[科普中國(guó)]-生物電阻抗斷層成像

生物電阻抗斷層成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)技術(shù)是一種新型醫(yī)學(xué)功能成像技術(shù)，它的原理是在人體表面電極上施加一微弱的電流，并測(cè)得其他電極上的電壓值，根據(jù)電壓與電流之間的關(guān)系重構(gòu)出人體內(nèi)部電阻抗值或者電阻抗的變化值。由于該方法未使用核素或射線，對(duì)人體無害，因此可以多次測(cè)量重復(fù)使用，且成像速度快，具有功能成像等特點(diǎn)，加之其成本較低，不要求特殊的工作環(huán)境，因此EIT是一種理想的、具有誘人應(yīng)用前景的無損傷醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，在20世紀(jì)末迅速成為研究熱點(diǎn)，目前，一些商用的電阻抗斷層成像設(shè)備已在臨床開展應(yīng)用。

1.基本原理大多數(shù)EIT系統(tǒng)采用的都是如圖1所示的測(cè)量方式，在人體表明粘貼一圈電極，由一對(duì)電極施加一微弱的電流激勵(lì)，然后測(cè)量其余電極對(duì)上對(duì)應(yīng)的電壓值，再切換一對(duì)電極進(jìn)行激勵(lì)，并測(cè)量其余電極對(duì)上對(duì)應(yīng)的電壓值，重復(fù)下去，可以測(cè)的一組電流激勵(lì)下的電壓值，根據(jù)電流和電壓之間的關(guān)系，根據(jù)一定的重構(gòu)算法即可重構(gòu)出內(nèi)部的電導(dǎo)率分布或者電導(dǎo)率變化的分布。

圖1 EIT測(cè)量示意圖

從原理上講，根據(jù)電流和電壓之間的關(guān)系重構(gòu)出電導(dǎo)率分布，可以描述為一個(gè)病態(tài)的非線性逆問題（Calderón's inverse problem）。不像X線CT，EIT中激勵(lì)電流在人體內(nèi)是在三維空間非線性傳輸?shù)?，這使得EIT圖像重構(gòu)時(shí)的解不止一個(gè)，加之在表面粘貼電極數(shù)目不能太多限制了求解方程的已知數(shù)、測(cè)量區(qū)域個(gè)體差異影響了求解域的準(zhǔn)確性等等一系列問題使得EIT圖像重構(gòu)問題的求解更為困難，需要研究特別復(fù)雜的電阻抗斷層成像圖像重構(gòu)算法來求解這一逆問題并通過正則化的方法來解決重構(gòu)解的不適定性問題。

2.設(shè)備組成典型的EIT設(shè)備大小與一臺(tái)打印機(jī)大小差不多，如圖2所示，小的EIT設(shè)備可以做到手機(jī)大小，而大的EIT設(shè)備則與洗衣機(jī)體積差不多。一臺(tái)EIT設(shè)備通常包括電極、EIT主機(jī)以及一臺(tái)計(jì)算機(jī)。電極常采用ECG或者EEG電極，部分商用設(shè)備設(shè)計(jì)了針對(duì)特定用途的電極帶，如圖3所示。

EIT主機(jī)的主要有激勵(lì)模塊和測(cè)量模塊。其常用的阻抗測(cè)量方法有兩種：一種是向目標(biāo)物體施加幅度和相位已知的電壓并測(cè)量其邊界電流；另一種是向目標(biāo)內(nèi)注入已知大小的電流并測(cè)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(chǎng)合，其測(cè)量結(jié)果易受電極-皮膚接觸阻抗的影響。后一種是目前的EIT研究中常采用的方法，該方法基于四電極法生物電阻抗測(cè)量原理，通過一對(duì)驅(qū)動(dòng)電極注入電流，測(cè)量其它電極上的電壓差。采用這種方式測(cè)量時(shí)，由電極-皮膚接觸阻抗導(dǎo)致的分壓對(duì)測(cè)量電極上的電壓信號(hào)影響很小，故測(cè)量結(jié)果不易受接觸阻抗的影響，測(cè)量的精度較高。其缺點(diǎn)是當(dāng)頻率較高時(shí)，由于雜散電容的分流作用而降低測(cè)量精度。EIT系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，由電流源、多路開關(guān)、電壓放大器、AD轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)等共同組成。

圖4 EIT設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

3.成像方式電阻抗斷層成像技術(shù)根據(jù)成像方式不同主要包括：靜態(tài)電阻抗斷層成像、動(dòng)態(tài)電阻抗斷層成像和多頻電阻抗斷層成像。

