Design and prototyping of a configurable wearable device for thoracic Electrical Impedance Tomography

Lung imaging is considered fundamental in the diagnosis and monitoring of lung diseases. Several imaging techniques have been developed to provide continuous monitoring of pulmonary function, especially in an intensive care setting: complex and detailed imaging techniques, such as CT and MRI, are juxtaposed to techniques that are less powerful, but able to provide continuous, real-time and non-invasive lung monitoring. Electrical Impedance Tomography (EIT) is a non-invasive imaging technique that reconstructs an image of the internal resistivity of the body from the recording of surface potentials, following the injection of a small, harmless alternating current. EIT is non-invasive, radiation free and suitable for bed-side continuous and real-time monitoring of lungs functionality. Another unique advantage of EIT is the possibility to make the device portable and wearable, a feature that is not present in other imaging techniques and that has prompted a remarkable research effort in the latest years. The purpose of this Master Thesis is the design of the first prototype of a configurable wearable device for thoracic EIT, able to both acquire images of the thorax and compute numerical features to describe the breathing pattern. The number of electrodes is configurable and can range from 8 to 16. In a preliminary phase, in vitro tests on agar gel phantoms have been carried out to assess the device ability to reproduce images of resistivity anomalies. In the next phase, in vivo acquisitions are performed, and the quality of the data obtained is confirmed by comparing the results with the gold standard provided by a spirometer. The current stimulation level is compliant to the IEC 60601-1:2015 safety standard. The highest temporal resolution of one frame per second is obtained with the 8-electrodes architecture, while the highest spatial resolution is found with 16 electrodes. The device is able to reconstruct thoracic images and describe the temporal pattern of breathing. Low temporal resolution remains the main limitation of the proposed architecture.

L’imaging polmonare è fondamentale ai fini di diagnosi e monitoraggio delle malattie polmonari. Numerose tecniche di imaging sono state sviluppate per effettuare un monitoraggio continuativo della funzionalità polmonare, specialmente nell’ambito della terapia intensiva: tecniche di imaging complesse e dettagliate, come CT e MRI, sono affiancata a tecnologie non invasive meno potenti, ma capaci di effettuare un monitoraggio in tempo reale della funzionalità polmonare. La Tomografia ad Impedenza Elettrica (EIT) è una tecnica di imaging non invasiva che ricostruisce un’immagine della resistività interna del corpo umano attraverso l’acquisizione di potenziali di superficie, in seguito all’iniezione di una piccola e innocua corrente alternata. L’EIT non è invasiva e non fornisce radiazioni, un suo vantaggio unico è inoltre la possibilità di costruire dispositivi wearable, caratteristica non presente in altre tecniche di imaging. Lo scopo di questa Tesi Magistrale è il design di un primo prototipo di un dispositivo wearable e configurabile per l’EIT toracica, capace sia di acquisire immagini del torace che di calcolare features numeriche per descrivere il pattern respiratorio. Il numero di elettrodi è configurabile e può variare da 8 a 16. In una fase preliminare, test in vitro sono stati effettuati su phantom in agar gel per confermare la capacità del dispositivo di ricostruire immagini di anomalie di resistività. In seguito, sono state effettuate acquisizioni in vivo, la cui bontà è stata confermata dal confronto del segnale ottenuto con il gold standard fornito da uno spirometro. La corrente di stimolazione è compatibile con lo standard di sicurezza IEC 60601-1:2015. La massima risoluzione temporale di un frame al secondo si ottiene con 8 elettrodi, mentre la massima risoluzione spaziale è relativa all’architettura a 16. Il dispositivo è in grado di ricostruire immagini del torace e di descrivere il pattern temporale del respiro. La bassa risoluzione temporale resta la limitazione principale dell’architettura proposta.