Published March 1, 2022
| Version v1
Publication
Open
Scalp-Mounted Electrical Impedance Tomography of Cerebral Hemodynamics
Creators
- 1. Srinakharinwirot University
- 2. University of Manchester
- 3. University of Edinburgh
Description
An Electrical Impedance Tomography (EIT) system has been developed for dynamic three-dimensional imaging of changes in conductivity distribution in the human head, using scalp-mounted electrodes. We attribute these images to changes in cerebral perfusion. At 100 frames per second (fps), voltage measurement is achieved with full-scale signal-to-noise ratio of 105 dB and common-mode rejection ratio > 90 dB. A novel nonlinear method is presented for 3-D imaging of the difference in conductivity distribution in the head, relative to a reference time. The method achieves much reduced modelling error. It successfully localizes conductivity inclusions in experimental and simulation tests, where previous methods fail. For > 50 human volunteers, the rheoencephalography (REG) waveform is observed in EIT voltage measurements for every volunteer, with peak-to-peak amplitudes up to approx. 50 μVrms. Images are presented of the change in conductivity distribution during the REG/cardiac cycle, at 50 fps, showing maximum local conductivity change of approx. 1% in grey/white matter. A total of 17 tests were performed during short (typically 5s) carotid artery occlusions on 5 volunteers, monitored by Transcranial Doppler ultrasound. From EIT measurements averaged over complete REG/cardiac cycles, 13 occlusion tests showed consistently decreased conductivity of cerebral regions on the occluded side, and increased conductivity on the opposite side. The maximum local conductivity change during occlusion was approx. 20%. The simplicity of the carotid artery intervention provides a striking validation of the scalp-mounted measurement system in imaging cerebral hemodynamics, and the REG images indicate its unique combination of sensitivity and temporal resolution.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تم تطوير نظام التصوير المقطعي بالمعاوقة الكهربائية (EIT) للتصوير الديناميكي ثلاثي الأبعاد للتغيرات في توزيع الموصلية في رأس الإنسان، باستخدام أقطاب كهربائية مثبتة على فروة الرأس. نعزو هذه الصور إلى التغيرات في التروية الدماغية. عند 100 إطار في الثانية (fps)، يتم تحقيق قياس الجهد بنسبة إشارة إلى ضوضاء كاملة النطاق تبلغ 105 ديسيبل ونسبة رفض الوضع المشترك > 90 ديسيبل. يتم تقديم طريقة غير خطية جديدة للتصوير ثلاثي الأبعاد للاختلاف في توزيع الموصلية في الرأس، بالنسبة للوقت المرجعي. تحقق الطريقة انخفاضًا كبيرًا في خطأ النمذجة. يقوم بنجاح بتوطين شوائب الموصلية في الاختبارات التجريبية والمحاكاة، حيث تفشل الطرق السابقة. بالنسبة إلى أكثر من 50 متطوعًا بشريًا، يتم ملاحظة الشكل الموجي لتخطيط حركة الدماغ (REG) في قياسات جهد EIT لكل متطوع، مع سعات من الذروة إلى الذروة تصل إلى حوالي 50 ميكرومتر. يتم عرض صور للتغير في توزيع الموصلية خلال الدورة العادية/القلبية، عند 50 إطارًا في الثانية، مما يدل على تغير أقصى في الموصلية المحلية بنسبة 1 ٪ تقريبًا في المادة الرمادية/البيضاء. تم إجراء ما مجموعه 17 اختبارًا خلال انسداد الشريان السباتي القصير (عادة 5s) على 5 متطوعين، تمت مراقبتهم بواسطة الموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة. من متوسط قياسات EIT على مدار الدورات العادية/القلبية الكاملة، أظهر 13 اختبار انسداد انخفاضًا مستمرًا في موصلية المناطق الدماغية على الجانب المسدود، وزيادة الموصلية على الجانب المقابل. كان الحد الأقصى لتغير الموصلية المحلية أثناء الإطباق تقريبًا. 20 ٪. توفر بساطة تدخل الشريان السباتي التحقق من صحة نظام القياس المثبت على فروة الرأس في تصوير الديناميكا الدموية الدماغية، وتشير صور REG إلى مزيج فريد من الحساسية والدقة الزمنية.Translated Description (French)
Un système de tomographie par impédance électrique (EIT) a été développé pour l'imagerie tridimensionnelle dynamique des changements dans la distribution de la conductivité dans la tête humaine, en utilisant des électrodes montées sur le cuir chevelu. Nous attribuons ces images à des changements dans la perfusion cérébrale. À 100 images par seconde (fps), la mesure de la tension est réalisée avec un rapport signal sur bruit à grande échelle de 105 dB et un rapport de réjection en mode commun > 90 dB. Une nouvelle méthode non linéaire est présentée pour l'imagerie 3D de la différence de distribution de conductivité dans la tête, par rapport à un temps de référence. Le procédé permet de réduire considérablement les erreurs de modélisation. Il localise avec succès les inclusions de conductivité dans les tests expérimentaux et de simulation, où les méthodes précédentes échouent. Pour > 50 volontaires humains, la forme d'onde de rhéo-encéphalographie (REG) est observée dans les mesures de tension EIT pour chaque volontaire, avec des amplitudes crête à crête allant jusqu'à environ 50 μVrms. Des images sont présentées de l'évolution de la distribution de la conductivité au cours du cycle REG/cardiaque, à 50 ips, montrant