多頻電阻抗斷層成像

電阻抗斷層成像（Electrical Impedance Tomography, EIT）是一種新型的成像技術，是電磁成像的一個分支，為醫學診斷提供了新的技術手段。它通過體表電極，向被測目標施加安全的激勵電流，然後測量體表電壓，最後運用相應的圖像重構算法對目標內部的實際阻抗或者阻抗變化進行重建成像，這種技術具有系統結構簡單、造價低廉、無輻射和功能成像等顯著優勢。

多頻電阻抗斷層成像（Multi-frequency Electrical Impedance Tomography, MFEIT）技術是電阻抗斷層成像的一種成像方式。它基於不同組織具有不同阻抗頻譜特性的特點，通過同一時刻不同頻率的數據重建出被測體內部的阻抗分布情況。利用多頻電阻抗斷層成像技術可以顯示人體組織的阻抗隨頻率變化的圖像，在研究人體生理功能和疾病診斷方面具有重要的臨床價值。

基本介紹

• 中文名：多頻電阻抗斷層成像
• 外文名：Multi-frequency Electrical Impedance Tomography, MFEIT

1.多頻電阻抗斷層成像的特點

按照成像方式，電阻抗斷層成像技術可分為靜態電阻抗成像，動態電阻抗成像和多頻電阻抗成像。

靜態電阻抗成像以重構人體內阻抗絕對分布為目標，理論上是一種很好的疾病檢測技術，但是由於其對硬體採集系統以及待測目標的幾何形狀、接觸阻抗等要求比較苛刻，所以靜態電阻抗成像仍處於研究階段。目前，已有研究小組將靜態電阻抗斷層成像技術套用於乳腺疾病的檢測研究。

動態成像是對不同時刻人體內阻抗變化的差異進行成像，主要用於對疾病的發生髮展過程進行實時監測。動態成像利用阻抗變化前後的兩幀數據的差值進行成像，在對數據採用求差的處理過程中，克服了靜態成像對邊界形狀和接觸阻抗等因素要求過於嚴格的缺點。目前，動態成像技術（包括數據採集系統和成像算法）發展已經較為完善，國內外研究小組在顱腦、肺部、腹部等人體部位分別開展了相關的動物實驗和臨床實驗研究，取得了一定的結果。

但是，對於病變已經存在且短時間內不會發生動態變化的疾病（例如腫瘤和腦卒中等），無法利用動態電阻抗成像達到檢測疾病的目的。多頻電阻抗成像依據不同生物組織具有不同的阻抗頻譜特性的特點，採用同一時刻多種激勵頻率下的測量數據進行成像，不但克服了靜態成像的缺點，而且不需要其他時刻的數據作為參考，所以準靜態成像在病變已經存在且短期內不會發生動態變化的疾病檢測方面具有獨特的優勢，有望成為特定類型疾病檢測的全新技術。

2.多頻電阻抗成像的成像原理

電阻抗成像技術的基本原理是通過在生物體表面施加一定的安全激勵，同時測量體表回響信號，然後依據一定的圖像重構算法得到能夠反映體內電阻抗分布或者變化的圖像。如圖1所示，電極分布於體表，數字1-16表明電極的標號。一般地，受數據採集系統的控制，通過一組電極對向目標施加電流，同時其他電極對測量邊界電壓，依次類推，直至激勵切換一周后，形成一幀數據，將數據送入計算機，根據圖像重構算法計算出體內的阻抗分布。

圖1 電阻抗斷層成像系統

　　

由於不同組織（包括病變組織）具有不同的微觀結構，因此，各種組織的阻抗頻譜具有特異性，以腦部為例，圖2為人體腦部不同組織的阻抗頻譜特性。多頻電阻抗成像是在同一時刻通過體表電極向人體施加多種頻率電流，同時測量各頻率的邊界電壓，然後通過圖像重構算法計算出被測體內的阻抗分布，以期區分組織，達到檢測疾病的目的。

圖2腦組織阻抗頻譜特性

3.多頻電阻抗成像的套用與發展前景

腦血管疾病是一組嚴重威脅人類生命健康的疾病，具有起病較急，發病率、致殘率和致死率極高，已成為醫學界的一大難題。如不及時發現進行人為干預和處理，將嚴重威脅病人生命，能否早期發現進行針對性的治療是預後的關鍵。目前，現有的臨床檢測技術，如CT，MRI等，雖然能夠判斷病變的部位和損傷程度，但是，大多數情況下，由於設備龐大等原因，無法做到早期及時檢測，而錯過最佳治療時機。腦血管疾病發生時，其腦組織的功能性變化要先於器質性變化，處於代償期或者潛伏期的腦組織在組織學或功能學上已經發生變化，導致其組織的阻抗改變。因為腦損傷組織和正常組織具有不同的阻抗頻譜特性，所以多頻電阻抗成像有望成為一種腦血管疾病早期檢測技術。

