Système de tomographie d'impédance électrique modulaire et reconfigurable réalisé à l'aide d'un FPGA

Electrical impedance tomography (EIT) is a medical imaging technique that may be used to visualize the electrical conductivity distribution of a body section. EIT is mainly used for monitoring pulmonary ventilation, cardiac activity and cerebral activity as well as for screening breast and skin cancer. Pulmonary, cardiac and cerebral EIT monitoring relies on the variation of conductivity caused by physiological movement of body fluids (air or blood) which are respectively poor or good electrical conductors. EIT applications to cancer screening are based on specific variations of tissue conductivity as a function of frequency. These specific variations are also affected by the physiological or pathological state of tissues. Each of these applications requires a different type of EIT system: multifrequency, tridimensional or synchronous to a physiological event. Until now, a custom-designed data acquisition system had to be built for each different application. The objective of this master's project is to design a modular system that can be easily reconfigured according to the EIT application to optimize signal to noise ratio or frame rate. A Field Programmable Gate Array (FPGA) based approach has been selected to implement all digital signal processing for this new system. Once finalized, this system will allow selection of the number of carrier frequencies for measuring impedance (single frequency, dual frequency, and multifrequency modes), the number of electrodes and their distribution in space (bidimensional or tridimensional modes), as well as data acquisition synchronized to external signals or not.

Résumé

La tomographie d'impédance électrique (TIE) est une technique d'imagerie médicale qui permet de visualiser la distribution de conductivité électrique d'une section du corps. Les principales applications de la TIE sont le monitorage de la ventilation pulmonaire, de l'activité cardiaque et de l'activité cérébrale ainsi que le dépistage du cancer du sein et de la peau. Les trois premières applications exploitent les variations de conductivité engendrées par le déplacement physiologique de fluides (air ou sang) qui sont de mauvais ou de bons conducteurs électriques. Les deux dernières utilisent les variations spécifiques du profil de conductivité des tissus en fonction de la fréquence. Ces profils dépendent de l'état physiologique ou pathologique des tissus. Chacune de ces applications nécessitent une variante différente de la TIE : multifréquentielle, tridimensionnelle ou synchrone à un événement physiologique. Jusqu'à récemment, chaque variante nécessitait la réalisation d'un système d'acquisition de données spécifique. L'objectif de ce projet de maîtrise est de concevoir un système modulaire qu'on peut facilement reconfigurer selon l'application envisagée afin d'optimiser le rapport signal sur bruit ou la vitesse d'exécution. L'approche choisie pour ce nouveau système est de réaliser tout le traitement numérique des signaux à l'aide d'un FPGA. À terme, ce système permettra de choisir le nombre de porteuses de fréquences différentes utilisées pour les mesures d'impédance (opération mono-, bi-, ou multifréquence), le nombre d'électrodes et leur distribution dans l'espace (mode bi- ou tridimensionnel) ainsi que l'acquisition de données synchronisée ou non à des signaux externes.