(1)靜態(tài)電阻抗斷層成像靜態(tài)電阻抗斷層成像（Static EIT）又稱為EIT絕對(duì)成像（Absolute EIT），它以人體內(nèi)部電導(dǎo)率的絕對(duì)分布為成像目標(biāo)，早期的EIT研究大多采用這種成像方式。進(jìn)行靜態(tài)EIT成像時(shí)，常假設(shè)一個(gè)初始的電導(dǎo)率分布，然后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)不斷的進(jìn)行重構(gòu)迭代，以此來求出一個(gè)最優(yōu)解反映電導(dǎo)率的絕對(duì)分布。由于EIT的不適定性和病態(tài)性，邊界形狀、電極位置、系統(tǒng)噪聲等微小的測(cè)量誤差都有可能產(chǎn)生很大的重構(gòu)誤差，并最終導(dǎo)致迭代發(fā)散無法重構(gòu)出目標(biāo)。因此，靜態(tài)電阻抗斷層成像技術(shù)仍處于研究階段。

(2)動(dòng)態(tài)電阻抗斷層成像動(dòng)態(tài)電阻抗斷層成像（Dynamic EIT）又稱為EIT相對(duì)成像（Relative EIT），它以人體內(nèi)部電導(dǎo)率的分布變化為成像目標(biāo)，目前大多數(shù)商業(yè)系統(tǒng)和研究采用這種成像方式。進(jìn)行動(dòng)態(tài)EIT成像時(shí)，常選取某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)作為參考幀，然后將當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)作為測(cè)量幀與參考幀數(shù)據(jù)相減進(jìn)行差分成像，以此來求出一個(gè)最優(yōu)解反映測(cè)量幀時(shí)刻相對(duì)參考幀時(shí)刻的電導(dǎo)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(tǒng)噪聲等測(cè)量誤差對(duì)圖像重構(gòu)的影響。由于動(dòng)態(tài)EIT圖像重構(gòu)時(shí)，不需要進(jìn)行迭代計(jì)算，因此成像速度快，可以及時(shí)反映組織阻抗的變化，這也是為什么動(dòng)態(tài)EIT相對(duì)靜態(tài)EIT成果更多、應(yīng)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）不同于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電阻抗斷層成像，它是以人體內(nèi)部不同頻率點(diǎn)的電導(dǎo)率分布變化為成像目標(biāo)。進(jìn)行多頻EIT成像時(shí)，?；诓煌M織具有不同阻抗頻譜特性的特點(diǎn)，通過同一時(shí)刻不同頻率的數(shù)據(jù)重建出被測(cè)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特定的臨床價(jià)值，但目前還未有臨床應(yīng)用的報(bào)道。

4.優(yōu)勢(shì)缺點(diǎn)EIT圖像以不同的偽彩色帶表示組織或器官的相對(duì)阻抗變化。不同于CT、MRI等解剖成像技術(shù)，EIT圖像屬于功能圖像，如圖5所示，相對(duì)于CT、MRI圖像而言，圖像分辨率低，無法觀察到具體的臟器結(jié)構(gòu)，但是卻具有靈敏度高、安全性好、成本低廉、連續(xù)成像等優(yōu)勢(shì)。

圖5 正常人肺部EIT圖像

5.發(fā)展歷程1978年，Wisconsin大學(xué)的Webster教授首先提出了生物電阻抗成像的概念。他們?cè)谛厍灰粋?cè)放置100個(gè)矩形電極，在胸腔另一側(cè)放置一個(gè)接地電極，通過這種方式得到胸腔內(nèi)部組織的圖像，低電導(dǎo)率區(qū)域?qū)?yīng)肺部組織。

1983年，Sheffield大學(xué)的Barber和Brown開始了電阻抗斷層成像研究，他們小組于1987年在工程上初步實(shí)現(xiàn)了這一技術(shù)，研制出了Sheffield Mark I 原理樣機(jī)系統(tǒng)，國(guó)際上多個(gè)研究小組購(gòu)買了該系統(tǒng)開展了系列研究工作，在早期有力的推動(dòng)了EIT技術(shù)的研究工作。Sheffield Mark I系統(tǒng)在人體表面一圈粘貼16個(gè)等距的電極的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這種采集方式一直延續(xù)至今，目前仍是大多數(shù)EIT系統(tǒng)所采用的方式。早期的EIT研究重點(diǎn)是靜態(tài)成像，1983年最早發(fā)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(qū)域可大體對(duì)應(yīng)手臂的骨頭和脂肪組織。由于EIT不使用核素或射線，對(duì)人體無害，可以多次測(cè)量重復(fù)使用，成像速度快，具有功能成像等特點(diǎn)，加之其成本較低，不要求特殊的工作環(huán)境，因而是一種理想的、具有誘人應(yīng)用前景的無損傷醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，在20世紀(jì)末迅速成為研究熱點(diǎn)。

自1994年以來，美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）在其生物醫(yī)學(xué)工程年度大會(huì)中專門開設(shè)電阻抗成像專題，為本領(lǐng)域研究提供高層次交流平臺(tái)；歐洲早在1996年就由政府資助成立了EIT研究協(xié)作組，推動(dòng)這一領(lǐng)域研究；國(guó)際Physiology Measurement期刊自2000年以來，每一年都開辟一期?？?，集中報(bào)告電阻抗成像領(lǐng)域的最新進(jìn)展。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）和國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）都大力支持，希望EIT作為一種新型醫(yī)學(xué)成像為人類健康服務(wù)。

