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tomografía de impedancia eléctrica

La tomografía por impedancia eléctrica ( TIE ) es un tipo de imagen médica no invasiva en la que la conductividad eléctrica , la permitividad y la impedancia de una parte del cu...

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La tomografía por impedancia eléctrica ( TIE ) es un tipo de imagen médica no invasiva en la que la conductividad eléctrica , la permitividad y la impedancia de una parte del cuerpo se infieren a partir de mediciones con electrodos de superficie y se utilizan para formar una imagen tomográfica de dicha parte. La conductividad eléctrica varía considerablemente entre los distintos tipos de tejidos biológicos o debido al movimiento de fluidos y gases dentro de los tejidos. La mayoría de los sistemas de TIE aplican pequeñas corrientes alternas a una sola frecuencia; sin embargo, algunos sistemas de TIE utilizan múltiples frecuencias para diferenciar mejor entre tejido normal y tejido presuntamente anormal dentro del mismo órgano.

Normalmente, se colocan electrodos de superficie conductores sobre la piel alrededor de la parte del cuerpo que se examina. Se aplican pequeñas corrientes alternas a algunos o a todos los electrodos, registrándose los potenciales equipotenciales resultantes en los demás electrodos. Este proceso se repite para diversas configuraciones de electrodos y, finalmente, se obtiene un tomograma bidimensional según los algoritmos de reconstrucción de imagen utilizados. [ 2 ] [ 3 ]

Dado que el contenido de iones libres determina la conductividad de los tejidos y fluidos, el músculo y la sangre conducirán mejor las corrientes aplicadas que la grasa, el hueso o el tejido pulmonar. [ 2 ] Esta propiedad puede utilizarse para construir imágenes. [ 4 ] Sin embargo, a diferencia de los rayos X lineales utilizados en la tomografía computarizada, las corrientes eléctricas viajan tridimensionalmente a lo largo de todos los caminos simultáneamente, ponderadas por su conductividad (por lo tanto, principalmente a lo largo del camino de mayor conductividad, pero no exclusivamente). La construcción de imágenes puede ser difícil porque generalmente hay más de una solución para un área tridimensional proyectada sobre un plano bidimensional.

Matemáticamente, el problema de recuperar la conductividad a partir de mediciones superficiales de corriente y potencial es un problema inverso no lineal y está gravemente mal condicionado . La formulación matemática del problema fue planteada por Alberto Calderón [ 5 ] , y en la literatura matemática sobre problemas inversos se le suele denominar «problema inverso de Calderón» o «problema de Calderón». Existe una extensa investigación matemática sobre la unicidad de las soluciones y los algoritmos numéricos para este problema [ 6 ] .

En comparación con la conductividad de la mayoría de los demás tejidos blandos del tórax humano, la conductividad del tejido pulmonar es aproximadamente cinco veces menor, lo que resulta en un alto contraste absoluto. Esta característica puede explicar parcialmente la cantidad de investigación realizada en imágenes pulmonares EIT. [ 2 ] Además, la conductividad pulmonar fluctúa durante el ciclo respiratorio, lo que explica el interés de la comunidad científica en utilizar EIT como método a pie de cama para visualizar la heterogeneidad de la ventilación pulmonar en pacientes con ventilación mecánica. [ 4 ] Por lo tanto, las mediciones de EIT entre dos o más estados fisiológicos, por ejemplo, entre inspiración y espiración, se denominan EIT de diferencia de tiempo (td-EIT).

La td-EIT tiene una ventaja importante sobre la EIT absoluta (a-EIT): las imprecisiones resultantes de la anatomía interindividual, el contacto insuficiente de los electrodos de superficie con la piel o la transferencia de impedancia pueden descartarse porque la mayoría de los artefactos se eliminan por sí mismos debido a la simple sustracción de imágenes en la td-EIT. [ 2 ] [ 4 ] [ 7 ]

Otras aplicaciones propuestas de EIT incluyen la detección/localización de cáncer en piel, mama o cuello uterino , la localización de focos epilépticos , [ 8 ] imágenes de la actividad cerebral. [ 9 ] así como una herramienta de diagnóstico para el vaciamiento gástrico alterado. [ 2 ] [ 8 ] [ 10 ] Los intentos de detectar o localizar patología tisular dentro del tejido normal generalmente se basan en EIT multifrecuencia (MF-EIT), también denominada espectroscopia de impedancia eléctrica (EIS) y se basan en diferencias en patrones de conductancia a diferentes frecuencias.

