電阻抗斷層成像系統(tǒng)的非正常連接電極實(shí)時(shí)檢測(cè)方法

張 戈，代 萌，徐燦華，李蔚琛，史學(xué)濤，尤富生，付 峰，董秀珍

電阻抗斷層成像系統(tǒng)的非正常連接電極實(shí)時(shí)檢測(cè)方法

張 戈，代 萌，徐燦華，李蔚琛，史學(xué)濤，尤富生，付 峰，董秀珍

目的：研究一種適用于電阻抗斷層成像（electrical impedance tomography，EIT）系統(tǒng)的多電極非正常連接的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)不良電極，減少因電極造成的數(shù)據(jù)損失，為EIT提供可靠的成像數(shù)據(jù)。方法：基于正常測(cè)量數(shù)據(jù)的相似性，利用采集的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算電極的相關(guān)系數(shù)并加權(quán)后循環(huán)判斷，實(shí)現(xiàn)非正常連接電極的檢測(cè)，并開展物理模型實(shí)驗(yàn)和人體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法的有效性。結(jié)果：物理模型實(shí)驗(yàn)和人體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能準(zhǔn)確地檢測(cè)出多個(gè)脫落電極，并能夠有效避免正常電極被誤判為非正常連接的情況。結(jié)論：該方法是一種有效的非正常電極的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。[關(guān)鍵詞] 電阻抗斷層成像；電極；加權(quán)相關(guān)系數(shù)

0 引言

電阻抗斷層成像（electrical impedance tomography，EIT）是一種新型的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。通常，EIT系統(tǒng)通過16個(gè)甚至更多的電極向人體施加正弦電流激勵(lì)，并測(cè)量邊界電壓，通過在有限元模型上求解逆問題，將測(cè)得的邊界電壓轉(zhuǎn)換成阻抗分布圖像，反映人體內(nèi)生理、病理變化[1]。因此，電極采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量和圖像質(zhì)量密切相關(guān)[2]。

在臨床應(yīng)用中，EIT監(jiān)護(hù)電極受患者的體動(dòng)、醫(yī)護(hù)人員的操作以及電極本身的原因等因素影響，會(huì)出現(xiàn)接觸不良甚至脫落的情況[3-4]。對(duì)于長時(shí)顱腦EIT監(jiān)護(hù)，這種現(xiàn)象更為常見。因此，在臨床和實(shí)驗(yàn)中，需要一種有效的方法對(duì)非正常連接進(jìn)行自動(dòng)判斷，以便醫(yī)護(hù)人員及時(shí)處理，盡可能減少數(shù)據(jù)損失。

國外研究人員已經(jīng)展開了類似研究。Asfaw基于15電極的成像算法，通過評(píng)價(jià)實(shí)測(cè)邊界電壓數(shù)據(jù)和通過正問題計(jì)算估計(jì)的邊界電壓數(shù)據(jù)的一致性，實(shí)現(xiàn)了脫落電極的位置檢測(cè)。但是，該方法需要進(jìn)行電極數(shù)量幾何倍數(shù)的正向問題和反向問題運(yùn)算，計(jì)算復(fù)雜，不宜作為實(shí)時(shí)的檢測(cè)算法，而且受到成像算法的限制，僅能對(duì)單個(gè)脫落電極進(jìn)行可靠的檢測(cè)[5-6]。Harting利用互易定理，提出了一種對(duì)脫落電極的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。雖然該方法實(shí)現(xiàn)了多個(gè)（2～4個(gè)）脫落電極的檢測(cè)，但是需要額外采集互易數(shù)據(jù)，增加了程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。而且，該方法在對(duì)向激勵(lì)鄰近測(cè)量模式下，當(dāng)有2個(gè)以上電極脫落時(shí)，檢測(cè)正確率不足30%[7]。因此，以上算法均不能實(shí)現(xiàn)對(duì)向激勵(lì)鄰近測(cè)量模式下的多個(gè)脫落電極的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)。

針對(duì)本課題組設(shè)計(jì)使用的EIT系統(tǒng)，本文基于相關(guān)系數(shù)，提出了一種EIT電極接觸不良實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。該方法能同時(shí)判斷多個(gè)電極非正常連接，速度快、判斷準(zhǔn)確，與圖像的顯示更新同步，檢測(cè)出來的脫落電極和實(shí)時(shí)圖像對(duì)應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 EIT數(shù)據(jù)測(cè)量原理

