mini|Abbildung 1: Elektrodenanordnung am Brustkorb (Thorax): Der über die roten Elektroden eingebrachte Messstrom erzeugt eine Potentialverteilung im Thorax, welche über die grünen Elektroden gemessen wird. mini|Prototyp zur Applied Potential Tomography mit 16 Elektroden von Brian H. Brown aus dem Jahr 1987.
Die Elektrische Impedanz-Tomografie (EIT) ist ein vergleichsweise neues, nichtinvasives bildgebendes Verfahren, das auf Messungen elektrischer Leitfähigkeiten im menschlichen Körper basiert. Diesem Verfahren liegt die Beobachtung zugrunde, dass sich elektrische Leitfähigkeiten biologischer Gewebe je nach Beschaffenheit (absolute EIT) und/oder funktionellem Zustand (funktionelle oder relative EIT) stark unterscheiden. Neben den Ansätzen der absoluten und funktionellen EIT, bei denen zumeist Wechselströme einer einzigen Frequenz genutzt werden, kann man auch Wechselströme verschiedener Wellenlängen einspeisen, um beispielsweise Fragestellungen zur Lokalisierung pathologischer Veränderungen innerhalb eines Gewebetyps zu adressieren (EIT-Spektroskopie).
Positioniert man mehrere Oberflächenelektroden um eine bestimmte Körperregion auf der Haut und lässt zwischen jeweils zwei Elektroden höherfrequente Wechselströme mit niedriger Amplitude fließen, während man simultan anhand der anderen Elektroden das elektrische Potential registriert, erhält man mittels wiederholter Messungen bei beliebiger Variation des Stimulationselektrodenpaars ein Schnittbild (Tomogramm) aus dem man Rückschlüsse auf die Gewebszusammensetzung innerhalb der untersuchten Körperregion ziehen kannB. H. Brown: Electrical Impedance Tomography (EIT) - A Review. In: J. Med. Eng. Technol. 27(3), 2003, S. 97–108. (Abbildung 1).
Ursächlich für die Leitfähigkeit eines biologischen Gewebes ist insbesondere der Gehalt an freien Ionen. Dieser kann sich deutlich zwischen verschiedenen Gewebearten oder Körperflüssigkeiten unterscheiden, weshalb beispielsweise Muskulatur und Blut den eingespeisten Messstrom aufgrund ihres relativ hohen Gehalts ungebundener Ionen besser leiten können als Fett-, Knochen- oder Lungengewebe. Nutzt man diese Eigenschaft zur anatomischen Darstellung eines statischen Zustands, spricht man von absoluter EIT (a-EIT).M. Bodenstein, M. David, K. Markstaller: Principles of electrical impedance tomography and its clinical application. In: Crit. Care Med. 37(2), 2009, S. 713–724.
Da menschliches Lungengewebe eine etwa fünffach geringere Leitfähigkeit als die meisten anderen Weichgewebe innerhalb des Brustkorbs aufweist, eignet sich die Lunge infolge des damit einhergehenden hohen absoluten Kontrasts besonders gut für Bildgebungsverfahren auf Grundlage der EIT. Zudem schwankt die Leitfähigkeit der Lunge zyklisch zwischen Ein- und Ausatmung um ein Vielfaches (dynamischer Kontrast), weshalb sich die EIT per se auch für klinische Fragestellungen, welche mit Inhomogenitäten der Lungenbelüftung einhergehen, zu eignen scheint. Da man hier differenzielle Messungen zwischen zwei oder mehreren physiologischen Zuständen aufzeichnet, spricht man von funktioneller EIT (f-EIT).
Ein Vorteil der funktionellen EIT gegenüber der absoluten EIT liegt insbesondere darin, dass sich Ungenauigkeiten aufgrund individueller Anatomie, schlecht leitender Hautelektroden und anderer Artefaktquellen durch einfache Subtraktion der Bilder deutlich reduzieren lassen. Dies sind entscheidende Faktoren, weshalb die größten Fortschritte der EIT-Weiterentwicklung bislang im Bereich der funktionellen Lungen-EIT gemacht wurden.E. L. Costa, R. G. Lima, M. B. Amato: Electrical impedance tomography. In: Curr. Opon. Crit. Care. 15(1), 2009, S. 18–24.