Historia

La invención de la EIT como técnica de imagen médica se atribuye generalmente a John G. Webster y a una publicación de 1978, [ 11 ] aunque la primera realización práctica de un sistema EIT médico se detalló en el trabajo de 1984 de David C. Barber y Brian H. Brown . [ 12 ] Juntos, Brown y Barber publicaron el primer Tomógrafo de Impedancia Eléctrica en 1983, visualizando la sección transversal de un antebrazo humano mediante EIT absoluta. [ 13 ] Aunque ha habido un progreso sustancial desde entonces, la mayoría de las aplicaciones de a-EIT todavía se consideran experimentales, [ 8 ]aunque existen sistemas comerciales disponibles.

La tomografía de resistividad eléctrica , una técnica similar a la EIT, se utiliza en geofísica y en el monitoreo de procesos industriales. De forma análoga a la EIT, se colocan electrodos de superficie en la tierra, dentro de pozos o dentro de un recipiente o tubería para localizar anomalías de resistividad o monitorear mezclas de fluidos conductores. [ 14 ] Las técnicas de configuración y reconstrucción son comparables a las de la EIT. En geofísica, la idea data de la década de 1930. La tomografía de resistividad eléctrica también se ha propuesto para mapear las propiedades eléctricas de sustratos [ 15 ] y películas delgadas [ 16 ] para aplicaciones electrónicas.

Teoría

En este prototipo, los electrodos se colocan alrededor de un pomelo que representa la cabeza de un niño. Se inyecta líquido en el pomelo para simular una hemorragia cerebral.

La conductividad eléctrica y la permitividad varían entre los tipos de tejido biológico y dependen de su contenido de iones libres. [ 2 ] [ 3 ] [ 8 ] Otros factores que afectan la conductividad incluyen la temperatura y otros factores fisiológicos, por ejemplo, el ciclo respiratorio entre la inhalación y la espiración, cuando el tejido pulmonar se vuelve más conductor debido al menor contenido de aire aislante dentro de sus alvéolos.

Tras colocar electrodos adhesivos de superficie, un cinturón de electrodos o un chaleco conductor de electrodos alrededor de la parte del cuerpo de interés, se aplicarán corrientes alternas, generalmente de unos pocos miliamperios a una frecuencia de 10 a 100 kHz , a través de dos o más electrodos. Los electrodos restantes se utilizarán para medir el voltaje resultante. El procedimiento se repetirá para numerosos patrones de estimulación , es decir, pares sucesivos de electrodos adyacentes, hasta completar un círculo entero y poder reconstruir la imagen y visualizarla en una estación de trabajo digital. La reconstrucción de la imagen incorpora algoritmos matemáticos complejos y datos a priori . [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] 

La corriente se aplica mediante una única fuente de corriente conmutada entre electrodos mediante un multiplexor o mediante un sistema de convertidores de voltaje a corriente , uno para cada electrodo, controlados cada uno por un convertidor digital-analógico . Las mediciones pueden realizarse mediante un único circuito de medición de voltaje multiplexado sobre los electrodos o mediante un circuito independiente para cada electrodo. Los primeros sistemas EIT utilizaban un circuito de demodulación analógica para convertir el voltaje alterno a corriente continua antes de procesarlo con un convertidor analógico-digital . Los sistemas más recientes convierten la señal alterna directamente a digital antes de realizar la demodulación digital. Algunos sistemas EIT pueden operar a múltiples frecuencias y medir tanto la magnitud como la fase de los voltajes de los electrodos. Los voltajes medidos se envían a un ordenador para la reconstrucción y visualización de la imagen. La elección de los patrones de corriente (o voltaje) afecta significativamente la relación señal-ruido . Con dispositivos capaces de suministrar corrientes desde todos los electrodos simultáneamente (como ACT3 [ 20 ] ), es posible determinar de forma adaptativa los patrones de corriente óptimos. [ 21 ]

Si las imágenes se van a mostrar en tiempo real, un enfoque típico es la aplicación de alguna forma de inversa regularizada de una linealización del problema directo [ 22 ] o una versión rápida de un método de reconstrucción directa como el método D-bar. [ 23 ] La mayoría de los sistemas prácticos utilizados en el entorno médico generan una imagen de diferencia , es decir, las diferencias de voltaje entre dos puntos de tiempo se multiplican por la izquierda por la inversa regularizada para calcular una diferencia aproximada entre las imágenes de permitividad y conductividad. Otro enfoque es construir un modelo de elementos finitos del cuerpo y ajustar las conductividades (por ejemplo, utilizando una variante del algoritmo de Levenberg-Marquardt ) para que se ajusten a los datos medidos. Esto es más difícil ya que requiere un conocimiento preciso de la forma del cuerpo y la posición de los electrodos.