EIT系統(tǒng)共有16個(gè)電極，采用對(duì)向激勵(lì)、鄰近采集的工作模式，測(cè)量原理如圖1所示。在某一時(shí)刻，系統(tǒng)將一對(duì)對(duì)向電極作為激勵(lì)電極，施加恒流源激勵(lì)，其余相鄰電極作為測(cè)量電極，可得到16個(gè)邊界電壓數(shù)據(jù)；在下一時(shí)刻，相鄰的另一對(duì)對(duì)向電極作為激勵(lì)電極，其余相鄰電極作為測(cè)量電極，如此循環(huán)16次，測(cè)得的邊界電壓值形成一幀數(shù)據(jù)（256個(gè)）。其中，由于激勵(lì)電極接觸阻抗未知，所以將與激勵(lì)電極相鄰的測(cè)量通道置為0，因此每幀數(shù)據(jù)中包含192個(gè)有效數(shù)據(jù)。

圖1 電阻抗斷層成像系統(tǒng)測(cè)量原理

1.2 非正常連接電極的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法

1.2.1 非正常連接電極的檢測(cè)原理

由于電流在顱內(nèi)的傳導(dǎo)特性，距離激勵(lì)電極越遠(yuǎn)，測(cè)得的邊界電壓值越小，因此單幀數(shù)據(jù)在形態(tài)上相似，正常的一幀數(shù)據(jù)解調(diào)后呈連續(xù)的“U”分布，信號(hào)水平穩(wěn)定，如圖2（a）所示；當(dāng)有電極出現(xiàn)脫落或接觸不良時(shí)，以4號(hào)電極為例，當(dāng)4號(hào)電極為正激勵(lì)電極時(shí)，由于整個(gè)顱腦失去激勵(lì)源，信號(hào)水平大大降低，如圖2（b）所示；在0～8電極為驅(qū)動(dòng)電極的情況下，由于4號(hào)電極脫落，在恒流源激勵(lì)下，包含4號(hào)電極的測(cè)量電極對(duì)檢測(cè)不到相應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)，相應(yīng)的測(cè)量通道信號(hào)水平明顯降低并趨近于0，如圖2（c）所示；由于理想的恒流源不存在，該電極作為負(fù)驅(qū)動(dòng)電極時(shí)脫落，相當(dāng)于加載了一個(gè)無窮大電阻，其分壓作用導(dǎo)致信號(hào)幅值降低，其對(duì)應(yīng)的16個(gè)數(shù)據(jù)呈單“U”分布[8]，如圖2（d）所示。

圖2 采集數(shù)據(jù)形態(tài)

基于正常采集數(shù)據(jù)的形態(tài)相似性，正常連接電極與非正常連接電極之間信號(hào)水平存在明顯差異，可以采用加權(quán)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行電極好壞的區(qū)分。

1.2.2 單個(gè)非正常連接電極的檢測(cè)

根據(jù)上述電極數(shù)據(jù)特征，可以采用加權(quán)相關(guān)系數(shù)對(duì)單個(gè)非正常連接電極進(jìn)行判斷。

對(duì)包含一幀數(shù)據(jù)的向量d∈R1×256進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為矩陣形式D∈R16×16，每列數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一對(duì)驅(qū)動(dòng)電極再計(jì)算矩陣D的相關(guān)系數(shù)矩陣S∈R16×16，即

求S的列均值，得到相關(guān)系數(shù)均值向量s=[s0，s1，…，s15]。

理論上，以脫落電極為負(fù)驅(qū)動(dòng)電極時(shí)對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)均值小于正常驅(qū)動(dòng)電極對(duì)相關(guān)系數(shù)均值，但是受到環(huán)境和硬件條件等的影響以及相關(guān)系數(shù)本身取值范圍較小的限制，為了方便閾值的選取，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，使用測(cè)量通道數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行加權(quán)，用電極變異系數(shù)（electrode variation coefficient，EVC）反映電極的連接狀態(tài)，即式中：i為檢測(cè)電極編號(hào)；k為檢測(cè)電極作為負(fù)驅(qū)動(dòng)電極時(shí)對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)編號(hào)；D（i，1）和D（i+1，1）對(duì)應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)矩陣D第1列包含i號(hào)電極的測(cè)量值。

當(dāng)i號(hào)電極脫落時(shí)，其左右2個(gè)測(cè)量通道的值趨近于零，因此設(shè)定閾值T，當(dāng)EVCi＞T時(shí)，即判定i號(hào)電極脫落。一般情況下，選取T=10。

1.2.3 多個(gè)非正常連接電極的檢測(cè)