Weitere Hoffnungen auf einen Einsatz innerhalb der klinischen Routine macht man sich zudem bislang in der Tumordiagnostik (z. B. als Zusatzdiagnostikum der Mammographie), der optimierten Lokalisierung Epilepsie-auslösender Hirnareale bzw. der frühen Identifikation auffälliger Areale des Gebärmutterhalses, sowie in Diagnostik von Magenentleerungsstörungen (beispielsweise Magenausgangsverengungen).David S. Holder: Electrical Impedance Tomography. Methods, History and Applications. Institute of Physics, Bristol / Philadelphia 2005, Part 3 Applications.O. V. Trokhanova, Y. A. Chijova, M. B. Okhapkin u. a.: Possibilities of electrical impedance tomography in gynecology. In: J. Phys. Conference Series. 434, 2013, 012038. Zur Lokalisierung pathologisch verdächtiger Veränderungen innerhalb eines Gewebes werden zumeist Wechselströme variierender Frequenzen entsprechend dem Ansatz der EIT-Spektroskopie (auch als Multifrequenz-EIT (MF-EIT) bezeichnet) eingespeist.
Die Erfindung der EIT als medizinisches Bildgebungsverfahren wird John G. Webster mit seiner 1978 erschienenen PublikationR. P. Henderson, J. G. Webster: An Impedance Camera for Spatially Specific Measurements of the Thorax. In: IEEE Trans. Biomed. Eng. 25, 1978, S. 250–254. zugeschrieben, die erste wissenschaftlich publizierte praktische Umsetzung erfolgte jedoch erst später durch David C. Barber und Brian H. Brown.D. C. Barber, B. H. Brown: Applied Potential Tomography" (Review Article). In: J. Phys. E:Sci. Instrum. 17, 1984, S. 723–733. Eines der ersten mittels EIT erstellten Tomogramme wurde von diesen bereits im Jahr 1983 publiziert und zeigt den Querschnitt eines menschlichen Arms mittels absoluter EIT.D. C. Barber, B. H. Brown, I. L. Freeston: Imaging Spatial distributions of resistivity using Applied Potential Tomography. In: Electronics Letters. 19, 1983, S. 93–95. Seitdem wurde die absolute und funktionelle EIT intensiv weiterentwickelt – der Großteil rein morphologischer Anwendungen mittels absoluter EIT befindet sich jedoch noch immer in einem eher experimentellen Stadium. Eine Weiterentwicklung der a-EIT stellt die MF-EIT bzw. Elektroimpedanzspektroskopie (EIS) dar, welche gewebstypische Impedanzmuster bei variierenden Wechselstrom-Frequenzen registriert. An der Weiterentwicklung dieser Technologie ist Brian H. Brown ebenfalls maßgeblich beteiligt.
Abseits der medizinischen Bildgebung wird ein der EIT ähnliches Prinzip auch in der Geophysik zur Darstellung unterirdischer Strukturen (Elektrische Widerstandstomografie, ERT)M. Schreiner, K. Kreysing: Handbuch zur Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlasten. 1998, ISBN 3-540-59461-2, S. 220–226. und in der Prozesstechnik zur quantitativen Bestimmung leitfähiger Flüssigkeiten verwendet.M. S. Beck, R. Williams: Process Tomography: Principles, Techniques and Applications, Butterworth-Heinemann. 1995, ISBN 0-7506-0744-0.
Grundlagen Wie bereits zuvor beschrieben liegt der Elektrischen Impedanz-Tomographie (EIT) die Beobachtung zugrunde, dass sich die elektrische Leitfähigkeit eines biologischen Gewebes je nach seiner Beschaffenheit stark unterscheidet, wofür insbesondere der unterschiedliche Gehalt an freien Ionen ursächlich ist.
Dies macht man sich bei der EIT zunutze, indem man Oberflächenelektroden um eine bestimmte Körperregion an der Haut befestigt (z. B. mittels Klebeelektroden, Elektrodengurt oder leitfähiger Elektrodenweste) und zwischen jeweils 2 (meist benachbarten) Elektroden Wechselströme (10 – 100 kHz) mit niedriger Amplitude im einstelligen Miliampère-Bereich fließen lässt. Diese breiten sich dreidimensional im Körper aus und werden von den übrigen, meist zirkulär um die Untersuchungsebene angeordneten Elektroden gemessen. Dieser Vorgang wird dann beispielsweise vom nächstgelegenen Elektrodenpaar wiederholt, bis eine vollständige Umrundung analog einem kompletten Messzyklus erfolgt ist. Die registrierten Daten eines solchen Messzyklus können anhand relativ komplexer mathematischer Algorithmen digital zu einem Bild ähnlich einem Tomogramm weiterverarbeitet werden.David S. Holder: Electrical Impedance Tomography. Methods, History and Applications. Institute of Physics, Bristol / Philadelphia 2005, Part 1 AlgorithmsW. R. B. Lionheart: EIT reconstruction algorithms: pitfalls, challenges and recent developments. Review Article. In: Physiol. Meas. 25, 2004, S. 125–143.
