Conception d'un module d'électrodes actives pour un système de tomographie d'impédance électrique bifréquence

Electrical impedance tomography is an imaging technique used to non-invasively monitor
changes in the electrical properties of living tissues inside a body region. EIT images
are obtained in two steps: impedance measurements are made with electrodes located on
the body region of interest and a reconstruction algorithm is applied to obtain the electrical
conductivity distribution within that region. In conventional EIT, tissue impedance is
measured at a single frequency, typically 50 kHz. Images are reconstructed from two sets
of data acquired at dierent times. This technique, called time-dierence imaging, produces
images representing changes in tissue conductivity rather than the absolute conductivity distribution.
Time-dierence imaging minimizes the eects of instrumentation imperfections,
since these errors are present in both data sets used for image reconstruction. However, the
technique is sensitive to the stability of the rst measurement set, which is normally used
as the reference set. Applicability of time-dierence imaging is also limited to clinical situations
where a reference set can be obtained. For instance, the technique cannot be used for
detecting a tumour, since a reference data set is not available before the tumour develops.
An alternate EIT technique, called frequency-dierence imaging, can overcome many
limitations of time-dierence imaging. The technique is based on the fact that electrical
properties of biological tissues, namely their complex admittivity, depend on measurement
frequency, cellular-level structure of the tissues and physiological state. Frequency-dierence
EIT images are reconstructed from two data sets that are acquired simultaneously at two
frequencies. By selecting frequencies that maximize dierences in the complex admittance of
the tissues of interest, it is possible to enhance their contrast in the images and eventually
detect anomalies. However, frequency-dierence imaging requires a high level of uniformity
in the EIT system characteristics. Otherwise, it may not be possible to distinguish changes
in admittivity that are caused by the physiological process under study or by the frequencydependent
variations in system performance.
The EIT system developed by the biomedical instrumentation laboratory at Ecole Polytechnique
de Montreal has been designed for monitoring lung function at the bedside of
ventilated patients. The system provides time-dierence images in real time at a maximum
rate of 24 frames per second. It has been optimized for operation at 50 kHz and cannot be
used for frequency-dierence imaging since the disparity in channel characteristics at other
frequencies would cause artefacts. To solve this problem, we have developed during this
project a broadband active electrode module that enables our system to be used for both

Résumé

La tomographie d'impedance electrique est une technique d'imagerie permettant de visualiser
des changements dans les proprietes electriques des tissus d'une region du corps. L'obtention
d'une image de TIE se realise en deux etapes : l'acquisition de mesures d'impedance
et la reconstruction de la distribution de conductivite. Les mesures de TIE sont obtenues en
placant de 16 a 64 electrodes a la surface de la region a imager. En TIE conventionnelle, les
mesures d'impedance sont faites a une seule frequence, le plus souvent a 50 kHz. Les images
sont reconstruites a partir de deux ensembles de mesures, obtenus a deux instants dierents,
an d'observer un changement de conductivite plut^ot qu'une distribution de conductivite
absolue. Les images representant un changement de conductivite dans le domaine du temps
sont appelees images dierentielles. Un avantage de cette technique d'imagerie est qu'elle
permet de minimiser l'eet des erreurs d'instrumentation puisqu'elles sont presentes dans
les deux ensembles de mesures. Neanmoins, certains inconvenients sont associes a l'imagerie
dierentielle. La stabilite de la reference n'est pas assuree pour des acquisitions de longue
duree, a cause de sources d'erreur associees aux performances du systeme et a son ergonomie.
Un autre inconvenient de l'imagerie dierentielle est qu'elle est limitee aux applications
cliniques pour lesquelles un ensemble de mesures de reference est disponible. Par exemple, on
ne pourrait utiliser l'imagerie dierentielle pour detecter une tumeur puisqu'aucun ensemble
de mesures de reference n'est disponible avant que la tumeur ne se developpe.
La TIE bifrequence (TIE-BF) consiste a acquerir deux ensembles de mesures simultanement
a deux frequences dierentes. Cette methode repose sur le fait que les tissus biologiques
ont des proprietes electriques, notamment l'admittivite complexe, qui varient en fonction de la
frequence, de la structure cellulaire et de leur etat physiologique. En eectuant des mesures
a deux frequences choisies pour maximiser les dierences entre deux types de tissus, nous
pouvons mettre en evidence des anomalies dans leur structure cellulaire. La TIE-BF ore
ainsi un avantage interessant par rapport a la TIE simple frequence du fait que l'utilisation
simultanee de deux frequences minimise les erreurs d'instabilite de la reference. Toutefois,
les systemes de TIE-BF doivent presenter des performances uniformes sur une grande plage
de frequences. Sinon, il peut ^etre dicile de discerner si le changement d'admittivite observe
est attribuable a un phenomene physiologique ou aux erreurs dues a la non-uniformite des
performances du systeme.
Le systeme de TIE du laboratoire d'instrumentation biomedicale de l'Ecole Polytechnique
a ete concu pour evaluer la distribution regionale de la ventilation au chevet des patients.