生物電阻抗斷層成像

生物電阻抗斷層成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)技術是一種新型醫學功能成像技術，它的原理是在人體表面電極上施加一微弱的電流，並測得其他電極上的電壓值，根據電壓與電流之間的關係重構出人體內部電阻抗值或者電阻抗的變化值。由於該方法未使用核素或射線，對人體無害，因此可以多次測量重複使用，且成像速度快，具有功能成像等特點，加之其成本較低，不要求特殊的工作環境，因此EIT是一種理想的、具有誘人套用前景的無損傷醫學成像技術，在20世紀末迅速成為研究熱點，目前，一些商用的電阻抗斷層成像設備已在臨床開展套用。

基本介紹

• 中文名：生物電阻抗斷層成像
• 外文名：Electrical Impedance Tomography，EIT

1.基本原理

大多數EIT系統採用的都是如圖1所示的測量方式，在人體表明貼上一圈電極，由一對電極施加一微弱的電流激勵，然後測量其餘電極對上對應的電壓值，再切換一對電極進行激勵，並測量其餘電極對上對應的電壓值，重複下去，可以測的一組電流激勵下的電壓值，根據電流和電壓之間的關係，根據一定的重構算法即可重構出內部的電導率分布或者電導率變化的分布。

圖1 EIT測量示意圖

從原理上講，根據電流和電壓之間的關係重構出電導率分布，可以描述為一個病態的非線性逆問題（Calderón's inverse problem）。不像X線CT，EIT中激勵電流在人體內是在三維空間非線性傳輸的，這使得EIT圖像重構時的解不止一個，加之在表面貼上電極數目不能太多限制了求解方程的已知數、測量區域個體差異影響了求解域的準確性等等一系列問題使得EIT圖像重構問題的求解更為困難，需要研究特別複雜的電阻抗斷層成像圖像重構算法來求解這一逆問題並通過正則化的方法來解決重構解的不適定性問題。

2.設備組成

典型的EIT設備大小與一台印表機大小差不多，如圖2所示，小的EIT設備可以做到手機大小，而大的EIT設備則與洗衣機體積差不多。一台EIT設備通常包括電極、EIT主機以及一台計算機。電極常採用ECG或者EEG電極，部分商用設備設計了針對特定用途的電極帶，如圖3所示。

EIT主機的主要有激勵模組和測量模組。其常用的阻抗測量方法有兩種：一種是向目標物體施加幅度和相位已知的電壓並測量其邊界電流；另一種是向目標內注入已知大小的電流並測量其邊界電壓分布。前一種方法多用在頻率較高，輸出電流無法精確控制的場合，其測量結果易受電極-皮膚接觸阻抗的影響。後一種是目前的EIT研究中常採用的方法，該方法基於四電極法生物電阻抗測量原理，通過一對驅動電極注入電流，測量其它電極上的電壓差。採用這種方式測量時，由電極-皮膚接觸阻抗導致的分壓對測量電極上的電壓信號影響很小，故測量結果不易受接觸阻抗的影響，測量的精度較高。其缺點是當頻率較高時，由於雜散電容的分流作用而降低測量精度。EIT系統的結構如圖4所示，由電流源、多路開關、電壓放大器、AD轉換器、單片機等共同組成。

圖4 EIT設備結構圖

3.成像方式

電阻抗斷層成像技術根據成像方式不同主要包括：靜態電阻抗斷層成像、動態電阻抗斷層成像和多頻電阻抗斷層成像。

(1)靜態電阻抗斷層成像

靜態電阻抗斷層成像（Static EIT）又稱為EIT絕對成像（Absolute EIT），它以人體內部電導率的絕對分布為成像目標，早期的EIT研究大多採用這種成像方式。進行靜態EIT成像時，常假設一個初始的電導率分布，然後根據測量數據不斷的進行重構疊代，以此來求出一個最優解反映電導率的絕對分布。由於EIT的不適定性和病態性，邊界形狀、電極位置、系統噪聲等微小的測量誤差都有可能產生很大的重構誤差，並最終導致疊代發散無法重構出目標。因此，靜態電阻抗斷層成像技術仍處於研究階段。

