[科普中國]-電阻抗成像

電阻抗成像（Electrical Impedance Tomography, EIT）是醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的一個新方向，它的基本原理是根據(jù)人體內(nèi)不同組織在不同的生理、病理狀態(tài)下具有不同的電阻/電導(dǎo)率，采用各種方法給人體施加小的安全驅(qū)動電流/電壓，通過驅(qū)動電流或電壓在人體的測量響應(yīng)信息，重建人體內(nèi)部的電阻率分布或其變化的圖像。

電阻抗成像簡介電阻抗成像（Electrical Impedance Tomography, EIT）是醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的一個新方向，它的基本原理是根據(jù)人體內(nèi)不同組織在不同的生理、病理狀態(tài)下具有不同的電阻/電導(dǎo)率，采用各種方法給人體施加小的安全驅(qū)動電流/電壓，通過驅(qū)動電流或電壓在人體的測量響應(yīng)信息，重建人體內(nèi)部的電阻率分布或其變化的圖像。

電阻抗成像（EIT）的起源可追溯到上個世紀(jì)20年代，地質(zhì)學(xué)研究者提出了線性電極陣列的斷層電阻率成像（Resistivity Imaging）技術(shù)，即通過把電流注入地層，測得地表電壓來重構(gòu)不同地層的導(dǎo)電特性，從而確定礦藏的分布。70年代，生物醫(yī)學(xué)研究者提出了圓形電極陣列的斷層電阻率測量技術(shù)（Tomographic Resistivity Measurement Technique）。第一幅電阻抗圖像是由Henderson和Webster于1978年報道的，他們得到了可以顯示人體肺和心臟的圖像，但這還不是斷層圖像，而是類似X胸片的透視圖像。1984年英國謝菲爾德大學(xué)的Barber研究組報道了電導(dǎo)率斷層成像的實(shí)驗，獲得了電導(dǎo)率分布圖像，開辟了電阻抗層析成像技術(shù)這一新的研究領(lǐng)域。目前美國、英國和中國等有30多個研究組在進(jìn)行電阻抗成像的研究。電阻抗成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面有廣泛的應(yīng)用，關(guān)于EIT在檢測中風(fēng)、肺氣腫、心肌萎縮、膀胱疾病、乳腺癌等方面均有醫(yī)學(xué)報導(dǎo)。

醫(yī)學(xué)電阻抗成像方法按照激勵器和測量器是否與成像目標(biāo)體接觸來劃分，可以分為接觸式、不完全接觸式和非接觸式三類。接觸式電阻抗成像采用電極激勵、電極和非接觸形式共同接受的方式，提取與人體生理、病理相關(guān)的電特性信號，包括注入電流電阻抗成像方法（applied current electrical impedance tomography，ACEIT），磁共振電阻抗成像方法（magnetic resonance electrical impedance tomography, MREIT）和電磁阻抗成像（electro-magnetic impedance tomography, EMIT）等；不完全接觸式電阻抗成像采用線圈激勵和電極接收的方式，或者采用電極激勵和線圈接收的方式，包括感應(yīng)電流電阻抗成像方法（induced current electrical impedance tomography，ICEIT）和磁探測電阻抗成像（magnetic detection electrical impedance tomography，MDEIT）；非接觸式電阻抗成像的激勵器和接收器都不與成像體接觸，主要包括磁感應(yīng)成像方法（magnetic induction tomography，MIT）和電場電阻率成像方法（electrical field tomography，EFT）。

成像原理注入電流電阻抗成像（ACEIT）注入電流電阻抗成像（ACEIT）是最早提出的且研究歷史最長的成像方法。許多早期的文獻(xiàn)將之稱為電阻抗成像（EIT），后來隨著各種成像方法的提出，有些學(xué)者為了將它與其他激勵方式的電阻抗成像區(qū)分開來，故將之命名為注入電流電阻抗成像（ACEIT）。后來EIT概念的外延增大，表示所有的電阻抗成像。相對于其他方式的電阻抗成像而言，ACEIT起步較早，研究得比較充分。

