電阻抗成像（Electrical Impedance Tomography,EIT）是一種無創的以人體內部的電阻率分布為目標的重建體內組織圖象的技術。人體是一個大的生物電導體，各組織、器官均有一定的阻抗，當人體的局部器官發生病變時，局部部位的阻抗必然與其他部位不同，因而可以通過阻抗的測量來對人體器官的病變進行診斷。
基本介紹
- 中文名：電阻抗成像
- 外文名：Electrical Impedance Tomography
- 簡稱：EIT
- 目標：無創的以人體內部的電阻率分布
EIT簡介,技術分類,難點,問題和方向,
EIT簡介
當人體表面加入一定的電流或電壓時，體內不同的阻抗分布就會在體表測量到不同的電壓或電流。所以，電阻抗成像技術實際上就是：通過人體特定部位注入已知電壓來測量在體表所引起的電流，或者注入一已知電流來測量在體表所引起的電壓，利用所測量的電流電壓值，依照一定的重建算法，計算出人體內部各組織、器官在電場作用下所呈現的阻抗分布，利用計算機產生斷層成像。
技術分類
電阻抗成像技術的分類：
電阻抗成像技術依據信號採集方式及激勵源的不同，大致分成以下三類：
1、 注入式電阻抗成像
這是傳統的電阻抗成像方法，通常採用電流輸入測量電壓輸出或者採用電壓輸入測量電流輸出的方式。由於電極是放於皮膚上的，而皮膚的角質層阻抗很大，為減小皮膚阻抗的影響，通常採用電流輸入測量電壓的方法。
EIT系統大致由三部分組成：信號注入與提取、A/D轉換和計算機接口、圖象重建與顯示。
其中，信號注入與提取的主要部件是電極。因為在EIT系統中，被測信號很微弱再加上電極是整個成像系統的前端，所以，電極的性能對於整個系統的性能及成像質量來說至關重要。因此，一個良好的電極，必須具備如下特點：
2） 與皮膚表面接觸阻抗小；
3） 易於組成電極陣；
4） 對皮膚無毒，無副作用。
為達到上述要求，EIT系統所用電極大多採用銀、銅、不鏽鋼等材料製成。此外，現在大多EIT系統都採用16個電極，也有32、64電極系統。增加電極數能增加系統的解析度和成像質量，但數據處理量會增大，成像算法也會更複雜。
控制電路和電流源系統的功能是產生輸入電流，並控制電流輸入在電極間的切換。EIT系統的電流採用幾十KHZ的交流電。因此，該部分的關鍵電路是穩幅振盪恆流源。
EIT系統振盪頻率由以下因素決定：
1) 皮膚阻抗隨注入信號的頻率增大而減小，在100KHZ的阻抗約為220歐。
2) 在頻率為100KHZ以下的電流作用下，人體組織的阻抗主要表現為電阻特性；
3) 交流信號對人體的傷害小於直流信號。
4) 較低的輸入阻抗和較小的分布電容。
總上要求，EIT輸入電流的頻率多為幾十KHZ。
電壓測量電路的要求：
因為EIT注入電流很小，所以要測量的膚表分布電壓很小，必須經過放大之後，才能進行測量。為滿足系統誤差要求，該電壓測量電路要滿足一定的指標要求，例如：CMRR要達到120dB,系統要達到0.1%的精度等。這在系統設計時要特別注意。
圖象重建算法是EIT系統的重要組成部分。套用於EIT系統的算法有很多種，按方式分主要分兩大類：動態式成像和靜態式成像。動態式成像利用兩個不同時刻的測量數據，通過圖象重建算法來獲得這兩個時刻電阻抗分布的差值，從而構建出一副S差分圖象。動態式成像是圖象重建算法中發展較早的一類，主要是反投影算法，其優點是許多測量數據中的噪聲可以在相減時的到消除，因而它的圖象重建算法對數據採集系統的要求不是太高，實現起來容易，另外它的計算量一般也較小，缺點是套用範圍窄。靜態式成像重建算法發展較晚一些，但由於其套用的廣泛性及相對較好的成像效果，受到普遍重視，已成為EIT成像重建算法的主流。現在流行的算法是Newton-Raphson類算法，另外，擾動算法，擬Newton類算法也得到發展。靜態式成像的缺點是：計算量大，噪聲性能差，如何解決這個問題，已成為EIT技術研究的重點和難點。
2．感應電流電阻抗成像
感應電流電阻抗成像（induced current electrical impedance tomography,ICEIT）是一種新的EIT技術，它在被測目標的周圍的外圍放置若干個激勵線圈，對其施加時變電流，在空間產生交變磁場，從而在被測目標內產生出感應電流。測量目標表面相鄰電極的電壓差，並用此數據進行目標區域電導率的圖象重建。與傳統的注入式EIT相比,ICEIT具有以下優勢：