Gran parte del trabajo fundamental que sustenta la impedancia eléctrica se realizó en el Instituto Politécnico Rensselaer a partir de la década de 1980. [ 3 ] [ 17 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]

Los enfoques de EIT absolutos están dirigidos a la reconstrucción digital de imágenes estáticas, es decir, representaciones bidimensionales de la anatomía dentro de la parte del cuerpo de interés. Como se mencionó anteriormente y a diferencia de los rayos X lineales en la tomografía computarizada , las corrientes eléctricas viajan tridimensionalmente a lo largo del camino de menor resistividad, lo que resulta en una pérdida parcial de la corriente eléctrica aplicada (transferencia de impedancia, p. ej., debido al flujo sanguíneo a través del plano transversal). [ 3 ] [ 18 ] [ 19 ] Esta es una de las razones por las que la reconstrucción de imágenes en EIT absoluto es tan compleja, ya que generalmente hay más de una solución para la reconstrucción de imágenes de un área tridimensional proyectada en un plano bidimensional. [ 4 ] [ 18 ] Otra dificultad es que, dado el número de electrodos y la precisión de medición en cada electrodo, solo se pueden distinguir objetos más grandes que un tamaño definido. [ 26 ] [ 27 ]

Otras dificultades en la EIT absoluta surgen de las diferencias inter e intraindividuales de la conductividad de los electrodos con la distorsión de la imagen y los artefactos asociados. También es importante tener en cuenta que la parte del cuerpo de interés rara vez es precisamente redonda y que la anatomía interindividual varía, por ejemplo, la forma del tórax, lo que afecta el espaciado individual de los electrodos. [ 28 ] Un dato previo que tenga en cuenta la anatomía típica de la edad, la altura y el sexo puede reducir la sensibilidad a los artefactos y la distorsión de la imagen. [ 29 ] Mejorar la relación señal-ruido, por ejemplo, mediante el uso de electrodos de superficie activos, reduce aún más los errores de imagen. [ 30 ] [ 31 ] Algunos de los sistemas EIT más recientes con electrodos activos monitorean el rendimiento de los electrodos a través de un canal adicional y pueden compensar el contacto insuficiente con la piel eliminándolos de las mediciones. Otra posible solución al problema del contacto electrodo-piel es la técnica EIT sin contacto, que utiliza excitación de voltaje y acoplamiento capacitivo en lugar del contacto directo con la piel. [ 32 ] Los electrodos acoplados capacitivamente son más cómodos para el paciente, pero mantener una capacitancia de acoplamiento constante e igual para todos los electrodos es difícil. [ 33 ]

La EIT de diferencia de tiempo evita la mayoría de estos problemas al registrar mediciones en el mismo individuo entre dos o más estados fisiológicos asociados con cambios lineales de conductividad. Uno de los mejores ejemplos de este enfoque es el tejido pulmonar durante la respiración debido a los cambios lineales de conductividad entre la inspiración y la espiración, causados ​​por la variación del contenido de aire aislante durante cada ciclo respiratorio. [ 2 ] Esto permite la sustracción digital de las mediciones registradas obtenidas durante el ciclo respiratorio y da como resultado imágenes funcionales de la ventilación pulmonar. Una ventaja importante es que los cambios relativos de conductividad permanecen comparables entre mediciones incluso si uno de los electrodos de registro es menos conductor que los demás, lo que reduce la mayoría de los artefactos y distorsiones de la imagen. [ 7 ] Sin embargo, la incorporación de conjuntos de datos o mallas a priori en la EIT de diferencia sigue siendo útil para proyectar imágenes sobre la morfología del órgano más probable, que depende del peso, la altura, el sexo y otros factores individuales. [ 29 ]

Proyectos

El proyecto de código abierto EIDORS proporciona un conjunto de programas (escritos en Matlab y GNU Octave ) para la reconstrucción y visualización de datos bajo la licencia GNU GPL. [ 34 ]

Existe una implementación en Matlab del método D-barra no lineal directo para la reconstrucción EIT no lineal. [ 35 ]

La iniciativa de investigación EIT de innovación abierta tiene como objetivo impulsar el desarrollo de la tomografía de impedancia eléctrica (EIT) en general y, en última instancia, acelerar su adopción clínica. [ 36 ]

