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Medical and biological engineering

, Volume 14, Issue 5, pp 489–493 | Cite as

Electric-field distribution in the human body using finite-element method

  • R. Natarajan
  • V. Seshadri
Article

Abstract

An electric field is set-up in the human body by externally applied potential differences in biomedical research, medical diagnosis and therapy. It is important to know the electric-field distribution and current densities in different parts of the body from both the research and clinical points of view. In the present paper, the electric-field pattern is computed in the thoracic region and has applications in plethysmography, using 2-dimensional isoparametric finite elements. The model takes into account the irregular boundaries and the different conductivities of thoracic wall, lungs and blood. The results indicate that the current densities vary over the thoracic cross-section. The effect of changes in the blood volume and lung resistivity, during a cardiac cycle, on the field distribution has also been studied. It is found from the analysis that the physiological changes in heart and lungs affect the impedance of the thoracic region equally. On the other hand, the potential difference between two transverse pickup electrodes is primarily affected by changes in the heart only, thus indicating the superiority of the technique of electric-field plethysmography over impedance plethysmography for monitoring the changes in the heart during a cardiac cycle.

Keywords

Finite-element method Plethysmography Thoracic impedance 

Notation

Ni

shape functions for an element

V

scalar electric potential

{V}e

electrical potentials at the nodes of an element

ρ

electrical resistivity

χ

function to be minimised

Sommaire

A des fins de recherche bio-médicale, de diagnostic médical et de thérapie, un champ électriqué est établi dans le corps humain par l'application externe de différences de potentiel. Il est important, aussi bien pour la recherche que pour les besoins cliniques, de connaître la distribution du champ électrique et les densités de courant dans les différentes parties du corps. Dans ce mémoire le diagramme du champ électrique est calculé dans la région thoracique, qu'on peut appliquer dans le domaine de la pléthysmographie, en utilisant des éléments finis iso-paramétriques à deux dimensions. Le modèle tient compte des frontières irrégulières et des conductivités différentes de la cage thoracique, des poumons et du sang. Les résultats indiquent que les densités de courant varient en fonction de la section thoracique. On a étudié ainsi l'effet sur la distribution du champ, des changements dans le volume du sang et la résistivité des poumons pendant un cycle cardiaque. L'analyse montre que les changements physiologiques dans le coeur et les poumons modifient également l'impédance de la région thoracique. Par contre la différence de potentiel entre deux électrodes transversales de capteur est modifiée principalement par les changements dans le coeur seulement, indiquant ainsi la supériorité de la technique de la pléthysmographie de champ électrique à la pléthysmographie d'impédance pour la surveillance des changements dans le coeur pendant un cycle cardiaque.

Zusammenfassung

Im menschlichen Körper wird durch extern angewandte Potentialunterschiede in der biologischmedizinischen Forschung, in der medizinischen Diagnose und Therapie ein elektrisches Feld erzeugt. Es ist wichtig, daß man sowohl für die Forschung als auch vom klinischen Standpunkt aus über die Verteilung des elektrischen Feldes und die Stromdichten in den verschiedenen Körperteilen Bescheid weiß. In der vorliegenden Arbeit wird das Bild des elektrischen Feldes im thorakalen Bereich errechnet. Diese Berechnung läßt sich auf die Plethysmographie unter Verwendung von zwei-dimensionalen isoparametrischen endlosen Elementen anwenden. Bei diesem Modell wurden die unregelmäßigen Grenzen und die verschiedenen Leitfähigkeiten von Thoraxwand, Lunge und Blut berücksichtigt. Die Ergebnisse weisen darauf hin, daß die Stromdichten über den thorakalen Querschnitt schwanken. Ferner wurde untersucht, wie sich Änderungen im Blutvolumen und im Lungenwiderstand während der Herztätigkeit auf die Feldverteilung auswirken. Aus der Analyse geht hervor, daß sich die physiologischen Änderungen in Herz und Lunge genau gleich auf die Impedanz des thorakalen Bereichs auswirken. Andererseits wird der Potentialunterschied zwischen zwei quer angeordneten Aufnahmeelektroden in erster Linie durch nur im Herzen stattfindende Änderungen beeinträchtigt, was besagt, daß die Technik der elektrischen Feldplethysmographie der Impedanzplethysmographie bei der Uberwachung der während der Herztätigkeit im Herzen stattfindenden Veränderungen überlegen ist.

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References

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Copyright information

© International Federation for Medical & Biological Engineering 1976

Authors and Affiliations

  • R. Natarajan
    • 1
  • V. Seshadri
    • 1
  1. 1.Department of Applied MechanicsIndian Institute of TechnologyNew DelhiIndia

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