1） 成像目標內的電流不受電極處的電流密度的限制，因而有可能使用更大的電流以提高信噪比；
2） 由於周圍電極僅測量輸出電壓，不用於電流驅動，所以可以最佳化電極設計；
3） 通過改變線圈的形狀和位置，使空間磁場發生改變，從而改變目標內的電流分布，提取某一部分的細節；
4） 當成像目標外有禁止層時，選擇適當頻率的驅動電流，就可使禁止層對感應電流密度分部影響不大，從而可能得到比較理想的成像結果。
5） 適於診斷顱內病變和探討腦疾病演變過程，在區分不同類型腦水腫方面有一定優勢；
6） 非接觸，無創，系統成本相對較低；
首先，固定激勵線圈的位置，其產生的恆定磁場在補償線圈上感應出參考信號，同時該磁場穿過容積導體在檢測線圈上感 應出待測信號。補償線圈的作用：
1）用對稱性，抵消激勵線圈直接在檢測線圈上感應的主磁場，使得檢驗線圈理論上只有容積導體上的渦流感應磁場；
2）直接為鑑相電路提供參考信號。對待測信號（10mv-50mv）先進行緩衝，在進行初級放大和次級放大送入鑒相電路的一端；而參考信號（1－5v）先進行緩衝再加一級限幅，送入鑒相電路的另一端。鑒相電路輸出的即為Im(db/B)。將此相位送入A/D板，作為一個測量值。之後轉動內滑環改變激勵線圈的位置，得到其他組的測量值。最後，採樣結束，將數據送入計算機處理並顯示結果。
3．多頻電阻抗成像
多頻電阻抗成像（Multi-frequency Electrical Impedance Tomography, MFEIT）是在EIT技術基礎上發展起來的一種新型成像技術，它在多個頻率激勵下測量人體組織內的阻抗信息，對這些信息進行處理，以達到更好區分不同的組織或組織所處的不同狀態的目的。由於MFEIT 提取了人體組織在多個頻率下的復阻抗信息，可通過有目的的選擇頻率以突出感興趣的組織，甚至還可以通過多個頻率下的阻抗信息來估算組織阻抗模型參數，從而使最終的圖象含有較多的信息量，獲得較高的成像質量。因此，MFEIT技術是對FIT技術的進一步發展，具有良好的套用前景。
多頻EIT系統中主要採用的技術
與常規的EIT技術相比，MFEIT硬體系統最主要的特點是其工作頻帶的延寬及所測頻率數的增加。隨著頻寬的展寬，一些在常規EIT系統中不是特別突出的問題開始尖銳起來，其中最為突出的問題是雜散電容。在頻率較高時，大的雜散電容不僅會降低電流源的輸出阻抗和電壓測量電路的輸入阻抗，還會直接影響到阻抗虛部的測量精度。MFEIT多針對這一問題，在注意控制前級信噪比的同時，圍繞多頻系統的頻率組合、採集時間的縮短、信號的解調及噪聲抑制問題，提出了各自的解決措施。
作為一種新型成像技術，多頻率阻抗成像提取了多個頻率下的復阻抗信息，是最終圖象含有較多信息量，獲得較高的成像質量。作為該技術的主要研究內容之一，硬體系統所要解決的關鍵性問題是：在工作頻帶延寬的情況下，如何滿足EIT數據測量系統的高精度和高速度的要求。
難點
EIT技術的困難在於反問題的非適定性（即：由電參數確定阻抗參數），即：邊界電壓的微小擾動可能引起解的巨大變化，這就要求EIT系統要具有很高的精度。另一困難在於它的信息量小，雖然可以用增加電極個數的方法來增加測量數據量，但就現在算法而言，數據量的增加將使計算量迅速增大。此外，目前最大可實現的生理阻抗變化只引起測量電壓10%的變動，所以通常認為EIT測量硬體必須有至少0.1%精度。如何實現系統的高精度、高解析度和算法的快速收斂是EIT技術的主要難點。
問題和方向
EIT技術的主要問題是其系統分辨能力差。因為，EIT系統中用於提取成像數據的是電流，他不同於CT技術中所使用的X射線或超聲束，X射線或超聲束穿過人體時能保持較好的束狀，指向清楚，與組織發生作用的規律較簡單，所得數據易於處理；而在EIT系統中，由於人體組織、器官電特性不同，入射電流呈散射狀，指向性不強，未知因素多，數據難以處理，只能簡化模型或做近似假設重建圖象，因此成像解析度差。
今後EIT的發展方向大致有以下三方面：
1）深化生物阻抗檢測技術，提高檢測精度和信噪比，採用全信息的復阻抗檢測方法，改善理論模型，從細胞水平上提取與人體生理、病理狀態相聯繫的豐富的阻抗全信息。
2）研究和改進成像算法，提高圖象解析度；另外，還要利用EIT技術的優勢，豐富和發展功能成像。
3）多頻率EIT成像和三維EIT成像。