Un paquete de hardware y software EIT plug-and-play estuvo disponible a través de Swisstom hasta 2018. [ 37 ]

Propiedades

A diferencia de otras técnicas de imagen tomográfica, la EIT no utiliza radiación ionizante. Las corrientes que se aplican habitualmente en la EIT son relativamente bajas y, sin duda, inferiores al umbral que provocaría una estimulación nerviosa significativa. La frecuencia de la corriente alterna es suficientemente alta como para no generar efectos electrolíticos en el organismo, y el calentamiento óhmico es lo suficientemente pequeño y se difunde por todo el cuerpo como para que el sistema termorregulador lo absorba fácilmente . Estas propiedades permiten que la EIT se aplique de forma continua en humanos. Además, dado que el equipo necesario para realizar la EIT es mucho más pequeño y económico que el de la tomografía convencional, la EIT permite la visualización continua en tiempo real de la ventilación mecánica .

La principal desventaja de la EIT frente a la tomografía convencional es su menor resolución espacial máxima (aproximadamente el 15 % del diámetro de la matriz de electrodos en EIT en comparación con 1  mm en TC y RM). Sin embargo, la resolución se puede mejorar utilizando 32 en lugar de 16 electrodos. [ 2 ] [ 4 ] [ 7 ] [ 20 ] La calidad de la imagen se puede mejorar aún más construyendo un sistema EIT con electrodos de superficie activos, que reducen significativamente la pérdida de señal, los artefactos y las interferencias asociadas con los cables, así como la longitud y la manipulación de los mismos. [ 30 ] [ 31 ] A diferencia de la resolución espacial, la resolución temporal de la EIT (0,1 milisegundos) es mucho mayor que en TC o RM (0,1 segundos). [ 8 ]

Aplicaciones

Pulmón

La EIT es particularmente útil para monitorizar la función pulmonar porque la resistividad del tejido pulmonar es cinco veces mayor que la de la mayoría de los demás tejidos blandos del tórax. Esto da como resultado un alto contraste absoluto de los pulmones. Además, la resistividad pulmonar aumenta y disminuye varias veces entre la inspiración y la espiración, lo que explica por qué la monitorización de la ventilación es actualmente la aplicación clínica más prometedora de la EIT, ya que la ventilación mecánica frecuentemente produce lesión pulmonar asociada al ventilador (VALI). La viabilidad de la EIT para la obtención de imágenes pulmonares se demostró por primera vez en el Instituto Politécnico Rensselaer en 1990 utilizando el algoritmo NOSER. [ 22 ] La EIT de diferencia de tiempo puede resolver los cambios en la distribución de los volúmenes pulmonares entre las regiones pulmonares dependientes y no dependientes y ayudar a ajustar la configuración del ventilador para proporcionar ventilación protectora pulmonar a los pacientes durante enfermedades críticas o anestesia. [ 38 ]

La mayoría de los estudios de EIT se han centrado en la monitorización de la función pulmonar regional mediante EIT de diferencia de tiempo (td-EIT). Sin embargo, la EIT absoluta (a-EIT) también tiene el potencial de convertirse en una herramienta clínicamente útil para la obtención de imágenes pulmonares, ya que este enfoque permitiría distinguir directamente entre afecciones pulmonares que resultan de regiones con menor resistividad (p. ej., hemotórax, derrame pleural, atelectasia, edema pulmonar) y aquellas con mayor resistividad (p. ej., neumotórax, enfisema). [ 7 ] [ 39 ]

La imagen superior muestra un estudio de EIT (Tomografía de Inducción de Electrofisiología) de un bebé de 10 días de edad que respira normalmente, con 16 electrodos adhesivos aplicados en el pecho.

La reconstrucción de imágenes a partir de mediciones de impedancia absoluta requiere considerar las dimensiones y la forma exactas del cuerpo, así como la ubicación precisa de los electrodos, ya que las suposiciones simplificadas darían lugar a importantes artefactos de reconstrucción. [ 28 ] Si bien se han publicado estudios iniciales que evalúan aspectos de la EIT absoluta, esta área de investigación aún no ha alcanzado el nivel de madurez que la haga adecuada para uso clínico.

