοής, κλπ. στη Βιομηχανία.

• Ανίχνευση ναρκών

• Έλεγχος ποσοστού στερεού υλικού σε κονσέρβες

• Έλεγχος ωρίμανσης φρούτων

Επίλογος:

Η σημασία της τομογραφίας ηλεκτρικής εμπέδησης έγκειται στο γεγονός, ότι αποτελεί μέθοδο που συμβαδίζει απόλυτα με τη στόχευση της σύγχρονής Ιατρικής τόσο στην όσο το δυνατόν λιγότερο επεμβατική Ιατρική πράξη, αλλά και στην ταχύτερη διάγνωση της ασθένειας. Αν και δεν προσφέρει την ποιότητα της εικόνας του MRI ή των ακτινών Χ, δίνει την δυνατότητα γρήγορης, φθηνής αλλά και άμεσης απεικόνισης ανατομικών δομών απαλλαγμένης από ιονίζουσες ακτινοβολίες, με αποτέλεσμα να συνιστά ελπιδοφόρα προσθήκη στην φαρέτρα της σύγχρονης Ιατρικής.

Πηγές:

• https://www.mednet.gr/archives/2019-5/pdf/589.pdf

• https://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/bitstream/10889/11859/3/Nemertes_Katsogridakis%28ele%29.pdf

• https://litfl.com/electrical-impedance-tomography/

TrueMed-ForLivingMore

 Θεόφιλος Νάστας

Εισαγωγή:

Οι τεχνολογίες ιατρικής απεικόνισης όπως η αξονική τομογραφία ακτινών Χ (Computerized Tomography – CT) και η μαγνητική τομογραφία (Magnetic Resonance Imaging – MRI) έχουν εδραιωθεί εδώ και αρκετά χρόνια στην ιατρική επιστήμη. Μέσω αυτών των τεχνικών καθίσταται δυνατή η παραγωγή τρισδιάστων εικόνων µε υψηλή ευκρίνεια από την ανατομία του εσωτερικού του ανθρώπινου σώματος. Οι μαθηματικές μέθοδοι που ϐασίζονται σε υπολογιστή έχουν σημαντικό ϱόλο στην αναπαράσταση των εικόνων αυτών. Παρ’ όλα αυτά, επειδή κάθε τεχνολογία ιατρικής απεικόνισης έχει τους δικούς της περιορισμούς, αρκετές ερευνητικές προσπάθειες επιχειρούν να επεκτείνουν επιπλέον την ικανότητά µας να «δούμε» το εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος µε ποικίλους διαφορετικούς τρόπους. 

Τελευταία, οι μελέτες στη ϐιοϊατρική απεικόνιση έχουν επικεντρωθεί σε νέες απεικονιστικές τεχνικές που μπορούν να παρέχουν πληροφορίες τόσο για τη φυσιολογία του σώµατος όσο και για παθολογικές καταστάσεις σε συνδυασμό πάντα µε ανατοµικές πληροφορίες. Η Τομογραφία Ηλεκτρικής Εµπέδησης (Electrical Impedance Tomography – EIT) αποτελεί µία από αυτές τις προσπάθειες για απεικόνιση εσωτερικών λειτουργιών του οργανισμού.

Μέθοδος:

Η αρχή της τομογραφίας εμπέδησης βασίζεται στον υπολογισμό και στις μεταβολές της σύνθετης αντίστασης του ανθρώπινου σώματος σε μια εγκάρσια διατομή, η οποία μετράται με τη βοήθεια 16 ηλεκτροδίων. Τα ηλεκτρόδια είναι τοποθετημένα γύρω από το επίπεδο της εγκάρσιας διατομής που πρόκειται να μελετηθεί, ενώ η ανασύνθεση της εικόνας αναπαράγεται σε monitor το οποίο διαθέτει ο τομογράφος. Όταν εφαρμόζεται εναλλασσόμενο ρεύμα γνωστής έντασης μεταξύ δύο ηλεκτροδίων δημιουργείται ηλεκτρική δραστηριότητα μεταξύ τους.