在固定驅(qū)動(dòng)電極對(duì)下，使用上述計(jì)算式可以有效檢測(cè)該驅(qū)動(dòng)電極對(duì)對(duì)應(yīng)的測(cè)量電極連接是否正常。但是，如果有多個(gè)電極脫落，特別是出現(xiàn)“非正常連接—正常連接—非正常連接”的情況時(shí)，判定中間目標(biāo)電極所用的測(cè)量通道值D（i，1）和D（i+1，1），由于包含了目標(biāo)電極兩側(cè)的脫落電極，D（i，1）和D（i+1，1）會(huì)趨向無窮小，和目標(biāo)電極脫落的情況相類似。因此，單純使用測(cè)量通道值進(jìn)行加權(quán)，會(huì)使得中間的正常連接電極被判定為非正常連接電極，需要對(duì)這種情況加以排除。

為簡化判斷邏輯、減少計(jì)算量、提高判斷的準(zhǔn)確性，使用循環(huán)檢測(cè)的方法簡化檢測(cè)過程。在一對(duì)驅(qū)動(dòng)電極對(duì)下，只計(jì)算與正激勵(lì)電極相隔3個(gè)電極位的測(cè)量電極的EVC（如圖3所示），在4號(hào)電極為正激勵(lì)時(shí)，計(jì)算0號(hào)電極和8號(hào)電極的變異系數(shù)。

圖3 循環(huán)計(jì)算各電極的變異系數(shù)

考慮到非正常連接電極為正（負(fù)）驅(qū)動(dòng)電極時(shí)的幅值特性，計(jì)算一幀數(shù)據(jù)矩陣D∈R16×16的列均值，得到邊界電壓均值向量ave=[ave0，ave1，…，ave15]，重新計(jì)算EVCi，即式中：i為檢測(cè)電極編號(hào)；j為正驅(qū)動(dòng)電極編號(hào)；k為i號(hào)電極為負(fù)驅(qū)動(dòng)電極時(shí)對(duì)應(yīng)的邊界電壓均值編號(hào)。

針對(duì)可能出現(xiàn)的將正常連接電極誤判為非正常連接電極的情況進(jìn)行排除。當(dāng)脫落電極的趨近于零時(shí)趨向無窮大，因此，可設(shè)定當(dāng)時(shí)，令，則

當(dāng)EVCi＞T時(shí)，i號(hào)電極連接不正常。一般地，T0=T。

綜上所述，非正常連接電極的檢測(cè)方法總結(jié)為

當(dāng)EVCi＞T時(shí)，即對(duì)應(yīng)的i號(hào)電極連接不正常，需要及時(shí)處理。選取T=10。

1.3 驗(yàn)證檢測(cè)方法

為了驗(yàn)證檢測(cè)方法的有效性，開展鹽溶液物理模型實(shí)驗(yàn)和人體實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中選定電極脫落來模擬非正常連接的情況。

1.3.1 鹽溶液物理模型實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)使用內(nèi)徑為206 mm的半球形有機(jī)玻璃容器，容器內(nèi)壁等間距安放16個(gè)電極。容器內(nèi)盛體積分?jǐn)?shù)為0.05%的鹽溶液，激勵(lì)電流500 μA，EIT系統(tǒng)采集速度為1幀/s。

1.3.2 人體實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證實(shí)際測(cè)量環(huán)境中檢測(cè)方法的有效性，開展相應(yīng)的人體實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一名健康志愿者，該實(shí)驗(yàn)得到了第四軍醫(yī)大學(xué)人體實(shí)驗(yàn)道德倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)。激勵(lì)電流幅值為500 μA，EIT系統(tǒng)采集速度為1幀/s。

2 結(jié)果

2.1 物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用水槽物理模型進(jìn)行非正常連接電極檢測(cè)方法的驗(yàn)證（如圖4所示）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，圖5（a）中4號(hào)電極脫落，圖5（b）中4、5號(hào)電極脫落，圖5（c）中4、6號(hào)電極脫落，圖5（d）中4、5、6號(hào)電極脫落，脫落電極的EVC明顯高于正常連接電極，在水平上，可以準(zhǔn)確地區(qū)分出脫落電極和正常連接電極。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法排除了“非正常連接—正常連接—非正常連接”情況下會(huì)將中間的正常連接電極判定為脫落電極的情況，如圖5（c），在4、6號(hào)電極脫落的情況下，5號(hào)電極沒有被判定為脫落電極。

2.2 人體實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)正常志愿者進(jìn)行非正常連接電極檢測(cè)實(shí)驗(yàn)（如圖6所示）。在采集數(shù)據(jù)過程中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。圖7（a）中5號(hào)電極脫落，圖7（b）中5、7號(hào)電極脫落，圖7（c）中5、6、7號(hào)電極脫落，圖7（d）中1、5、6、7號(hào)電極脫落，脫落電極的EVC高于正常連接電極。在閾值T=10的水平上，可以很好地將正常連接電極和非正常連接電極區(qū)分開來，并且在5、7號(hào)電極脫落的情況下沒有將6號(hào)電極判定為脫落電極（如圖7（b）所示），而且能同時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)到1、5、6、7 4個(gè)電極同時(shí)脫落的情況（如圖7（d）所示）。人體實(shí)驗(yàn)結(jié)果和物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，該檢測(cè)方法不僅適用于穩(wěn)定的物理模型平臺(tái)，也適用于相對(duì)復(fù)雜的人體實(shí)測(cè)環(huán)境。