腫瘤是威脅人類的生命和健康，尤其是惡性腫瘤是導致殘疾和早死的主要疾病之一，居各類疾病中死亡率之最。早期發現並給與及時干預對提高患者生存率和生活質量具有重要意義。由於不同組織在病理和生理狀態下具有不同的阻抗頻譜特性，這使得利用多頻電阻抗成像檢測腫瘤成為可能。例如在15-64年齡段婦女中，乳腺癌的發病率在所有癌症中發病率最高。但是目前臨床上現有的乳腺癌篩查方法（超聲、鉬靶、核磁等）或因技術或因經濟等原因，無法作為大規模的乳腺癌篩查技術。研究表明，正常組織和癌組織的阻抗頻譜特性具有較大差異，所以可採用多頻電阻抗成像檢測乳腺癌。

多頻電阻抗成像具有成本低廉、便攜和功能成像等獨特的優勢，可以作為某些特定類型疾病的早期檢測手段。由於多頻電阻抗成像技術對硬體採集系統和成像算法提出了很高的要求，因此，研究具有寬頻帶和高精度的數據採集系統，以及更為有效的圖像重構算法，對加快多頻電阻抗成像套用於實際具有重要的意義。

4.擴展閱讀

[1] Griffiths H, Ahmed A. A dual-frequency applied potential tomography technique: computer simulations[J]. Clin Phys Physiol Meas, 1987, 8 Suppl A: 103-107.

[2] Griffiths H, Leung H T, Williams R J. Imaging the complex impedance of the thorax[J]. Clin Phys Physiol Meas, 1992, 13 Suppl A: 77-81.

[3] Yerworth R J, Bayford R H, Brown B, et al. Electrical impedance tomography spectroscopy (EITS) for human head imaging[J]. Physiol Meas, 2003, 24(2): 477-489.

[4] Casas O, Bragos R, Riu P J, et al. Algorithms for parametric images in MEIT systems[J]. Physiol Meas, 2000, 21(1): 35-43.

[5] Brandstatter B, Hollaus K, Hutten H, et al. Direct estimation of Cole parameters in multifrequency EIT using a regularized Gauss-Newton method[J]. Physiol Meas, 2003, 24(2): 437-448.

[6] Mayer M, Brunner P, Merwa R, et al. Direct reconstruction of tissue parameters from differential multifrequency EIT in vivo[J]. Physiol Meas, 2006, 27(5): S93-S101.

[7] Scharfetter H, Merwa R, Bujnowski A, et al. An excitation in differential EIT – selection of measurement frequencies[M]. 13th International Conference on Electrical Bioimpedance and the 8th Conference on Electrical Impedance Tomography, Scharfetter H, Merwa R, Springer Berlin Heidelberg, 2007, 396-399.

[8] Shi X, You F, Fu F, et al. High precision Multifrequency Electrical Impedance Tomography System and Preliminary imaging results on saline tank[C]. Shanghai: 2005.

[9] Scharfetter H, Merwa R, Romsauerova A, et al. Evaluation of the performance of the Multifrequency Electrical Impedance Tomography (MFEIT) intended for imaging acute stroke[M]. 13th International Conference on Electrical Bioimpedance and the 8th Conference on Electrical Impedance Tomography, Scharfetter H, Merwa R, Springer Berlin Heidelberg, 2007, 543-547.

[10] Magjarevic R, Nagel J H, Mcewan A, et al. Performance improvements in a MF-EIT system for acute stroke: The UCL Mk2.5[M]. World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering 2006, Magjarevic R, Nagel J H, Springer Berlin Heidelberg, 2007, 3886-3889.

[11] Seo J K, Lee J, Kim S W, et al. Frequency-difference electrical impedance tomography (fdEIT): algorithm development and feasibility study[J]. Physiol Meas, 2008, 29(8): 929-944.

[12] Jun S C, Kuen J, Lee J, et al. Frequency-difference EIT (fdEIT) using weighted difference and equivalent homogeneous admittivity: validation by simulation and tank experiment[J]. Physiol Meas, 2009, 30(10): 1087-1099.

[13] Jk S, B H, Ej W. Recent progress on frequency difference electrical impedance tomography[C]. 2009.