Sverre Grimnes og Ørjan G. Martinsen. Bioimpedans fra Maxwells likninger til medisinsk diagnose

Transkript

1 Sverre Grimnes og Ørjan G. Martinsen Bioimpedans fra Maxwells likninger til medisinsk diagnose

2 Prinsipp CC PU PU CC

3 Herman P Schwan

4 Galvani 1780

5 William Gilbert 1600

6 Maxwells likninger Differential form Explanation by integral Eq. 8.2 E = q v /ε 0 Flux of E through a closed surface = net enclosed charge/ε 0 Gauss law Eq. 8.3 Faradays law x E = - B/ t Eq. 8.4 B = 0 Flux of B through a closed surface = 0 Eq. 8.5 x H = J f + D/ t Amperes law Line integral of E around a loop = -rate of change of flux of B through the loop Line integral of H around a loop = current density of free charges through the loop + rate of change of flux of D through the loop Also valid under non-homogeneous, non-linear and anisotropic conditions Eq. 8.5 Amperes law x H = J f + D/ t Line integral of H around a loop = current density of free charges through the loop + rate of change of flux of D through the loop

7 Bioimpedans Z = r L/A [ohm] Vevs evne til å motsette seg passasje av vekselstrøm Avhengig av geometri og vevets resistivitet

8 Celle-membranene RF LF

9 Elektrode-systemer bipolar monopolar Monopolart 3-el system 4-el system

10

11 In-vivo 4-electrode measurements a.z60 Z CC CC 10 1 PU theta Frequency (Hz) Frequency (Hz)

12 FEM analyse (Geselowitz (1971) Closer look If you multiply the sensitivity with the resistivity in each small volume element, you get a resistance,

13 Bioimpedans er plethysmografisk, dvs den reagerer for eksempel på volumet av blod som kommer inn i det målte området. C Dv C'

14 Bioimpedans angis med komplekse tall som kan plottes i det komplekse plan. Det komplekse plan kalles Wesselplan, Argand-plan eller Nyquistplan. Caspar Wessel var først ute med den geometriske tolkningen av et komplekst tall (1797). 0,025 Y'' Wessel: fc = 3467Hz 0 0 0,025 0,050 0,075 Y' Cole (1940) anga en likning som gir et sirkel-segment i Wessel-planet. Gir et måleresultat sirkelsegmenter kan parametrene i hvert Cole-segment bestemmes. Måleresultatet er parametrisert. Cole: Z R0 - R = R + 1+ ( jwt ) j= -1 a

15 Seminar på Wessel stuen (Vestby)

16 Våre funn Elektrovibrasjon, 1 mikroampere følegrense Hudens breakdown Elektro-osmose Caspar Wessels komplekse plan (1797) Mål for hudens fuktighet Mål for kjøttkvalitet (og fisk) Nålposisjon Svetteaktivitet og det sympatiske nervesystemet

17 Utfordringer Kartlegging av kroppens svettemønster. Hva er sammenhengen mellom diabetes og svette? Hva skyldes alpha-dispersjonen vi ofte finner i vev? Mange tror det har noe med cellenes overflater å gjøre (transversal bioimpedans). Vevets anisotropi og heterogenitet

18 Sverre Grimnes og Ørjan G. Martinsen Bioimpedans fra Maxwells likninger til medisinsk diagnose - anvendelser

19

20 Anvendelser i vår gruppe Medisinske Nålposisjonering Måling av svetteaktivitet Fuktighet i hud Kreftvev strålebehandling Hudkreft fotodynamisk terapi (PDT) E-felt og potensialfordeling på hud pco 2 -sensor for ischemi Ikke- medisinske Kjøttkvalitet Karbon nanokoner Fingeravtrykk

21 Nålposisjonering hvor er nålspissen?

22

23 Nålposisjonering Isolerte skaft Vanlig å bruke ved EMG Sender en liten strøm mellom nålen og en stor referanseelektrode Målt sensitivitet er J 2

24 Griseforsøk for å samle vevsdata

25

26 Disseksjon eller transcutant (med ultralyd Per Kristian Hol)

27 Multivariatanalyse av impedansspektra Eksempel: akuttmedisin Raskt finne blodåre ved akutt hjertestans. Administrering av legemidler. Nedkjøling. Kontrollert reperfusjon

28 Klassifisering arterie og vene

29 Klassifisering muskel og fett

30 Klassifisering subdermis og fett

31 Nålarray For å finne blodårer (arterier og vener) under akutt hjerte-lunge-redning for nedkjøling og kontrollert reperfusjon. Målet er å utvikle et automatisk verktøy som finner blodkar og leder kanylen inn i blodkaret.