2010后，Dr?ger、Swisstom、Carefusion等公司，我國(guó)第四軍醫(yī)大學(xué)、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(tǒng)，相關(guān)臨床研究逐漸成為研究熱點(diǎn)。

6.醫(yī)學(xué)應(yīng)用與發(fā)展前景電阻抗斷層成像技術(shù)，特別是動(dòng)態(tài)電阻抗斷層成像技術(shù)，已經(jīng)展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景，主要集中在：乳腺癌檢測(cè)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。由于臨床應(yīng)用需求不同，面臨的技術(shù)難點(diǎn)也不同，EIT在上述領(lǐng)域的臨床應(yīng)用研究的成熟度也不同，有的應(yīng)用點(diǎn)已經(jīng)獲得了產(chǎn)品認(rèn)證，有的仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。但總的來說，近年來EIT技術(shù)越來越受到臨床研究人員的關(guān)注。

擴(kuò)展閱讀[1] McAdams E T, Jossinet J, Lackermeier A, et al. Factors affecting electrode-gel-skin interface impedance in electrical impedance tomography[J]. Medical & Biological Engineering & Computing, 1996, 34(6): 397-408.

[2] Rahal M, Khor J M, Demosthenous A, et al.A comparison study of electrodes for neonate electrical impedance tomography[J]. Physiological Measurement, 2009, 30(6): 73-84.

[3] Oh T I, Woo E J, Holder D S. Multi-frequency EIT system with radially symmetric architecture: KHU Mark1[J]. Physiological Measurement, 2007, 28(7): S183-S196.

[4] Bera T K, Nagaraju J. A Simple instrumentation calibration technique for Electrical Impedance Tomography (EIT) using a 16-electrode phantom[C]//CASE 2009 IEEE International Conference on Automation Science and Engineering. Bangalore, India:IEEE, 2009: 347-352.

[5] Kaufmann S, Latif A, Saputra W C, et al.Multi-frequency electrical impedance tomography for intracranial applications[C]//2013 World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering. Beijing, China: Springer, 2013:961-963.

[6] Pettigrew R I, Peterson K P, Heetderks W, et al. Special report：the national institute of biomedical imaging and bioengineering marks its first five years[J]. Academic Radiology, 2007, 14(12): 1448-1454.

[7] Henderson R P, Webster J G. An impedance camera for spatially specific measurements of the thorax[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1978, 25(3): 250-255.

[8] Barber D C, Brown B H, Freeston I L. Imaging spatial distributions of resistivity using applied potential tomography[J]. Electronic Letters, 1983, 19(22): 933-935.

[9] Barber D C, Brown B H. Applied potential tomography[J]. Journal of Physics E-Scientific Instruments, 1984, 17(9):723-733.

[10] Kohn R V, McKenney A. Numerical implementation of a variational method for electrical impedance tomography[J]. Inverse Problems, 1990, 6(3): 389-414.

[11] Khambampati A K, Ijaz U Z, Lee J S, et al. Phase boundary estimation in electrical impedance tomography using the Hooke and Jeeves pattern search method[J]. Measurement Science & Technology, 2010, 21(3): 1-13.

[12] Yousefi M R,Jafari R,Moghaddam H A. A Combined wavelet-based mesh-free method for solving the forward problem in electrical impedance tomography[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2013, 62(10): 2629-2638.

[13] Isaacson D. Distinguishability of conductivities by electric current computed tomography[J].IEEE Transactions on Medical Imaging, 1986, 5(2): 91-95.

[14] Schuessler T F, Bates J T. Current patterns and electrode types for single source electrical impedance tomography of the thorax[J]. Annals of Biomedical Engineering, 1998, 26(2): 253-259.

[15] Demidenko E, Hartov A, Soni N, et al. On optimal current patterns for electrical impedance tomography[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2005, 52(2): 238-248.

[16] Barber D C, Brown B H. Applied Potential Tomography. Journal of Physics E-Scientific Instruments, 1984, 17(9): 723-733.

[17] Holder D S. Electrical impedance tomography: methods, history and applications[M]. Bristol, U.K.: IOP Publishing, 2004:28-48.

[18] Kolehmainen V, Lassas M, Ola P. Electrical impedance tomography problem with inaccurately known boundary and contact impedances[J]. IEEE Transactions on Medical Imaging, 2008, 27(10): 1404-1414.

[19] Dolgin M, Einziger P. Stable reconstruction of piece-wise continuous plane-stratified biological tissues via electrical impedance tomography[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2010, 57(5):1227-1233.

[20] Adler A, Arnold JH, Bayford R, et al. GREIT: a unified approach to 2D linear EIT reconstruction of lung images[J]. Physiological Measurement, 2009,30(6):35-55.

[21] Jehl M, Dedner A, Betcke T, et al. A fast parallel solver for the forward problem in electrical impedance tomography[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2014,E-pub ahead.

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

付峰 - 教授 - 第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系董秀珍 - 教授 - 第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系