La tomographie d'impédance électrique (TIE, en , EIT) est une technique d'imagerie qui reconstitue la distribution de l'impédance électrique à l'intérieur d'un objet à partir de mesures électriques effectuées à sa surface. Un courant électrique de faible intensité (ou, selon les systèmes, un potentiel) est injecté par des électrodes disposées en périphérie de l'objet, et les différences de potentiel (respectivement de courant) résultantes sont mesurées sur les électrodes restantes. Un algorithme de reconstruction produit ensuite une image en coupe des propriétés électriques du milieu, le plus souvent exprimées comme une distribution de conductivité. La technique est aussi désignée par les termes de tomographie de potentiel appliqué (), d'imagerie d'impédance électrique ou d'imagerie de conductivité.

Non invasive et non irradiante, elle est utilisée dans trois grands domaines : l'imagerie médicale, principalement pour le monitorage de la ventilation pulmonaire en réanimation ; la géophysique, pour l'étude de la structure du sous-sol ; et la surveillance de procédés industriels, notamment l'imagerie d'écoulements dans les conduites et les cuves de mélange.

Historique La première utilisation du principe de mesure par résistivité électrique remonte aux années 1930, dans le domaine de l'analyse des sols par émission et détection de courants continus. Les origines de la tomographie d'impédance électrique proprement dite sont attribuées au développement d'une « caméra d'impédance » par Henderson et Webster en 1978 : ce système mesurait les variations d'impédance thoracique au moyen d'une matrice d'électrodes disposée sur le thorax et produisait des cartes d'équipotentielles reflétant les changements de conductivité liés à la respiration.

L'apport déterminant de la tomographie d'impédance électrique fut l'introduction d'un algorithme de reconstruction d'images, permettant d'obtenir la distribution de conductivité à l'intérieur de la section étudiée. En 1984, David Barber et Brian Brown, du département de physique médicale de l'université de Sheffield, publient une revue de référence de la méthode ; la première image obtenue par cette approche représentait un avant-bras humain.

Sur le plan mathématique, le problème inverse associé à la technique a été formalisé par Alberto Calderón en 1980, dont l'article fondateur a établi la question de la reconstruction de la conductivité d'un milieu à partir de mesures aux frontières, connue depuis sous le nom de « problème de Calderón ».

Principe physique Les tissus biologiques et les fluides conducteurs s'opposent au passage d'un courant électrique alternatif ; cette opposition est appelée impédance. Dans un poumon, l'air présente une impédance élevée tandis que les tissus mous et le sang sont plus conducteurs : le poumon aéré conduit environ cinq fois moins le courant que les tissus environnants, ce qui fait de la ventilation un phénomène particulièrement contrasté pour cette modalité d'imagerie.

En pratique, un courant alternatif de faible amplitude (de l'ordre de 1 à ) est appliqué successivement entre des paires d'électrodes, le plus souvent au nombre de 16, disposées en anneau autour de la section à imager. Les mesures de résistivité tissulaire s'effectuent généralement à des fréquences comprises entre 20 et . Les tensions mesurées sur les électrodes restantes constituent les données d'entrée de la reconstruction.

Reconstruction d'image La reconstruction de la distribution de conductivité à partir des mesures de tension constitue un problème inverse non linéaire et mal posé : de petites erreurs de mesure peuvent produire de grandes variations dans l'image reconstruite. Une méthode de reconstruction directe en une étape, fondée sur une rétroprojection filtrée inspirée des techniques de la tomographie par rayons X, a été proposée dès les débuts de la technique. Les approches ultérieures utilisent des méthodes linéarisées et régularisées de type Gauss-Newton. Des approches fondées sur l'apprentissage automatique ont été proposées plus récemment pour améliorer la reconstruction, en remplaçant les algorithmes classiques de type Gauss-Newton par des réseaux de neurones, notamment dans les cas complexes comportant plusieurs inclusions.

