La tomografia ad impedenza elettrica (EIT) fornisce immagini del corpo umano in modo non invasivo e senza esposizione alle radiazioni, però richiede tempo. Alla Berner Fachhochschule è nata una cinghia a elettrodi con fili conduttori ricamati, in grado di creare l’immagine in modo più rapido.
La tomografia ad impedenza elettrica (EIT) è una procedura di diagnostica per immagini moderna che rappresenta la distribuzione della conducibilità elettrica nel corpo. „Contrariamente ai tradizionali approcci diagnostici come la radiografia, la tomografia computerizzata o la tomografia a risonanza magnetica, l’EIT è economicamente conveniente e potrebbe permettere l’accesso alla tecnica per immagini in tutto il mondo“, afferma Andreas Waldmann, ex-studente di Microtecnica alla Berner Fachhochschule di Biel. „Occorre però migliorare la risoluzione e della maneggiabilità degli elettroni.“
L’EIT utilizza gli elettrodi per far passare la corrente attraverso la pelle ed eseguire misurazioni della tensione sulla superficie cutanea. Dato che la conducibilità elettrica dei singoli tipi di tessuto e degli organi varia, da questi valori si ottiene un tomogramma di impedenza. Questi controlli sono importanti soprattutto nel torace, perché rendono possibile una rappresentazione per immagini della ventilazione polmonare e della diffusione del sangue nella gabbia toracica.
Attualmente, con gli apparecchi EIT vengono utilizzati elettrodi EKG, che vengono posizionati manualmente sul torace a distanza regolare e alla medesima altezza e questo richiede tempo e impegno. Per un ciclo di misurazione consueto con 16 elettrodi sono necessarie 13 x 16 misurazioni. Andreas Waldmann voleva migliorare questa situazione e, insieme al Berner Inselspital, progettare, per la sua laurea triennale in microtecnica, una cinghia con elettrodi tessili che semplificasse la manipolazione.
Gli elettrodi tessili conduttori si stanno sempre più affermando nell’ingegneria biomedica, per esempio per la stimolazione elettrica e muscolare, per i dolori acuti, l’artrite e i problemi di circolazione. I requisiti sono elevati: gli elettrodi non devono essere solo buoni conduttori, ma anche elastici e resistenti alla corrosione, lavabili e ricamabili, nonché facili da utilizzare. Per assicurarsi le conoscenze necessarie, Andreas Waldmann ha contattato la Bischoff Textil AG di San Gallo, sinonimo di ricami di qualità a livello mondiale.
Come materia prima per la nuova cinghia a elettrodi, nel corso del lavoro è stato selezionato un filo non conduttore, a cui è stata conferita la conduttività con processi galvanici o elettrochimici. Tale filo, con circa 20 Ohm per metro, viene ricamato in un processo impegnativo su una macchina speciale, ottenendo un materiale elastico. A un pulsante Prym premuto viene collegato direttamente un cavo EKG. Ogni singolo elettrodo necessita di un massimo di 2500 punti di cucitura.
Per garantire un contatto ottimale con la pelle del paziente, gli elettrodi contengono un materiale in grado di assorbire l’umidità. La resistenza di trasmissione tra elettrodi e pelle può essere minimizzata con un gel conduttore che può essere rimosso senza problemi; tuttavia, l’elettrodo può essere lavato fino a 100 volte senza perdere la conduttività.
La cinghia stessa si compone di tre strati di tessuto. Sulla parte vicina al corpo vengono ricamati elettrodi rotondi, quindi ha luogo il collegamento al tasto Prym, mentre l’ultimo strato di tessuto serve a coprire la superficie di contatto. La cinghia ha una larghezza di 10 cm e una lunghezza di 75 cm, estesa raggiunge i 110 cm ed è adattabile alla circonferenza toracica del paziente.
Per controllare il principio di funzionamento, nel laboratorio della Berner Fachhochschule è stata istituita una configurazione di misurazione con un dispositivo EIT. Per le necessarie misurazioni di riferimento, Andreas Waldmann ha condotto i primi test su volontari con elettrodi EKG disponibili in commercio. Per le immagini in sezione del polmone, prelevate con il soggetto in piedi, tramite un cavo speciale i dati di misurazione sono stati trasmessi dagli elettrodi singoli applicati in modo tradizionale all’apparecchio EIT, dove sono stati elaborati. La valutazione è quindi stata eseguita tramite un PC.
In una seconda fase, i ricercatori BFH hanno posizionato la cinghia, con i suoi 16 elettrodi di misurazione e un elettrodo GND, sotto il petto del soggetto. La resistenza di trasmissione tra cinghia e corpo è stata ridotta con un gel conduttore per elettrodi o una soluzione salina. I dati misurati sono stati valutati in collaborazione con il Berner Inselspital.
Per verificare le misurazioni sulla base della configurazione di misurazione, i ricercatori hanno utilizzato inizialmente simulazioni 2D al fine di mostrare l’andamento di linee equipotenziali e di corrente, nonché la tensione agli angoli. „Abbiamo potuto posizionare corpi estranei con ridotta conduttività in diversi luoghi e dimostrare il loro influsso sulla tensione agli angoli“, dichiara Andreas Waldmann. „Gli oggetti vicini all’alimentazione esercitano un maggiore influsso sulla tensione agli angoli rispetto a quelli lontani. Simulando una semplice ricostruzione del polmone, abbiamo potuto documentare come si comporta la tensione agli angoli all’inspirazione e all’espirazione.“
Per i prototipi riusciti di una cinghia tessile a elettrodi, Andreas Waldmann ha ricevuto nella primavera 2011 il ‚Burgdorfer Innopreis‘, un riconoscimento per scoperte particolarmente innovative nell’ambito delle tesi di laurea e di laurea triennale. Tuttavia il ricercatore pensa già a nuove idee: „Un materiale meno elastico potrebbe migliorare la forza di pressione degli elettrodi, la riduzione della larghezza della cinghia faciliterebbe ancora di più la manipolazione. Al posto degli elettrodi rotondi potremmo utilizzare quelli lunghi e sottili per applicare più elettrodi su una determinata lunghezza.“ Si può anche immaginare una cinghia per i neonati, con una circonferenza toracica tra 30 e 35 cm.
Anche la variazione dell’impedenza del cuore, causata dal flusso sanguigno, può essere osservata con l’EIT – non solo il battito cardiaco ma anche la sua forza, nonché la frequenza respiratoria. Molto promettente è l’impiego sul cervello, perché studi pilota dimostrano che l’EIT rende visibile il sangue pulsante attraverso la volta cranica ossea. Diviene pertanto possibile diagnosticare precocemente e trattare gli ictus. Ulteriori istituti di ricerca collaborano attivamente al miglioramento della cinghia: all’Empa, a San Gallo, si svolgono esperimenti per migliorare la conducibilità e la lavorazione dei fili.
Per il prof. dott. Volker M. Koch, del laboratorio di Ingegneria biomedica, che ha partecipato ai lavori, tali progetti rappresentano la sfida ideale per gli studenti: „Con tali problematiche, tangibili nella realtà, non solo sviluppiamo prodotti biomedici innovativi, ma formiamo anche esperti eccellenti per la sede di produzione europea.“
Elsbeth Heinzelmann Giornalista specializzata a Berna
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