胃排空三層電極模型的EIT仿真研究

重慶郵電大學(xué)生物信息學(xué)院　李章勇

重慶郵電大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程研究中心　劉兆宇　相尚志　馬成群　司淼淼　夏　爽

1　引言

胃腸道疾病是我國(guó)常見(jiàn)的一種慢性疾病，表現(xiàn)形式多樣，且存在近50%的患者出現(xiàn)了胃動(dòng)力異常，目前關(guān)于胃動(dòng)力功能的研究不如對(duì)胃的分泌功能和胃的形態(tài)學(xué)的研究，主要原因之一是目前缺少方便、有效的胃動(dòng)力學(xué)檢測(cè)手段[1]。胃動(dòng)力的表現(xiàn)方式分為胃排空和胃蠕動(dòng)兩種形式，其中胃排空功能下降是多種疾病在上消化道的表現(xiàn)。對(duì)于消化不良來(lái)說(shuō)，胃排空具有一定的治療指導(dǎo)價(jià)值，因?yàn)榇嬖谖概趴昭舆t的患者對(duì)于胃動(dòng)力藥物的治療反應(yīng)優(yōu)于胃排空正常的患者[2]。生物電阻抗技術(shù)是一種利用人體組織和器官的電特性變化規(guī)律與人體組織的病理狀況聯(lián)系起來(lái)的生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)，其具有方便、無(wú)創(chuàng)、廉價(jià)以及功能信息豐富的特點(diǎn)[3]。胃在消化過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電節(jié)律特性變化，該變化信號(hào)較強(qiáng)，功能信息豐富，檢測(cè)靈敏度較高[4]，因此可以應(yīng)用電阻抗成像技術(shù)（Electrical Impedance Tomography,EIT）來(lái)對(duì)胃動(dòng)力異常進(jìn)行信息提取和處理。

EIT技術(shù)是近年來(lái)興起的一項(xiàng)無(wú)創(chuàng)性功能成像技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)胃體的體積變化情況。具體實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)配置人體體表的電極陣列，提取相應(yīng)的電特性信號(hào)，通過(guò)相應(yīng)計(jì)算，得到可以反映相關(guān)組織、器官功能狀態(tài)和相應(yīng)變化規(guī)律的功能性圖像[5]。該技術(shù)具有準(zhǔn)確、易操作、無(wú)輻射、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，適合胃排空檢測(cè)。

EIT的核心是電極激勵(lì)模型研究和圖像重建算法研究，其中電極激勵(lì)模型是對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行信號(hào)采集的部分，圖像重建算法是將采集的信號(hào)進(jìn)行處理而得到功能性圖像的部分。利用EIT技術(shù)檢測(cè)胃排空信息會(huì)受到很多因素干擾，包括皮膚阻抗干擾、呼吸誤差等，關(guān)于如何得到更準(zhǔn)確的體表信號(hào)與胃動(dòng)力之間的相關(guān)聯(lián)系，需要優(yōu)化激勵(lì)模型，進(jìn)行多種模式的嘗試。鑒于胃在人體的位置相對(duì)固定，人體體表電極陣列數(shù)越少，測(cè)量系統(tǒng)的外在干擾越少，因此，本文構(gòu)建了兩種開放性三層胃區(qū)電極激勵(lì)模型，研究其在胃排空檢測(cè)中的有效性。衡量電極激勵(lì)模型的優(yōu)劣可以用邊界測(cè)量電勢(shì)范圍，因?yàn)閯?dòng)態(tài)成像是基于電勢(shì)的相對(duì)變化來(lái)進(jìn)行圖像重構(gòu)的，邊界測(cè)量電勢(shì)越小，成像噪聲越大，穩(wěn)定性越差，所以在不同電極激勵(lì)模型中，擁有比較小的邊界電勢(shì)范圍的模型更好[6]。

2　方法

利用COMSOL軟件構(gòu)件類似于人體的橢圓柱模型，并分成1cm厚的脂肪層和其它填充物，在橢圓柱內(nèi)構(gòu)建類似胃體的模型，用以模擬人體腹腔環(huán)境。