(2)動態電阻抗斷層成像

動態電阻抗斷層成像（Dynamic EIT）又稱為EIT相對成像（Relative EIT），它以人體內部電導率的分布變化為成像目標，目前大多數商業系統和研究採用這種成像方式。進行動態EIT成像時，常選取某一時刻的數據作為參考幀，然後將當前時刻的數據作為測量幀與參考幀數據相減進行差分成像，以此來求出一個最優解反映測量幀時刻相對參考幀時刻的電導率的分布變化。通過差分的形式，可有效降低邊界形狀、電極位置、接觸阻抗、系統噪聲等測量誤差對圖像重構的影響。由於動態EIT圖像重構時，不需要進行疊代計算，因此成像速度快，可以及時反映組織阻抗的變化，這也是為什麼動態EIT相對靜態EIT成果更多、套用更早的原因。

(3)多頻電阻抗斷層成像

多頻電阻抗斷層成像（Multi-frequency EIT）不同於靜態和動態電阻抗斷層成像，它是以人體內部不同頻率點的電導率分布變化為成像目標。進行多頻EIT成像時，常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特定的臨床價值，但目前還未有臨床套用的報導。

4.優勢缺點

EIT圖像以不同的偽彩色帶表示組織或器官的相對阻抗變化。不同於CT、MRI等解剖成像技術，EIT圖像屬於功能圖像，如圖5所示，相對於CT、MRI圖像而言，圖像解析度低，無法觀察到具體的臟器結構，但是卻具有靈敏度高、安全性好、成本低廉、連續成像等優勢。

圖5 正常人肺部EIT圖像

5.發展歷程

1978年，Wisconsin大學的Webster教授首先提出了生物電阻抗成像的概念。他們在胸腔一側放置100個矩形電極，在胸腔另一側放置一個接地電極，通過這種方式得到胸腔內部組織的圖像，低電導率區域對應肺部組織。

1983年，Sheffield大學的Barber和Brown開始了電阻抗斷層成像研究，他們小組於1987年在工程上初步實現了這一技術，研製出了Sheffield Mark I 原理樣機系統，國際上多個研究小組購買了該系統開展了系列研究工作，在早期有力的推動了EIT技術的研究工作。Sheffield Mark I系統在人體表面一圈貼上16個等距的電極的方式進行數據採集，這種採集方式一直延續至今，目前仍是大多數EIT系統所採用的方式。早期的EIT研究重點是靜態成像，1983年最早發表的EIT圖像顯示的是手臂圖像，在該圖像中可觀察到高阻抗的區域可大體對應手臂的骨頭和脂肪組織。由於EIT不使用核素或射線，對人體無害，可以多次測量重複使用，成像速度快，具有功能成像等特點，加之其成本較低，不要求特殊的工作環境，因而是一種理想的、具有誘人套用前景的無損傷醫學成像技術，在20世紀末迅速成為研究熱點。

自1994年以來，美國電氣和電子工程師協會（IEEE）在其生物醫學工程年度大會中專門開設電阻抗成像專題，為本領域研究提供高層次交流平台；歐洲早在1996年就由政府資助成立了EIT研究協作組，推動這一領域研究；國際Physiology Measurement期刊自2000年以來，每一年都開闢一期專刊，集中報告電阻抗成像領域的最新進展。美國國家科學基金會（NSF）和國立衛生研究院（NIH）都大力支持，希望EIT作為一種新型醫學成像為人類健康服務。

2010後，Dräger、Swisstom、Carefusion等公司，我國第四軍醫大學、思瀾科技公司等單位相繼推出了不同用途的商用電阻抗斷層成像系統，相關臨床研究逐漸成為研究熱點。

6.醫學套用與發展前景

電阻抗斷層成像技術，特別是動態電阻抗斷層成像技術，已經展現出了良好的套用前景，主要集中在：乳腺癌檢測成像、腹部臟器功能成像、肺部呼吸功能成像、腦部功能成像等。由於臨床套用需求不同，面臨的技術難點也不同，EIT在上述領域的臨床套用研究的成熟度也不同，有的套用點已經獲得了產品認證，有的仍處於實驗室研究階段。但總的來說，近年來EIT技術越來越受到臨床研究人員的關注。

擴展閱讀

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