En contraste, la EIT de diferencia de tiempo determina los cambios de impedancia relativa que pueden ser causados ​​por la ventilación o por cambios en el volumen pulmonar al final de la espiración. Estos cambios relativos se refieren a un nivel basal, que generalmente se define por la distribución de la impedancia intratorácica al final de la espiración. [ 7 ] Las imágenes de EIT de diferencia de tiempo se pueden generar de forma continua y directamente a la cabecera del paciente. Estas características hacen que la monitorización regional de la función pulmonar sea particularmente útil cuando existe la necesidad de mejorar la oxigenación o la eliminación de CO₂ y cuando los cambios en la terapia tienen como objetivo lograr una distribución de gases más homogénea en pacientes con ventilación mecánica. La imagen pulmonar de EIT puede resolver los cambios en la distribución regional de los volúmenes pulmonares entre, por ejemplo, las regiones pulmonares dependientes y no dependientes a medida que se modifican los parámetros del ventilador. Por lo tanto, las mediciones de EIT se pueden utilizar para guiar la configuración específica del ventilador para mantener una ventilación protectora pulmonar para cada paciente. [ 42 ]

Además de la aplicabilidad de la EIT en la UCI, los primeros estudios con pacientes que respiran espontáneamente revelan otras aplicaciones prometedoras. [ 43 ] La alta resolución temporal de la EIT permite la evaluación regional de parámetros dinámicos comunes utilizados en las pruebas de función pulmonar (p. ej., volumen espiratorio forzado en 1 segundo). [ 44 ] Adicionalmente, se pueden utilizar métodos de fusión de imágenes especialmente desarrollados que superponen datos funcionales de EIT con datos morfológicos del paciente (p. ej., imágenes de TC o RM ) para obtener una visión integral de la fisiopatología de los pulmones, lo que podría ser útil para pacientes con enfermedades pulmonares obstructivas (p. ej., EPOC , FQ ). [ 45 ]

Tras muchos años de investigación en tomografía de impedancia eléctrica (EIT) pulmonar con equipos provisionales o modelos de serie fabricados en cantidades muy limitadas, tres sistemas comerciales de EIT pulmonar han llegado al mercado de la tecnología médica: Timpel Medical - ENLIGHT 2100, PulmoVista® 500 de Dräger y LuMon EIT de Sentec . Estos modelos se están instalando actualmente en unidades de cuidados intensivos y ya se utilizan como herramientas de apoyo en la toma de decisiones relacionadas con el tratamiento de pacientes con síndrome de dificultad respiratoria aguda (SDRA).

La creciente disponibilidad de sistemas EIT comerciales en las UCI mostrará si la prometedora evidencia obtenida de modelos animales también se aplica a los humanos (reclutamiento pulmonar guiado por EIT, selección de niveles óptimos de PEEP, detección de neumotórax, prevención de la lesión pulmonar asociada a la ventilación (VALI), etc.). Esto sería muy deseable, dado que estudios recientes sugieren que el 15 % de los pacientes con ventilación mecánica en la UCI desarrollarán lesión pulmonar aguda (ALI) con colapso pulmonar progresivo concomitante, la cual se asocia con una alta mortalidad del 39 %. [ 46 ] Recientemente, el primer ensayo prospectivo en animales sobre ventilación mecánica guiada por EIT y resultados demostró beneficios significativos en cuanto a la mecánica respiratoria, el intercambio gaseoso y los signos histológicos de lesión pulmonar asociada a la ventilación. [ 47 ]

Además de la información visual (por ejemplo, la distribución regional del volumen corriente), las mediciones de EIT proporcionan conjuntos de datos brutos que pueden utilizarse para calcular otra información útil (por ejemplo, cambios en el volumen de gas intratorácico durante una enfermedad crítica); sin embargo, dichos parámetros aún requieren una evaluación y validación cuidadosas. [ 42 ]

Otro aspecto interesante de la EIT torácica es su capacidad para registrar y filtrar señales pulsátiles de perfusión. Si bien se han publicado estudios prometedores sobre este tema, [ 48 ] esta tecnología aún está en sus inicios. Un avance significativo permitiría la visualización simultánea del flujo sanguíneo regional y la ventilación regional, lo que posibilitaría a los médicos localizar y reaccionar ante derivaciones fisiológicas causadas por desajustes regionales entre la ventilación y la perfusión pulmonar, con la consiguiente hipoxemia.