250px|mini|Abbildung 2: Visualisierung von Stromfluss (blau dargestellt) und entsprechendem Äquipotential (schwarz dargestellt) nach Einspeisung über zwei nicht unmittelbar benachbarte Messelektroden anhand eines CT des menschlichen Brustkorbs. Man beachte den Organabhängigen gebogenen Stromfluss entsprechend der jeweiligen Leitfähigkeit.EIDORS documentation Bei der absoluten EIT soll in der Regel die Morphologie (Anatomie) der untersuchten Körperregion dargestellt werden. Problematisch bei dieser Form der EIT ist jedoch die Charakteristik von Strom, dass sich dieser bevorzugt entsprechend dem geringsten Widerstand im dreidimensionalen Raum verteilt (Abbildung 2) und somit nicht nur innerhalb, sondern auch außerhalb der entsprechenden Untersuchungsebene (Impedanztransfer). Daher ist die digitale Erstellung des eigentlichen "Schnittbilds" mittels EIT auch deutlich komplizierter als beim Verfahren der röntgenbasierten Computertomographie (CT), bei welchem lineare Röntgenstrahlen die darzustellende Untersuchungsebene rotatorisch aus verschiedenen Blickwinkeln durchdringen. Im Gegensatz dazu erhält man aus den mittels absoluter EIT gemessenen Rohdaten eines EIT-Messzyklus mehrere Möglichkeiten wie das zweidimensionale Darstellungskorrelat aussehen könnte, da man u. a. infolge des variablen Impedanztransfers nicht auf eine einzige und eindeutige Möglichkeit der zu rekonstruierenden Bildebene rückschließen kann. So gesehen entspricht die EIT per Definition eigentlich gar keinem "echten" Tomographie-Verfahren, welches einen zweidimensionalen virtuellen Körperschnitt auch zweidimensional darstellt, sondern vielmehr einem Tomographie-ähnlichen Verfahren, welches ein dreidimensionales Körperareal quasi auf eine zweidimensionale Ebene projiziert.
Mathematisch wird dieses Phänomen als Inverses Problem bezeichnet, das zunächst nur schwer oder überhaupt nicht lösbar erscheint. Es gilt als inkorrekt gestellt, weil es nicht Jacques Hadamards Definition eines korrekt gestellten Problems entspricht (Existenz, Eindeutigkeit, Stabilität). Ein weiteres Problem der absoluten EIT stellen zudem unterschiedliche Hautleitfähigkeiten einzelner Elektroden eines Probanden dar, ebenso interindividuelle Unterschiede der Hautleitfähigkeit verschiedener Probanden. Beides kann verzerrte Darstellungen oder Artefakte verursachen. Letztendlich handelt es sich bei der zu untersuchenden Ebene nur selten um einen kreisrunden Körper, so dass intra- und interindividuelle Unterschiede der Elektrodenpositionierung zu weiteren Verzerrungen der darzustellenden Anatomie beitragen (z. B. des menschlichen Brustkorbs).A. Boyle, A. Adler: The impact of electrode area, contact impedance and boundary shape on EIT images. In: Physiol. Meas. 32(7), 2011, S. 745–754. Durch die Verwendung aktiver Elektroden direkt am Patienten kann man das Signal-Rausch-Verhältnis deutlich verbessern und die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Artefakten stark reduzieren.B. Rigaud, Y. Shi, N. Chauveau, J. P. Morucci: Experimental acquisition system for impedance tomography with active electrode approach. In: Med. Biol. Eng. Comput. 31(6), 1993, S. 593–599.P. O. Gaggero, A. Adler, J. Brunner, P. Seitz: Electrical impedance tomography system based on active electrodes. In: Physiol. Meas. 33(5), 2012, S. 831–847. Um der individuellen Brustkorbanatomie der Patienten besser gerecht zu werden, ist es zudem sinnvoll a priori Datensätze zu Patientengröße, -gewicht und -geschlecht bei der Bildrekonstruktion zu berücksichtigen.D. Ferrario, B. Grychtol, A. Adler, J. Solà, S. H. Böhm, M. Bodenstein: Toward morphological thoracic EIT: major signal sources correspond to respective organ locations in CT. In: IEEE Trans. Biomed. Eng. 59(11), 2012, S. 3000–3008. Inzwischen gibt es auch EIT-Systeme, welche schlechter leitende Elektroden direkt identifizieren und visualisieren bzw. von der Bildrekonstruktion ausschließen können.