Development of an Electrical Impedance Tomography Platform with Spectroscopy Capabilities

Abstract

Tomografia de impedância elétrica (EIT) é uma técnica de imagiologia emergente baseada na excitação de uma amostra por um sinal de corrente AC, e consecutiva medição de tensão em diferentes configurações, com o objetivo de medir variações na condutividade da amostra recorrendo a algoritmos de problemas inversos. EIT é uma técnica promissora não evasiva, que não utiliza radiação ionizante, diferindo das tomografias computorizadas convencionais. Atualmente a baixa resolução espacial é a grande desvantagem da EIT.O trabalho apresentado nesta tese consiste no desenvolvimento de uma plataforma EIT com 8 eletrodos dispostos num padrão circular. A impedância foi medida utilizando o analizador de impedância AD5933 associado a um circuito conversor de corrente em tensão. O módulo EIT foi connectado a um Raspberry Pi que transferia os dados medidos para um computador através do protocolo SSH. Por sua vez, este computador, tem como função reconstruir as imagens da condutividade da amostra em tempo real, direcionando esta plataforma para a internet das coisas.A plataforma de EIT foi avaliada utilizando as interfaces gráficas desenvolvidas resultando numa gama de frequências de estimulação de 10 kHz a 100 kHz e numa gama de medição de impedâncias até 1569.7 Ohms. O software de reconstrução de imagem utilizou a biblioteca EIDORS e foi capaz de identificar fantomas simples de alta e baixa impedância impressos em 3D colocados numa montagem experimental com uma tina de água salgada de 15 cm de diâmetro. A plataforma foi capaz de discriminar quatro elementos cilindricos, com 2 cm de diâmetro, atingiu uma resolução de separação entre objetos máxima de 3 cm dadas as condições dos testes, no entanto não foi capaz de distinguir uma forma quadrada de uma forma circular com a mesma alta impedância. contudo, o sistema detetou diferencas na dimensão entre dois elementos de baixa impedância e um elemento de alta impedância juntos.A plataforma desenvolvida neste trabalho provou que tem boas capacidades de medição de impedância e um bom desempenho em reconstruir imagens internas de impedância. No entando, trabalhos futuros têm que ser realizados de modo a otimizar o desempenho do sistema, começando por aumentar a gama de medição de impedância e otimizar a estabilidade e precisão da fonte de corrente comandada por tensão.

Electrical impedance tomography (EIT) is a new and emerging tomographic imaging technique used in medical imaging based on sample excitation with an AC signal and subsequent measurements, in different configurations, with the purpose to determine changes in the sample conductivity. This data is then used to produce images of the sample internal conductivity using inverse solver algorithms. EIT is a promising non-invasive imaging technique that does not use ionizing radiation, diverging from conventional CT scans. Currently, the main disadvantage of EIT is its low spatial resolution.The work presented in this thesis comprises the development of an EIT platform with 8 electrodes, arranged in a circular pattern. The sample impedance was measured using the AD5933 impedance analyzer coupled to a voltage to current converter circuit. The EIT module was connected to a Raspberry Pi which transfers the measured data to a computer via SSH protocol, reconstructing the sample conductivity image in real-time, aiming towards the internet of things.The EIT platform was evaluated using the graphical user interfaces (GUI)s developed for this application yielding a measurement range between 10 kHz and 100 kHz and an impedance range up to 1569.7 Ohms. The image reconstruction software used the EIDORS toolbox and was capable of identifying simple 3D printed high and low impedance phantoms placed in a 15 cm diameter salt water test tank setup. The platform was capable of discriminate four cylindrical elements, with 2 cm of diameter, it also achieved a maximum resolution of 3 cm between elements in the test conditions, but was incapable of distinguish a square from a circular shape with the same high impedance. Nevertheless, the system detected differences in size of one high and two low impedances combined.The platform developed in this work has been validated based on its impedance measurement capabilities and image reconstruction performance. Nevertheless, future work must be done in order to improve the performance of the system, starting by increasing the impedance measurement range and optimizing the stability and accuracy of the voltage controlled current source (VCCS).