2.1　1/4面電極模型

在橢圓柱外表面放置點(diǎn)電極，點(diǎn)電極位置為圓柱體右側(cè)一面，共三層，每層間隔8cm，每層6個(gè)電極，如圖1(a)所示。激勵(lì)電極做兩種選擇，一種為激勵(lì)與接地上下相鄰，稱為跨層近地模式；一種為激勵(lì)與接地距離同層較遠(yuǎn)，稱為同層遠(yuǎn)地模式，如圖1(b)、(c)所示。

圖1　1/4面電極模型

2.2　2/4面電極模型

將點(diǎn)電極均勻分布在圓柱體右側(cè)的前后兩面，其余分布形式同1/4面模型，如圖2(a)所示。激勵(lì)電極也同1/4面模型，如圖2(b)、(c)所示，其中遠(yuǎn)地模式為跨層遠(yuǎn)地模式。

圖2　2/4面電極模型

3　結(jié)果

3.1　1/4面電極模型

電極電導(dǎo)率設(shè)為1010S/m，脂肪層設(shè)為0.037S/m，中間填充物電導(dǎo)率設(shè)為0.7S/m，胃模型的電導(dǎo)率設(shè)為1S/m、0.5S/m、0.05S/m三種，并分別進(jìn)行仿真。根據(jù)胃排空過(guò)程中的胃體積的變化，將胃模型的大小設(shè)為1.8倍、1.4倍、1倍三種，并分別進(jìn)行仿真。選取代表性結(jié)果電勢(shì)分布如圖3所示。

圖3　1/4面電極模型電勢(shì)分布圖

圖4　1/4面電極模型中間截面電勢(shì)分布圖

從圖3可以看出，電極模型不同，電勢(shì)值并不同，其中近地模型的最高電勢(shì)為26.82，最低電勢(shì)為15.53；遠(yuǎn)地模型最高電勢(shì)為12.65，最低電勢(shì)為9.359。從圖4可以看出隨著胃體積變大，電勢(shì)值逐漸變大，近地模型的電勢(shì)變化劇烈，遠(yuǎn)地模型的電勢(shì)變化較平緩。近地模型的邊界電勢(shì)范圍較遠(yuǎn)地模型的邊界電勢(shì)范圍大，可知近地模型會(huì)使成像的穩(wěn)定性降低，故遠(yuǎn)地模型更好。

3.2　2/4面電極模型

電極電導(dǎo)率與橢圓柱電導(dǎo)率同1/4面模型，仿真過(guò)程也與1/4面模型相同，選取代表性結(jié)果電勢(shì)分布圖如圖4所示。

圖5　2/4面電極模型電勢(shì)分布圖

圖6　2/4面電極模型中間截面電勢(shì)分布圖

從圖5可以看出，近地模型最高電勢(shì)為26.87，最低電勢(shì)為15.51；遠(yuǎn)地模型最高電勢(shì)為26.84，最低電勢(shì)為15.54。從圖6可以看出隨著胃體積變大，電勢(shì)值逐漸變大，近地模型的電勢(shì)變化劇烈，遠(yuǎn)地模型的電勢(shì)變化較平緩。兩種模型的邊界電勢(shì)范圍相差很小，較難區(qū)分哪個(gè)更好，但是可以看出近地模式的電勢(shì)變化十分劇烈，在穩(wěn)定性上較差。

4　結(jié)論

以上研究對(duì)三維胃區(qū)阻抗的兩種不同電極模型進(jìn)行了分析，對(duì)三維胃動(dòng)力阻抗成像的研究具有重要價(jià)值，可以根據(jù)對(duì)兩種模型的電勢(shì)分布觀察可知，遠(yuǎn)地模型較近地模型具有更好的穩(wěn)定性，1/4面電極分布模型和2/4面電極分布模型相互對(duì)比可知，1/4面電極分布模型在同樣條件下?lián)碛懈€(wěn)定的仿真結(jié)果。在后續(xù)研究中，可以考慮1/4面的遠(yuǎn)地電極模型進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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