Mama (MF-EIT)

La tomografía de impedancia eléctrica (EIT) se está investigando en el campo de la imagenología mamaria como una técnica alternativa/complementaria a la mamografía y la resonancia magnética (RM) para la detección del cáncer de mama. La baja especificidad de la mamografía [ 49 ] y de la RM [ 50 ] resulta en una tasa relativamente alta de falsos positivos, con gran angustia para las pacientes y un alto costo para los sistemas de salud. El desarrollo de técnicas de imagen alternativas para esta indicación sería deseable debido a las deficiencias de los métodos existentes: la radiación ionizante en la mamografía y el riesgo de inducir fibrosis sistémica nefrogénica (FSN) en pacientes con función renal disminuida por la administración del agente de contraste utilizado en la RM mamaria, el gadolinio . [ 51 ]

La literatura muestra que las propiedades eléctricas difieren entre los tejidos mamarios normales y malignos, [ 52 ] preparando el terreno para la detección del cáncer a través de la determinación de las propiedades eléctricas.

Un desarrollo comercial temprano de imágenes de impedancia eléctrica no tomográficas fue el dispositivo T-Scan [ 53 ] , que, según se informó, mejoraba la sensibilidad y la especificidad cuando se utilizaba como complemento de la mamografía de cribado. Un informe a la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) describe un estudio con 504 sujetos en el que la sensibilidad de la mamografía fue del 82%, del 62% para el T-Scan solo y del 88% para ambos combinados. La especificidad fue del 39% para la mamografía, del 47% para el T-Scan solo y del 51% para ambos combinados. [ 54 ]

Varios grupos de investigación en todo el mundo están desarrollando activamente la técnica. Un barrido de frecuencia parece ser una técnica eficaz para detectar el cáncer de mama mediante EIT. [ 55 ]

La patente estadounidense US 8,200,309 B2 combina la exploración por impedancia eléctrica con la obtención de imágenes de densidad de corriente de baja frecuencia por resonancia magnética en una configuración clínicamente aceptable que no requiere el uso de realce con quelato de gadolinio en la mamografía por resonancia magnética.

Cuello uterino (MF-EIT)

Además de su papel pionero en el desarrollo de los primeros sistemas EIT en Sheffield [ 8 ], el profesor Brian H. Brown participa activamente en la investigación y el desarrollo de un espectroscopio de impedancia eléctrica basado en MF-EIT. Según un estudio publicado por Brown en 2000, MF-EIT es capaz de predecir los grados 2 y 3 de neoplasia intraepitelial cervical (NIC) según la prueba de Papanicolaou con una sensibilidad y especificidad del 92% cada una. [ 56 ] Aún no se ha decidido si MF-EIT cervical se introducirá como complemento o como alternativa a la prueba de Papanicolaou. Brown es el fundador académico de Zilico Limited , que distribuye el espectroscopio (ZedScan I). El dispositivo recibió la certificación CE de su organismo notificado en 2013 y actualmente se está introduciendo en varias clínicas del Reino Unido y en sistemas de salud de todo el mundo.

Cerebro (a-EIT, td-EIT, mf-EIT)

Se ha sugerido que la EIT sea la base para la obtención de imágenes cerebrales que permitan la detección y el monitoreo de la isquemia cerebral , la hemorragia [ 57 ] y otras patologías morfológicas asociadas con cambios de impedancia debido a la hinchazón de las células neuronales, es decir, hipoxemia cerebral e hipoglucemia .

Si bien la resolución espacial máxima de la EIT, de aproximadamente el 15 % del diámetro de la matriz de electrodos, es significativamente menor que la de la TC o la RM cerebral (alrededor de un milímetro), la resolución temporal de la EIT es mucho mayor que la de la TC o la RM (0,1 milisegundos en comparación con 0,1 segundos). [ 8 ] Esto hace que la EIT también sea interesante para monitorizar la función cerebral normal y la actividad neuronal en unidades de cuidados intensivos o en el entorno preoperatorio para la localización de focos epilépticos mediante registros telemétricos. [ 8 ]

Holder demostró en 1992 que los cambios en la impedancia intracerebral pueden detectarse de forma no invasiva a través del cráneo mediante mediciones con electrodos de superficie. Modelos animales de accidente cerebrovascular o convulsiones experimentales mostraron aumentos de impedancia de hasta el 100 % y el 10 %, respectivamente. Los sistemas de EIT más recientes ofrecen la opción de aplicar corrientes alternas desde electrodos de excitación no adyacentes. Hasta el momento, la EIT cerebral no ha alcanzado la madurez necesaria para su adopción en la práctica clínica habitual, aunque actualmente se están realizando estudios clínicos sobre accidente cerebrovascular y epilepsia. [ 8 ]

