Research electrical impedance tomography system suitable for making in out of factory conditions

Abstract

The objective of this work is to present the first results of the development of an electrical impedance tomography system assembled from ready-made blocks with free software. Electrical impedance tomography is considered as a possible alternative and adjunct to computer tomography in lung diagnostics. One of the problems along this path is the mutual inaccessibility of equipment of an acceptable level for research physicians and of contacts with such physicians for the developers. An easily reproducible EIT hardware platform from ready-made modules and open source software have been developed and tested as an option for enthusiastic researchers who do not have sufficient experience to independently develop the hardware and software and the means to purchase expensive commercial devices. An evaluation board for an integrated bioimpedance meter, produced by the microcircuit manufacturer, is used to implement the main elements of the measuring system. The 16-channel multiplexers are also available as ready-made modules. A high-performance controller module based on a 32-bit system-on-chip ESP32 with built-in wireless interfaces has a compiler and SDK ported to the Arduino environment. This makes customization and testing of the embedded software possible for non-core professionals. Image reconstruction algorithms are available online on the Institute's server. Both dynamic (visualization of changes only) and static imaging are possible. The results of tomography system testing on the phantom and on the human body demonstrated the high quality of the data collected. Improving the speed of the measuring system and adding software functions, including the use of wireless interfaces for data transmission and direct interaction with the image reconstruction server are topical tasks.

• MEDICAL electronics
• physiological measurements
• electrical impedance
• inverse problems
• lung diagnostics

Аннотация (на русском)

Исследовательский электроимпедансный томограф, доступный для изготовления в нестандартных условиях

Цель работы - представить первые результаты разработки электроимпедансного томографа, собираемого из готовых блоков, со свободным программным обеспечением. Электроимпедансная томография рассматривается как возможная альтернатива и дополнение к компьютерной томографии при диагностике легких. Одной из проблем на этом пути является взаимная малодоступность аппаратуры приемлемого уровня для врачей-исследователей и контактов с такими медиками для ее разработчиков. В качестве варианта для использования исследователями-энтузиастами, не обладающими достаточным опытом для самостоятельной разработки аппаратуры и программного обеспечения и средствами для покупки дорогостоящих коммерческих приборов, разработана и испытана легко воспроизводимая из готовых модулей аппаратная платформа ЭИТ и программное обеспечение с открытым исходным кодом. Для реализации основных элементов измерительной системы используется оценочная плата для интегрального измерителя биоимпеданса, выпускаемая производителем микросхемы. 16-канальные мультиплексоры также доступны в виде готовых модулей. Для высокопроизводительного модуля управляющего контроллера на основе 32-битной системы на кристалле ESP32 со встроенными беспроводными интерфейсами имеется компилятор, портированный в среду Ардуино. Это делает доработку и тестирование встроенного программного обеспечения возможными для непрофильных специалистов. Алгоритмы реконструкции изображений доступны онлайн на сервере Института. Возможны как динамическая (визуализация только изменений), так и статическая визуализация. Результаты тестирования томографа на фантоме и на теле человека продемонстрировали высокое качество получаемых данных. Актуальной задачей остается повышение быстродействия измерительной системы и расширение функций программного обеспечения, включая использование беспроводных интерфейсов для передачи данных и прямое взаимодействие с сервером реконструкции изображений.

For citation

References

1. Barber D.C., Brown B.H., Freeston I.L. Imaging spatial distribution of resistivity using applied potential tomography. Electronics Letters. 1983. V.19. №22. P.933-935. https://doi.org/10.1049/el:19830637
2. Korjenevsky A.V. Reconstruction of absolute conductivity distribution in electrical impedance tomography. Proc. 9th Int. Conf. On Electrical Bio-Impedance. Heidelberg. 1995. P.532-535.
3. Корженевский А.В., Корниенко В.Н., Культиасов М.Ю., Культиасов Ю.С., Черепенин В.А. Электроимпедансный томограф для медицинских приложений. Приборы и техника эксперимента. 1997. №3. C.133-140.
4. Cherepenin V., Karpov A., Korjenevsky A., Kornienko V., Kultiasov Yu., Mazaletskaya A., Mazourov D. Preliminary static EIT images of the thorax in health and disease. Physiol. Meas. 2002. V.23. №1. P.33-41.
5. Маммограф "МЭМ" [электронный ресурс]. Сайт "Импедансные медицинские технологии". https://medimpedance.ru/products.html
6. Swisstom BB2 lung function monitor [online]. Сайт компании Swisstom. http://www.swisstom.com/en/products
7. Dräger PulmoVista® 500: Теперь вентиляцию можно увидеть [электронный ресурс]. Сайт компании Dräger. https://www.draeger.com/ru_ru/Hospital/Electrical-Impedance-Tomography
8. EIDORS: Electrical Impedance Tomography and Diffuse Optical Tomography Reconstruction Software [online]. http://eidors3d.sourceforge.net
9. Шинкаренко В.С., Чучалин А.Г., Костромина Е.Ю. Применение электроимпедансной томографии для выявления скрытых форм патологии при массовых обследованиях населения. Вестник РАМН. 1997. №4. C.52-56.
10. Шинкаренко В.С., Чучалин А.Г., Костромина Е.Ю, Айсанов З.Р., Пашкова Т.Л., Волошина Н.А., Ягья Т.Н. Электроимпедансная томография в пульмонологии. Терапевтический архив. 1997. №4. С.48-51.