Einplatinenrechner Red Pitaya Ein tragbares und präzises elektrisches Impedanz-Tomografiesystem

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MRT, Röntgen und Ultraschall sind etablierte, bildgebende Verfahren. Die elektrische Impedanz-Tomografie ist ein nichtinvasives bildgebendes Verfahren. Ein Einplatinenrechner ist Grundlage für ein tragbares und präzises EIT-System.

Bildgebende Verfahren sind in der Medizin inzwischen alltägliche Hilfsmittel. Sie geben uns wertvolle Informationen über den körperlichen Zustand und mögliche Gesundheitsprobleme. Trotz der beeindruckenden Leistung von MRT, Röntgen und Ultraschall sind diese Systeme oftmals schwer und nicht oder nur kaum mobil einsetzbar. Ein weiteres Problem sind die hohen Energiedosen, die im Gewebe mögliche langfristige Schäden verursachen können.

Das Grundkonzept der elektrischen Impedanz-Tomografie (EIT) sieht vor, dass sehr schwache Ströme mit einer Reihe von Elektroden in den Körper eingebracht und die entsprechenden Spannungen gemessen werden. Die aufgezeichneten Schwankungen bei der Leitfähigkeit des Gewebes lassen sich dazu nutzen, ein Bild von Körperteilen zu erstellen und mögliche Anomalien zu erkennen. Das erfolgt ähnlich wie bei einer MRT-Aufnahme. Die schematische Darstellung des Verfahrens zeigt das Bild 1.

Stromstärke und Spannung sind gering

Sowohl Stromstärke als auch Spannung sind zu gering, um das Gewebe zu schädigen. Deshalb eliminiert ein elektrisches Impedanz-Tomografiesystem eine der Hauptnachteile herkömmlicher bildgebender Verfahren. Auch wenn bereits einige Geräte auf dem Markt sind, handelt es sich immer noch um eine im Wachstum befindliche Technologie mit erheblichem Potenzial.

Der Fokus der Entwickler richtet sich vor allem auf die bisher unhandlichen Größen bei herkömmlichen bildgebenden Verfahren. So wird in Hochschulen intensiv an kleineren und tragbaren bildgebenden Verfahren geforscht. J. Schluchter hat seine Masterarbeit mit dem Titel „A 16-Channel Electrical Impedance Tomography System Using the Red Pitaya“ für die University of California (San Diego) veröffentlicht.

Tatsächlich stellt dieses Projekt eine Weiterentwicklung eines 8-Kanal-EIT-Projekts von Z. Xu et al. dar, in dem die Technologie ebenfalls mit einer Red-Pitaya-Einheit erforscht wurde. Mit der Erhöhung der Kanalzahl auf 16 ist es Schluchter gelungen, ein System mit höherer Genauigkeit zu entwickeln.

Einplatinenrechner STEMlab 125-14

Der Versuchsaufbau erfolgte mit dem Einplatinenrechner STEMlab 125-14 von Red Pitaya. Dieser basiert auf einem FPGA und konvertiert eine spannungsgesteuerte Stromquelle (VCCS) ein vom Analogausgang des STEMlab generiertes Spannungssignal in einen Konstantstrom. Multiplexer-Einheiten (MUX) ermöglichen anschließend das Umschalten von Strom- und Spannungsverbindungen zwischen den 16 Elektroden des Aufbaus, ohne dass eine physische Trennung oder Wiederverbindung erforderlich ist (Bilder 2 und 3).

Software erfasst die Daten und digitalisiert sie

Die Montage der Elektroden erfolgte um einen einfachen Tank, einen mittels 3D-Druck gefertigten Zylinder mit einem Durchmesser von 112 mm und einer Höhe von 25 mm. Der Zylinder ist mit einer gesättigten Salzlösung gefüllt, um eine leitfähige Umgebung für den Versuch zu schaffen. Die Red Pitaya-Einheit wurde mit MATlab programmiert, um das Ausgangsspannungssignal zu erzeugen.

Außerdem erfasst die mit MATlab programmierte Software die Daten der Messsignale und sendet digitalisierte Informationen an einen Computer zur Nachbearbeitung. Das Bild 4 zeigt ein Detail des angeschlossenen STEMlab. Analogeingang und -ausgang sind auf der rechten Seite erkennbar, während sich der digitale Datenanschluss im oberen Bildbereich befindet. Das Bild 3 zeigt ein Detail der angeschlossenen STEMlab-Einheit. Auf der rechten Seite befinden sich Analogeingang und -ausgang.

Es wurden zwei Elektrodenkonfigurationen getestet (Pins vs. Plattenelektroden), wobei die Pin-Variante die aufschlussreichsten Ergebnisse lieferte. Bild 5 zeigt den tatsächlichen Prüfaufbau; in Bild 6 wird das entsprechende Bild nach der Nachbearbeitung dargestellt.

Weitere Versuche mit dem Punktelektrodenaufbau ergaben die folgende Simulationsreihe (rechts) und rekonstruierten Bilder (links) von Prüfobjekten in acht verschiedenen Positionen (Bild 7). Ein identischer Test mit Plattenelektroden lieferte keine schlüssigen Ergebnisse.

Es besteht noch Verbesserungspotenzial

In seiner Arbeit kommt Schluchter zu dem Schluss, dass neben der visuellen Entsprechung zwischen der Realität und den erstellten Bildern das Signal-Rausch-Verhältnis bei diesem Versuch ebenfalls recht zufriedenstellend ist. Mit 34 dB entspricht es dem einiger handelsüblicher Systeme, wobei hochwertige Geräte bis zu 80 dB erreichen – mit dem Nachteil, dass diese Systeme teuer und nicht tragbar sind.

Es ist offensichtlich, dass noch einiges Verbesserungspotenzial besteht: Feinabstimmung des Designs oder die Erhöhung der Anzahl der Elektroden. Dennoch zeigt der Versuch, dass ein kostengünstiger Aufbau sehr gut funktionieren und ermutigende Ergebnisse liefern kann. Genau hierfür steht Red Pitaya: kompakte Systeme mit hoher Leistung zu moderaten Kosten.

* Crt Valentincic ist CTO bei Red Pitaya in Slowenien.

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