En este uso, la EIT se basa en la aplicación de corrientes de baja frecuencia por encima del cráneo, de aproximadamente <100  Hz, ya que durante el reposo neuronal a esta frecuencia, estas corrientes permanecen en el espacio extracelular y, por lo tanto, no pueden entrar en el espacio intracelular de las neuronas. Sin embargo, cuando una neurona genera un potencial de acción o está a punto de despolarizarse , la resistencia de su membrana, que impide este proceso, se reduce ochenta veces. Cuando esto ocurre en un gran número de neuronas,  se producen cambios de resistividad de entre el 0,06 % y el 1,7 %. Estos cambios en la resistividad permiten detectar la actividad neuronal coherente en un mayor número de neuronas y, por consiguiente, obtener imágenes tomográficas de la actividad neuronal cerebral.

Lamentablemente, si bien estos cambios son detectables, "son demasiado pequeños para permitir la producción fiable de imágenes". [ 58 ] Las perspectivas de utilizar esta técnica para esta indicación dependerán de una mejora en el procesamiento o la grabación de la señal. [ 58 ]

Un estudio publicado en junio de 2011 informó que la tomografía de impedancia eléctrica funcional por respuesta evocada (fEITER) se ha utilizado para visualizar los cambios en la actividad cerebral tras la inyección de un anestésico. Una de las ventajas de esta técnica es que el equipo necesario es lo suficientemente pequeño y fácil de transportar como para poder utilizarse en el control de la profundidad de la anestesia en quirófanos. [ 9 ]

Perfusión (td-EIT)

Debido a su conductividad relativamente alta, la sangre puede utilizarse para la obtención de imágenes funcionales de la perfusión en tejidos y órganos caracterizados por conductividades más bajas, por ejemplo, para visualizar la perfusión pulmonar regional. [ 4 ] [ 59 ] El fundamento de este enfoque es que la impedancia tisular pulsátil cambia según las diferencias en el llenado de los vasos sanguíneos entre la sístole y la diástole, particularmente cuando se inyecta solución salina como agente de contraste. [ 48 ]

Medicina deportiva / atención domiciliaria (a-EIT, td-EIT)

Las mediciones de impedancia eléctrica también pueden utilizarse para calcular parámetros abstractos, es decir, información no visual. Los recientes avances en la tecnología EIT, así como el menor número de electrodos necesarios para registrar parámetros globales en lugar de regionales en individuos sanos, pueden utilizarse para la determinación no invasiva de, por ejemplo, el VO₂ o la presión arterial en medicina deportiva o atención domiciliaria. [ 48 ]

Sistemas comerciales

a-EIT y td-EIT

Aunque los sistemas EIT médicos no se habían utilizado ampliamente hasta hace poco, varios fabricantes de equipos médicos han estado suministrando versiones comerciales de sistemas de imágenes pulmonares desarrollados por grupos de investigación universitarios. Uno de los primeros sistemas es producido por Maltron International [ 60 ] , que distribuye el sistema Sheffield Mark 3.5 con 16 electrodos. Sistemas similares son el sistema Goe MF II desarrollado por la Universidad de Göttingen (Alemania) y distribuido por CareFusion (16 electrodos), el sistema Sentec LuMon (32 electrodos: cinturones para adultos y neonatos/lactantes) y el Enlight 1800 desarrollado en la Facultad de Medicina de la Universidad de São Paulo y el Instituto Politécnico de la Universidad de São Paulo, distribuido por Timpel SA (cinturón reutilizable para adultos: 32 electrodos; cinturón reutilizable pediátrico: 24 electrodos; cinturón desechable para neonatos: 16 electrodos).  Tanto Sentec como Timpel son dispositivos de tomografía por impedancia eléctrica aprobados por la FDA. El sistema LuMon de Sentec cuenta con la aprobación de la FDA para pacientes con respiración espontánea y está disponible con cinturones de diferentes tamaños para bebés prematuros. Estos sistemas suelen cumplir con la legislación de seguridad médica y han sido utilizados principalmente por grupos de investigación clínica en hospitales, la mayoría de ellos en unidades de cuidados intensivos .

El primer dispositivo EIT para la monitorización de la función pulmonar diseñado para uso clínico diario en el entorno de cuidados intensivos fue lanzado por Dräger Medical en 2011: el PulmoVista® 500 (sistema de 16 electrodos). [ 61 ]

Sentec LuMon

La participación de Sentec en la EIT comenzó con la adquisición de Swisstom en 2018 y el posterior desarrollo del sistema LuMon EIT. Unos cinturones de tela no adhesivos con sensores de seguimiento de posición integrados contienen 32 electrodos que administran corrientes alternas a través del tórax y miden los voltajes resultantes. Las mediciones se transforman en imágenes y parámetros regionales, lo que ayuda a los médicos a evaluar los cambios en el reclutamiento pulmonar, personalizar las estrategias de ventilación e intervenir de forma proactiva.

