[科普中國]-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(shù)，是電磁成像的一個分支，為醫(yī)學(xué)診斷提供了新的技術(shù)手段。它通過體表電極，向被測目標(biāo)施加安全的激勵電流，然后測量體表電壓，最后運(yùn)用相應(yīng)的圖像重構(gòu)算法對目標(biāo)內(nèi)部的實(shí)際阻抗或者阻抗變化進(jìn)行重建成像，這種技術(shù)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、無輻射和功能成像等顯著優(yōu)勢。

多頻電阻抗斷層成像（Multi-frequency Electrical Impedance Tomography, MFEIT）技術(shù)是電阻抗斷層成像的一種成像方式。它基于不同組織具有不同阻抗頻譜特性的特點(diǎn)，通過同一時刻不同頻率的數(shù)據(jù)重建出被測體內(nèi)部的阻抗分布情況。利用多頻電阻抗斷層成像技術(shù)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。

1.多頻電阻抗斷層成像的特點(diǎn)按照成像方式，電阻抗斷層成像技術(shù)可分為靜態(tài)電阻抗成像，動態(tài)電阻抗成像和多頻電阻抗成像。

靜態(tài)電阻抗成像以重構(gòu)人體內(nèi)阻抗絕對分布為目標(biāo)，理論上是一種很好的疾病檢測技術(shù)，但是由于其對硬件采集系統(tǒng)以及待測目標(biāo)的幾何形狀、接觸阻抗等要求比較苛刻，所以靜態(tài)電阻抗成像仍處于研究階段。目前，已有研究小組將靜態(tài)電阻抗斷層成像技術(shù)應(yīng)用于乳腺疾病的檢測研究。

動態(tài)成像是對不同時刻人體內(nèi)阻抗變化的差異進(jìn)行成像，主要用于對疾病的發(fā)生發(fā)展過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。動態(tài)成像利用阻抗變化前后的兩幀數(shù)據(jù)的差值進(jìn)行成像，在對數(shù)據(jù)采用求差的處理過程中，克服了靜態(tài)成像對邊界形狀和接觸阻抗等因素要求過于嚴(yán)格的缺點(diǎn)。目前，動態(tài)成像技術(shù)（包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和成像算法）發(fā)展已經(jīng)較為完善，國內(nèi)外研究小組在顱腦、肺部、腹部等人體部位分別開展了相關(guān)的動物實(shí)驗(yàn)和臨床實(shí)驗(yàn)研究，取得了一定的結(jié)果。

但是，對于病變已經(jīng)存在且短時間內(nèi)不會發(fā)生動態(tài)變化的疾?。ɡ缒[瘤和腦卒中等），無法利用動態(tài)電阻抗成像達(dá)到檢測疾病的目的。多頻電阻抗成像依據(jù)不同生物組織具有不同的阻抗頻譜特性的特點(diǎn)，采用同一時刻多種激勵頻率下的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行成像，不但克服了靜態(tài)成像的缺點(diǎn)，而且不需要其他時刻的數(shù)據(jù)作為參考，所以準(zhǔn)靜態(tài)成像在病變已經(jīng)存在且短期內(nèi)不會發(fā)生動態(tài)變化的疾病檢測方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，有望成為特定類型疾病檢測的全新技術(shù)。

2.多頻電阻抗成像的成像原理電阻抗成像技術(shù)的基本原理是通過在生物體表面施加一定的安全激勵，同時測量體表響應(yīng)信號，然后依據(jù)一定的圖像重構(gòu)算法得到能夠反映體內(nèi)電阻抗分布或者變化的圖像。如圖1所示，電極分布于體表，數(shù)字1-16表明電極的標(biāo)號。一般地，受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制，通過一組電極對向目標(biāo)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(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，根據(jù)圖像重構(gòu)算法計(jì)算出體內(nèi)的阻抗分布。

圖****1 電阻抗斷層成像系統(tǒng)

由于不同組織（包括病變組織）具有不同的微觀結(jié)構(gòu)，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，然后通過圖像重構(gòu)算法計(jì)算出被測體內(nèi)的阻抗分布，以期區(qū)分組織，達(dá)到檢測疾病的目的。

圖2腦組織阻抗頻譜特性

3.多頻電阻抗成像的應(yīng)用與發(fā)展前景腦血管疾病是一組嚴(yán)重威脅人類生命健康的疾病，具有起病較急，發(fā)病率、致殘率和致死率極高，已成為醫(yī)學(xué)界的一大難題。如不及時發(fā)現(xiàn)進(jìn)行人為干預(yù)和處理，將嚴(yán)重威脅病人生命，能否早期發(fā)現(xiàn)進(jìn)行針對性的治療是預(yù)后的關(guān)鍵。目前，現(xiàn)有的臨床檢測技術(shù)，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(shù)情況下，由于設(shè)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(jī)。腦血管疾病發(fā)生時，其腦組織的功能性變化要先于器質(zhì)性變化，處于代償期或者潛伏期的腦組織在組織學(xué)或功能學(xué)上已經(jīng)發(fā)生變化，導(dǎo)致其組織的阻抗改變。因?yàn)槟X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(shù)。

腫瘤是威脅人類的生命和健康，尤其是惡性腫瘤是導(dǎo)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(fā)現(xiàn)并給與及時干預(yù)對提高患者生存率和生活質(zhì)量具有重要意義。由于不同組織在病理和生理狀態(tài)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(fā)病率在所有癌癥中發(fā)病率最高。但是目前臨床上現(xiàn)有的乳腺癌篩查方法（超聲、鉬靶、核磁等）或因技術(shù)或因經(jīng)濟(jì)等原因，無法作為大規(guī)模的乳腺癌篩查技術(shù)。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，所以可采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(dú)特的優(yōu)勢，可以作為某些特定類型疾病的早期檢測手段。由于多頻電阻抗成像技術(shù)對硬件采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及更為有效的圖像重構(gòu)算法，對加快多頻電阻抗成像應(yīng)用于實(shí)際具有重要的意義。

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本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

徐燦華 - 講師 - 第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院董秀珍 - 教授 - 第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系