圖5 物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 人體實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 人體數(shù)據(jù)采集

3 討論

鹽溶液物理模型實(shí)驗(yàn)和人體實(shí)驗(yàn)表明，該方法可以快速有效地對(duì)多個(gè)非正常連接的電極進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，證明了該方法的有效性。與文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)道的方法相比，不需要進(jìn)行復(fù)雜的正逆問題計(jì)算，簡化了計(jì)算過程；也不需要額外采集數(shù)據(jù)，避免了復(fù)雜的硬件系統(tǒng)改進(jìn)和程序設(shè)計(jì)。通過循環(huán)檢測(cè)的方法簡化了判斷的流程，直接利用現(xiàn)有的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)電極的連接是否正常進(jìn)行快速判斷，更適用于對(duì)向激勵(lì)—鄰近測(cè)量的激勵(lì)

（????）（????）測(cè)量模式。

檢測(cè)電極連接是否正常的最終目的是為了保證EIT的數(shù)據(jù)質(zhì)量。本文的方法實(shí)際上對(duì)電極系統(tǒng)采集的一維數(shù)據(jù)進(jìn)行了二值化評(píng)估，協(xié)助操作人員排除故障，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。國外Mamatjan最新提出了使用百分化量化評(píng)估整體數(shù)據(jù)質(zhì)量[9]，因此可以在進(jìn)一步的研究中，在電極接觸正常的前提下，對(duì)電極系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行更精確的評(píng)估。

此外，檢測(cè)出非正常連接電極后，可以對(duì)這些電極進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償。當(dāng)前的數(shù)據(jù)補(bǔ)償方法都需要以采集數(shù)據(jù)作為先驗(yàn)信息從而構(gòu)建數(shù)學(xué)模型推測(cè)出正常數(shù)據(jù)[10]，但是針對(duì)EIT系統(tǒng)而言，如果先驗(yàn)數(shù)據(jù)中不包含監(jiān)測(cè)的目標(biāo)信息，則之后的重構(gòu)數(shù)據(jù)同樣無法反映目標(biāo)信息。因此，該數(shù)據(jù)補(bǔ)償方法仍需要進(jìn)一步研究。

總之，本文針對(duì)當(dāng)前臨床顱腦EIT監(jiān)護(hù)的實(shí)際需求提出了一種快速的多個(gè)非正常連接電極的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。通過物理模型實(shí)驗(yàn)和人體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了檢測(cè)方法的有效性，為EIT的臨床應(yīng)用奠定了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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（收稿：2014-04-14 修回：2014-07-09）

Real-time detection of detached electrodes in electrical impedance tomography

ZHANG Ge,DAI Meng,XU Can-hua,LI Wei-chen,SHI Xue-tao,YOU Fu-sheng,FU Feng,DONG Xiu-zhen
（School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China）

ObjectiveTo develop a real-time method to detect multi-electrodes'detachment for electrical impedance tomography detection and minimize the data loss caused by faulty electrodes on account of timely management.Methods The method of detached electrodes detection was proposed based on the similarity of right data.Correlation coefficients weighted by data collection were calculated circularly to estimate each electrode.Afterwards,physical phantom experiments and human experiments were conducted to verify the validity of this method.ResultsBoth physical phantom experiments and human experiments proved that detached electrodes could be precisely detected by this method.Compared with other methods,this method avoided erroneous judgment effectively.ConclusionThis method offers an efficient way to detect multiple detached electrodes in real time.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（11）：1-4，162]

electrical impedance tomography;electrode;weighted correlation coefficient

R318.6；Q64

A

1003-8868（2014）11-0001-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.11.001

國家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAI20B02，2012BAI19B01，2011BAI 08B13）；國家自然科學(xué)基金課題（51207161）；國家自然科學(xué)基金面上課題（61071033）；軍隊(duì)面上課題（CWS12J102）；陜西省科技統(tǒng)籌項(xiàng)目（2012KTC G04-13）

張 戈（1990—），男，研究方向?yàn)殡娮杩箶鄬映上駭?shù)據(jù)處理方法，E-mail：jsj.202@163.com。

710032西安，第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（張 戈，代 萌，徐燦華，李蔚琛，史學(xué)濤，尤富生，付 峰，董秀珍）

董秀珍，E-mail：dongxiuzhen@fmmu.edu.cn