La plupart des systèmes reposent sur une excitation séquentielle par multiplexage temporel : les paires d'électrodes sont sollicitées l'une après l'autre, ce qui limite la cadence d'acquisition. Cette approche séquentielle impose par ailleurs des temps morts entre excitations pour limiter les effets d'impédance de contact à l'interface entre l'électrode et le milieu mesuré. Les appareils cliniques courants atteignent une résolution temporelle de l'ordre de 50 images par seconde. Des stratégies d'excitation simultanée par multiplexage fréquentiel ont été développées pour lever cette limite : chaque paire d'électrodes est excitée à une fréquence porteuse distincte, ce qui permet d'acquérir l'ensemble des mesures en une seule fois. Un système de 16 électrodes fondé sur ce principe a atteint une cadence de images par seconde.

Applications médicales La première application médicale de la technique date du début des années 1980, mais celle-ci est longtemps restée au stade expérimental ; ce n'est qu'à partir des années 2000 que les progrès techniques ont favorisé son usage clinique. L'application la plus étudiée est le monitorage de la ventilation pulmonaire en réanimation et en anesthésie, qui permet une évaluation dynamique, régionale et en temps réel de l'aération pulmonaire, au lit du patient, sans rayonnement ionisant. Elle est notamment utilisée pour la titration de la pression expiratoire positive (PEP), l'évaluation du recrutement alvéolaire et l'individualisation de la ventilation mécanique chez les patients atteints de syndrome de détresse respiratoire aiguë. Ce suivi s'appuie sur des dispositifs commercialisés comme le PulmoVista 500 de la société Dräger (Lübeck, Allemagne).

D'autres applications médicales ont été explorées, dont la mesure de la vidange gastrique.

Applications industrielles et géophysiques Dans l'industrie, la tomographie d'impédance électrique appartient à la famille des techniques de tomographie de procédés, qui visent à imager la distribution de matière et les phénomènes d'écoulement au sein d'équipements tels que les conduites, les réacteurs ou les cuves de mélange. Ces techniques électriques se distinguent selon la propriété du milieu qu'elles exploitent : la tomographie de résistance électrique (, ERT) pour les milieux conducteurs, la tomographie de capacitance électrique (, ECT) pour les milieux diélectriques, la tomographie d'impédance électrique étant le cas général sensible à la fois à la conductivité et à la permittivité. Elles sont couramment employées pour la mesure d'écoulements multiphasiques, par exemple l'imagerie de la distribution de deux fluides non miscibles dans une conduite, comme l'huile et l'eau, ou le suivi du mélange de substances dans une cuve.

Les écoulements diphasiques gaz-liquide rencontrés dans les procédés à haute température et haute pression ont motivé le développement de systèmes à haute cadence d'acquisition. Au-delà de l'imagerie, les données de tomographie d'impédance permettent d'extraire des caractéristiques de l'écoulement telles que le taux de vide et le régime d'écoulement.

Les électrodes étant fixées de manière rigide et permanente sur la paroi de la conduite, les applications industrielles s'affranchissent d'une des difficultés majeures de la TIE médicale, à savoir le positionnement et le contact des électrodes sur le corps.

En géophysique, une technique reposant sur les mêmes principes, la tomographie de résistivité électrique, applique cette approche à l'imagerie du sous-sol à partir d'électrodes placées en surface ou en forage.

Limites La résolution spatiale de la tomographie d'impédance électrique reste faible en comparaison des techniques tomographiques classiques comme la tomodensitométrie. Le caractère mal posé du problème inverse rend la reconstruction sensible aux erreurs de mesure et de modélisation. En imagerie médicale, la qualité du contact et du positionnement des électrodes constitue une contrainte supplémentaire.

Voir aussi Articles connexes Impédance (électricité) Tomographie Problème inverse Écoulement polyphasique Imagerie médicale

Notes et références

Catégorie:Imagerie médicale Catégorie:Électricité