Στη συνέχεια από τις μετρήσεις αυτές είναι δυνατός ο υπολογισμός των τιμών των ηλεκτρικών αντιστάσεων εντός του εξεταζόμενου οργάνου με την τεχνική της οπισθοπροβολής (backprojection), ενώ με τη βοήθεια ειδικού προγράμματος του ηλεκτρονικού υπολογιστή καθίσταται δυνατή η δημιουργία εικόνας, που είναι εικόνα κατανομής της αγωγιμότητας. Ο υπολογιστικός ανασυνδυασμός των 208 διαφορετικών διαφορών δυναμικού που προκύπτουν, μετά και την εφαρμογή ειδικών φίλτρων, συνθέτει μια εικόνα 32×32 εικονοστοιχείων τα οποία οπτικοποιούν τις μεταβολές της σύνθετης αντίστασης της μελετώμενης περιοχής. Μάλιστα, επειδή η ειδική αγωγιμότητα εξαρτάται από την συχνότητα, για κάθε εφαρμογή ηλεκτρικού ρεύματος συγκεκριμένης συχνότητας προκύπτει και διαφορετική εικόνα της κατανομής της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, γεγονός που αξιοποιούν οι ειδικοί για την λήψη πολλών διαφορετικών εικόνων με εφαρμογή διαφορετικών συχνοτήτων ρεύματος.

Κίνδυνος για τον ασθενή:

Όπως είναι αναμενόμενο δεν είναι δυνατόν μια απεικονιστική διαγνωστική μέθοδος να ενέχει κίνδυνο για τον ασθενή. Στη προκειμένη περίπτωση το ενδεχόμενο της ηλεκτροπληξίας, που έχουμε συνδέσει με την επαφή του σώματός μας με ηλεκτρικό ρεύμα αποφεύγεται με την αύξηση της συχνότητας του ηλεκτρικού ρεύματος από 50 Hz σε δεκάδες kHz και MHz, με αποτέλεσμα το ρεύμα να μην εισέρχεται εντός του σώματος αλλά να διέρχεται επιφανειακά, οπότε να μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ακίνδυνα και υψηλότερες τιμές έντασης ρεύματος.

Πλεονεκτήματα:

• Φθηνή και σύντομη μέθοδος

• Ο ασθενής δεν επιβαρύνεται με ιονίζουσα ακτινοβολία

• Μεγάλη επαναληψιμότητα στα αποτελέσματά της άρα μεγάλη αξιοπιστία

• Απεικόνιση περιοχής ενδιαφέροντος σε πραγματικό χρόνο, με συνέπεια την δυναμική παρακολούθησή της

• Ευελιξία ως προς την τοποθέτηση του ασθενούς, καθώς δεν απαιτούνται ειδικές θέσεις αλλά αρκεί η σταθερότητα της εξεταζόμενης περιοχής.

Μειονεκτήματα:

• Μικρή διαθεσιμότητα

• Χαμηλή ανάλυση, που δεν αφήνει τα περιθώρια λεπτομερειακής ανάλυσης των περιοχών ενδιαφέροντος, με αποτέλεσμα οι πολύ εντοπισμένες διαφορές να μην είναι δυνατόν να υπολογιστούν με ακρίβεια.

Εφαρμογές:

Στη Ιατρική:

• Παρακολούθηση πνευμονικού αερισμού

• Ανίχνευση όγκων σε μαστό και επιβεβαίωση ή αποκλεισμός ύπαρξης καρκίνου

• Απεικόνιση εγκεφαλικής δραστηριότητας και ειδικότερα σε περιστατικά επιληπτικών κρίσεων, άνοιας και εγκεφαλικών επεισοδίων

• Καταγραφή αιματικής ροής

• Υπολογισμός χρόνου κένωσης στομάχου

Άλλες εφαρμογές:

• Παρακολούθηση διαδικασιών στο εσωτερικό κλειστών δοχείων, αντιδραστήρων, σωλήνων ϱοής, κλπ. στη Βιομηχανία.

• Ανίχνευση ναρκών

• Έλεγχος ποσοστού στερεού υλικού σε κονσέρβες

• Έλεγχος ωρίμανσης φρούτων

Επίλογος:

Η σημασία της τομογραφίας ηλεκτρικής εμπέδησης έγκειται στο γεγονός, ότι αποτελεί μέθοδο που συμβαδίζει απόλυτα με τη στόχευση της σύγχρονής Ιατρικής τόσο στην όσο το δυνατόν λιγότερο επεμβατική Ιατρική πράξη, αλλά και στην ταχύτερη διάγνωση της ασθένειας. Αν και δεν προσφέρει την ποιότητα της εικόνας του MRI ή των ακτινών Χ, δίνει την δυνατότητα γρήγορης, φθηνής αλλά και άμεσης απεικόνισης ανατομικών δομών απαλλαγμένης από ιονίζουσες ακτινοβολίες, με αποτέλεσμα να συνιστά ελπιδοφόρα προσθήκη στην φαρέτρα της σύγχρονης Ιατρικής.

Πηγές:

• https://www.mednet.gr/archives/2019-5/pdf/589.pdf

• https://nemertes.lis.upatras.gr/jspui/bitstream/10889/11859/3/Nemertes_Katsogridakis%28ele%29.pdf

• https://litfl.com/electrical-impedance-tomography/

TrueMed-ForLivingMore