32

33 Invasive 2D-avbildning? Første forsøk på analyse Ingen multivariatanalyse (klassifisering) Fasevinkel ved 100 khz

34 Første invasive impedanstomografibilde? Ikke multivariatanalyse Ikke klassifikasjon kun kontinuerlig fargeskala Plott av fasevinkel ved 100 khz Multivariat klassifikasjon vil trolig øke kvaliteten på bildet

35 Måling av svetteaktivitet Både elektrodermal respons (EDR) og termisk svetting EDR sier noe om aktivitet i det autonome nervesystemet Prøver å forstå sammenhengen mellom endringer i potensial på huden og ledningsevne gjennom huden ved EDR Hva er årsaken til potensialendringene? Hvordan er termisk svetting styrt på forskjellige hudområder? Anvendelseområder er bl.a.: Hyperhidrose (ekstrem svetting) Smerteestimering Diabetes Stress

36 SudoLogger Fire målekanaler Trådløs kommunikasjon med PC To døgns lagringsmulighet og batterilevetid Egen software for monitorering og databehandling CE-merket

37 Måling under stress 20 Left axilla Skin AC conductance [µs/cm 2 ] Relaksasjon Stress-periode med hoderegning Relaksasjon Right axilla Hypothenar Abdomen :33 13:34 13:35 13:36 13:36 13:37 13:38 13:39 13:40 13:40 13:41 13:42 13:43 13:44 13:44 13:45 13:46 13:47

38 Måling under fysisk anstrengelse

39 Måling under søvn

40 Måling på ulike dermatomer Dermatomer (fra wikimedia commons)

41 Pilotstudie mentalt stress Relaxation Distraction Anticipation 10 min 10 min 10 min Aim: low stress Aim: medium stress Aim: high stress 10 =? 1 Operator giving instructions between epochs Excerpt from Darwin: On the origin of Species by Means of Natural Selection

42 Eksempel på måleresultat Skin surface conductance density [µs/cm 2 ] Epoch 1 Epoch 2 Epoch 3 Subjective stress scoring (1-10): Epoch 1: 1 Epoch 2: 8 Epoch 3: Time [min]

43 Parametere fra tidsserie Min Mean Max Average positive change Variance Detrended Variance Variance of the time derivative Zero crossing rate of the time derivative Top count Auto-covariance length Mobility Form factor Wavelet fractal Hurst exponent Higuchi s fractal dimension Shannon entropy Level Response amplitude Response slope Response frequency Complexity

44 Resultater (13 forsøkspersoner) Correlation coefficient 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 *** ** * TC ZCR ACL Min Mean Mobility Max APC D6 H Form Factor Higuchi D Derivative Var Var Detrended Var Sh.Entropy Correlation coefficients between different parameters and the subjective scoring (Pearson product moment correlation). Hatched bar indicates a negative correlation. ***p<0.001, **p<0.01, *p<0.05. Normalised EDA Top Count and scoring [0-1] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 * * Epoch Epoch Mean EDA TC Epoch Mean Scoring Means + std.dev. of the TC parameter (black) and the subjective scoring (grey). *p<0.05, Holm-Sidak t-test

45 Fingeravtrykk og deteksjon av levende finger Idex ASA Scale invariant data feature Live fingers feature 1 Matsumoto et al. Proc. SPIE, vol. 4677, , 2002 Nature, vol. 417, p. 583, 2002 Nature, vol. 417, p. 676, 2002 Sensor Substrate ASIC