LuMon se ha utilizado en varios proyectos de investigación en cuidados intensivos neonatales y de adultos a nivel internacional, incluido el proyecto multicéntrico CRADL financiado por la UE, demostrando seguridad y viabilidad en más de 200 bebés prematuros durante periodos de hasta 72 horas. [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]

Timpel Medical

Entre 2002 y 2008, se empezó a desarrollar un proyecto de investigación liderado por el Dr. Marcelo Amato, neumólogo de la Universidad de São Paulo. Estas nuevas estrategias de ventilación impulsaron la necesidad de innovación para permitir la visualización en tiempo real de la ventilación y la individualización del tratamiento a pie de cama. Con este objetivo en mente, se creó Timpel en 2004. Ese mismo año, el Dr. Amato y su equipo publicaron el artículo «Desequilibrios en la ventilación pulmonar regional: un estudio de validación sobre tomografía de impedancia eléctrica» [ 65 ] en la prestigiosa revista ATS Journal , la Revista Estadounidense de Medicina Respiratoria y de Cuidados Críticos, también conocida como la Revista Azul. Este fue solo el comienzo. El equipo de investigación del Dr. Amato publicó más de 30 artículos sobre EIT entre 2004 y 2023. Esta investigación ha contribuido a las numerosas herramientas disponibles hoy en día con EIT. Debido al enorme interés en la EIT y al valor que aporta esta tecnología a la cabecera del paciente, investigadores de todo el mundo han contribuido al conjunto de evidencias con más de 250 publicaciones revisadas por pares en prensa para 2022. El nombre de Timpel deriva de la tecnología (Tomografía de Impedancia Eléctrica) escrita al revés: El – eléctrico; Imp – impedancia; T – tomografía. Timpel es un apasionado y motivado: convertir la EIT en una valiosa herramienta complementaria para las estrategias de protección pulmonar, contribuyendo a la metodología de próxima generación para el tratamiento de pacientes críticos a la cabecera del paciente. Con el dispositivo de tomografía de impedancia eléctrica ENLIGHT de Timpel, la atención de cada paciente se individualiza según su enfermedad pulmonar. ENLIGHT proporciona a los médicos visibilidad del perfil de la enfermedad de ventilación en tiempo real, a la cabecera del paciente, sin el riesgo adicional del traslado.

MF-EIT

Los sistemas de EIT multifrecuencia (MF-EIT) o espectroscopia de impedancia eléctrica (EIS) están diseñados típicamente para detectar o localizar tejido anormal, por ejemplo, lesiones precancerosas o cáncer. Impedance Medical Technologies fabrica sistemas basados ​​en diseños del Instituto de Investigación de Radioingeniería y Electrónica de la Academia Rusa de Ciencias en Moscú, que están dirigidos especialmente a la detección del cáncer de mama. [ 66 ] Mirabel Medical Systems, Inc., con sede en Texas, desarrolla una solución similar para la detección no invasiva del cáncer de mama y ofrece el T-Scan 2000ED . Zilico Limited distribuye un espectroscopio de impedancia eléctrica llamado ZedScan I como un dispositivo médico que se supone ayuda para la localización/diagnóstico de la neoplasia intraepitelial cervical. [ 56 ] El dispositivo recibió la certificación CE en 2013.

V5R

El v5r [ 67 ] es un dispositivo de alto rendimiento, basado en una técnica de medición de voltaje-voltaje, diseñado para mejorar el control de procesos. Su alta velocidad de fotogramas (más de 650 fotogramas por segundo) permite monitorizar procesos de rápida evolución o condiciones de flujo dinámicas. Los datos que proporciona se pueden utilizar para determinar el perfil de flujo de procesos multifásicos complejos , lo que permite a los ingenieros diferenciar entre flujo laminar , flujo pistón y otras condiciones de flujo importantes para una comprensión más profunda y un mejor control de procesos.

Cuando se utiliza para mediciones de concentración, la capacidad de medir la impedancia completa en un amplio rango de relaciones de fase significa que el v5r puede ofrecer una precisión considerable en un rango de conductividad más amplio en comparación con otros dispositivos.

Véase también

Referencias

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