ACEIT的原理是，根據(jù)人體內(nèi)不同組織在不同生理、病理狀態(tài)下具有不同的電阻抗，通過電極給人體施加小的安全驅(qū)動電流/電壓，在體外測量電壓/電流信號，并依據(jù)相應(yīng)的快速重組算法重建人體內(nèi)部的電阻抗分布或其變化的圖像。

不同的電流注入模式使成像區(qū)域內(nèi)部形成的電流分布不同，測量靈敏度不同，采集信號的信噪比不相同，最終成像質(zhì)量也不同。常見的注入電流模式主要包括：臨近驅(qū)動模式（adjacent driven pattern）、交叉注入模式（cross method）、相反注入電流模式（opposite method）和自適應(yīng)注入電流模式（adaptive method）等。

感應(yīng)電流電阻抗成像（ICEIT）感應(yīng)電流電阻抗成像的原理是，它在被測目標(biāo)的外圍放置若干個激勵線圈，對其施加交變電流，在空間產(chǎn)生交變磁場，從而在被測目標(biāo)內(nèi)激勵出感應(yīng)電流。測量被測目標(biāo)表面電極間的電壓差，并用此數(shù)據(jù)重構(gòu)電導(dǎo)率擾動的分布，從而進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域電導(dǎo)率的動態(tài)成像。

磁共振電阻抗成像（MREIT）針對常規(guī)電阻抗成像方法只能測量成像目標(biāo)區(qū)域外周邊信息的問題，加拿大多倫多大學(xué)的Zhang于1992在其題為“Electrical impedance tomography based on current density”的碩士論文中提出將EIT與磁共振電流密度成像（magnetic resonance current density image, MRCDI）結(jié)合的磁共振電阻抗成像方法。

磁共振電阻抗成像技術(shù)（MREIT）就是一種把磁共振成像技術(shù)（MRI）和EIT技術(shù)結(jié)合起來的新型阻抗成像技術(shù)。MREIT技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)在于磁共振能夠檢測注入電流激勵磁場沿磁共振主磁場方向的分量。利用這一原理，就能夠測量得到注入電流在成像目標(biāo)內(nèi)部激勵的磁場分布，進(jìn)而，由安培定律（Ampere’s Law）即 可以計算得到注入電流在成像目標(biāo)內(nèi)的電流密度分布，再結(jié)合成像目標(biāo)邊界電壓分布，利用特定算法就能夠重建成像目標(biāo)體的阻抗分布，這就是MREIT技術(shù)的基本思想。

2005年，Ozparlak等提出感應(yīng)電流磁共振電阻抗成像方法（induced current magnetic resonance-electrical impedance tomography, IC-MREIT），將非接觸概念引入磁共振電阻抗成像方法。采用外部非接觸線圈代替電極，將被測物放置于設(shè)計的幾何中心位置，線圈通電后被測物處于交流一次磁場中，該一次磁場在被測物內(nèi)部感應(yīng)生成渦流產(chǎn)生二次磁場。二次磁場可由MRI設(shè)備測得，其中包含足夠的信息用來重建圖像。

磁感應(yīng)成像方法（MIT）ICEIT采用電極測量成像目標(biāo)體表面電壓，依然存在因貼放大量電極而浪費(fèi)時間和處理極不方便等困難。為此，Korjenevsky等人提出激勵和測量全部采用線圈的非接觸方式，通過測得的表面磁場重建電導(dǎo)率分布的磁感應(yīng)成像方法（MIT）。應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的磁感應(yīng)成像方法的研究始于1993年，英國Swansea大學(xué)的Al-Zeibak等首次報道了用于醫(yī)學(xué)的MIT實(shí)驗系統(tǒng)，能夠通過重構(gòu)圖像區(qū)分出脂肪與脫脂組織的輪廓和幾何尺寸。