une variation maximale de la conductivité locale d'environ 1% en matière grise/blanche. Au total, 17 tests ont été effectués lors de courtes occlusions de l'artère carotide (généralement 5s) sur 5 volontaires, surveillées par échographie Doppler transcrânienne. À partir des mesures d'EIT moyennées sur des cycles complets REG/cardiaques, 13 tests d'occlusion ont montré une diminution constante de la conductivité des régions cérébrales du côté occlus et une augmentation de la conductivité du côté opposé. Le changement maximum de conductivité locale pendant l'occlusion était d'environ 20 %. La simplicité de l'intervention de l'artère carotide fournit une validation frappante du système de mesure monté sur le cuir chevelu en imagerie hémodynamique cérébrale, et les images REG indiquent sa combinaison unique de sensibilité et de résolution temporelle.Translated Description (Spanish)
Se ha desarrollado un sistema de tomografía de impedancia eléctrica (EIT) para obtener imágenes tridimensionales dinámicas de los cambios en la distribución de la conductividad en la cabeza humana, utilizando electrodos montados en el cuero cabelludo. Atribuimos estas imágenes a cambios en la perfusión cerebral. A 100 fotogramas por segundo (fps), la medición de voltaje se logra con una relación señal/ruido a escala completa de 105 dB y una relación de rechazo en modo común > 90 dB. Se presenta un nuevo método no lineal para la obtención de imágenes en 3D de la diferencia en la distribución de la conductividad en el cabezal, en relación con un tiempo de referencia. El método logra un error de modelado muy reducido. Localiza con éxito las inclusiones de conductividad en pruebas experimentales y de simulación, donde los métodos anteriores fallan. Para > 50 voluntarios humanos, la forma de onda de la reoencefalografía (REG) se observa en las mediciones de voltaje EIT para cada voluntario, con amplitudes de pico a pico de hasta aproximadamente 50 μVrms. Se presentan imágenes del cambio en la distribución de la conductividad durante el ciclo REG/cardíaco, a 50 fps, que muestran un cambio de conductividad local máximo de aprox. 1% en la materia gris/blanca. Se realizaron un total de 17 pruebas durante oclusiones cortas (típicamente 5s) de la arteria carótida en 5 voluntarios, monitoreadas por ultrasonido Doppler transcraneal. A partir de las mediciones de EIT promediadas a lo largo de ciclos de REG/cardíacos completos, 13 pruebas de oclusión mostraron una disminución constante de la conductividad de las regiones cerebrales en el lado ocluido y un aumento de la conductividad en el lado opuesto. El cambio máximo de conductividad local durante la oclusión fue de aprox. 20%. La simplicidad de la intervención de la arteria carótida proporciona una validación sorprendente del sistema de medición montado en el cuero cabelludo en la hemodinámica cerebral de imágenes, y las imágenes REG indican su combinación única de sensibilidad y resolución temporal.Files
09690163.pdf.pdf
Files
(245 Bytes)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:e5e1521ae349608d0aa3edf3bb98b909
|
245 Bytes | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التصوير المقطعي بالمعاوقة الكهربائية المثبتة على فروة الرأس للديناميكا الدموية الدماغية
- Translated title (French)
- Tomographie d'impédance électrique montée sur le cuir chevelu de l'hémodynamique cérébrale
- Translated title (Spanish)
- Tomografía de impedancia eléctrica de la hemodinámica cerebral montada en el cuero cabelludo
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4207058102
- DOI
- 10.1109/jsen.2022.3145587
References
- https://openalex.org/W1979972895
- https://openalex.org/W1983829451
- https://openalex.org/W1991206337
- https://openalex.org/W1991337265
- https://openalex.org/W1997250339
- https://openalex.org/W2005681075
- https://openalex.org/W2009593618
- https://openalex.org/W2011363973
- https://openalex.org/W2016344151
- https://openalex.org/W2029473027
- https://openalex.org/W2035106447
- https://openalex.org/W2035723575
- https://openalex.org/W2040077535
- https://openalex.org/W2041314276
- https://openalex.org/W2054962225
- https://openalex.org/W2059644152
- https://openalex.org/W2060401580
- https://openalex.org/W2062091836
- https://openalex.org/W2071710884
- https://openalex.org/W2072642331
- https://openalex.org/W2075225575
- https://openalex.org/W2101126957
- https://openalex.org/W2111478506
- https://openalex.org/W2116484487
- https://openalex.org/W2118656639
- https://openalex.org/W2135862339
- https://openalex.org/W2154287896
- https://openalex.org/W2281010850
- https://openalex.org/W2509431176
- https://openalex.org/W2594706069
- https://openalex.org/W2803200748
- https://openalex.org/W2810180541
- https://openalex.org/W2896989731
- https://openalex.org/W2904590639
- https://openalex.org/W3160733781
- https://openalex.org/W3215393340
- https://openalex.org/W4234909944