MIT的基本原理是，激勵線圈產(chǎn)生頻率的交變磁通密度，將成像目標(biāo)體置于激勵磁場中，成像目標(biāo)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生渦旋電場，由于區(qū)域內(nèi)部包含導(dǎo)電介質(zhì)，因此產(chǎn)生渦旋感應(yīng)電流，該渦流同時會產(chǎn)生二次感應(yīng)磁通密度并能改變原激勵磁通密度的強(qiáng)弱和空間分布，在接收線圈上可以檢測到相應(yīng)的感應(yīng)電壓。通過檢測到的測量線圈的感應(yīng)電壓的變化可以間接地反映導(dǎo)體的電導(dǎo)率分布，進(jìn)行圖像重構(gòu)。由理論分析可知，二次感應(yīng)磁通密度的實(shí)部由位移電流引起，與導(dǎo)體的介電常數(shù)有關(guān)，虛部由渦旋電流感生，與導(dǎo)體的電導(dǎo)率近似成線性關(guān)系。

電磁阻抗成像（EMIT）Levy等人提出了一種成像技術(shù)叫電磁阻抗成像（EMIT），既測量EIT的邊界電壓，又通過線圈記錄外部磁場。他們通過數(shù)值模擬得出結(jié)論，附加的一小部分磁場的測量可以減小EIT問題的條件數(shù)，即改善了問題的病態(tài)性。

電場電阻率成像（EFT）還有另外一種完全非接觸電阻抗成像方法——電場電阻率成像（EFT）[90]。這種成像方法采用與成像體非接觸的電極激勵交變電場，激勵電極在成像目標(biāo)體近表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷，而在遠(yuǎn)離電極的一面產(chǎn)生相反電荷，使得測量電壓和激勵電壓之間的相移攜帶有成像目標(biāo)體電阻率特性信息，進(jìn)而可以建立相移與電阻率的對應(yīng)關(guān)系，據(jù)此重構(gòu)出成像體電阻率分布圖像。

磁探測電阻抗成像（MDEIT）磁探測電阻抗成像（MDEIT）通過貼在成像目標(biāo)體的成對電極，向成像目標(biāo)體注入一定頻率的交變電流，然后用某種形式的接收裝置，例如感應(yīng)線圈、超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）等，測量注入電流在成像目標(biāo)體外產(chǎn)生的磁場，根據(jù)表面磁場的反問題求解獲得產(chǎn)生磁場的電流分布，進(jìn)而從電流分布重構(gòu)出電導(dǎo)率分布圖像。

綜上所述，電阻抗成像（EIT）主要包括注入電流電阻抗成像方法（ACEIT），感應(yīng)電流電阻抗成像方法（ICEIT），磁共振電阻抗成像方法（MREIT）和電磁阻抗成像（EMIT），磁感應(yīng)成像方法（MIT），電場電阻率成像方法（EFT）和磁探測電阻抗成像（MDEIT）。它們的激勵方式和傳感接收方式各不相同，見表1。

表1 EIT各種方法的激勵和傳感方式的比較

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應(yīng)用EIT技術(shù)具有很多優(yōu)勢，如對人體無創(chuàng)，無電離和輻射危險，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，測量簡便，可以用于快速的便攜式成像，并且在對于人體心血管、食道、胃部等生理活動進(jìn)行連續(xù)動態(tài)的圖像監(jiān)護(hù)方面具有廣泛的應(yīng)用前景，這些是目前多數(shù)臨床成像手段難以做到的。同時該設(shè)備造價低廉、檢測費(fèi)用低的特點(diǎn)非常適合進(jìn)行廣泛的醫(yī)療普查。利用EIT技術(shù)，既可以得到解剖學(xué)影像，又可以得到人體器官生理活動（如呼吸、心臟搏動）的功能性圖像。解剖影像是利用組織阻抗的頻率依賴性對體內(nèi)的阻抗分布進(jìn)行成像。既往研究表明某些人體組織的生理功能變化能引起組織阻抗的變化（如組織充血和放電等），某些組織病理改變也能引起組織阻抗的變化（如癌變等），這些信息將會在EIT圖像中體現(xiàn)出來，所以EIT具有功能成像的性質(zhì)。

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本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

郝麗玲 - 講師 - 東北大學(xué)中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院張耀楠 - 教授 - 東北大學(xué)中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院