電阻抗成像激勵測量方式和成像方法研究

鄭皓楠

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安，710100)

0 引言

電阻抗成像是基于生物體組織在不同的生理、病理狀況下的電阻抗（電導(dǎo)率、電阻率）分布差別較大，通過貼放在被測生物體表面的電極在生物體表面施加微小的激勵電流或電壓，在生物體組織內(nèi)部產(chǎn)生微弱的電場，利用在體表測得的電壓信號配合一定的成像算法以實現(xiàn)生物體組織內(nèi)部電阻抗分布圖像重構(gòu)。電阻抗成像具有用途廣泛，健康環(huán)保安全，經(jīng)濟可循環(huán)使用，快速便捷易用等優(yōu)點。

國外在電阻抗成像技術(shù)領(lǐng)域相對比較成熟，已經(jīng)從實驗室轉(zhuǎn)向了臨床研究。較著名研究團隊有：Sheffield Group(英國），側(cè)重肺部成像；Oxford Group(英國）,側(cè)重重建算法和自適應(yīng)斷層掃描硬件；Barcelong Group(西班牙），側(cè)重硬件測量和圖像重構(gòu)。

國內(nèi)在電阻抗成像技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，目前研究尚處于實驗室研究階段。主要研究單位有：第四軍醫(yī)大學(xué)、重慶大學(xué)、天津大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)和中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所等。研究領(lǐng)域主要集中在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)以及圖像重構(gòu)算法方面。

1 EIT系統(tǒng)

EIT系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)檢測和重建算法兩部分組成（如圖1所示）。

圖1 EIT系統(tǒng)構(gòu)成

EIT系統(tǒng)的基本原理是通過多路開關(guān)向安裝在被測生物體組織表面的電極注入安全激勵信號，同時通過測量目標區(qū)域表面能夠反映阻抗信息的電壓信號，信號經(jīng)過高精度的放大電路處理后，經(jīng)相敏解調(diào)電路和A/D轉(zhuǎn)換器進行信號恢復(fù)和數(shù)字化處理，最后計算機通過圖像重構(gòu)算法得到能夠反映被測區(qū)域生物體組織電阻抗變化的圖像。電阻抗數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)的功能是采集生物體組織電阻抗及其變化的信息。圖像重建根據(jù)電阻抗數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)提供的生物體組織的電阻抗及其變化信息，采用相應(yīng)的重建算法對生物體組織的電阻抗及其變化信息實現(xiàn)圖像重建與顯示功能[1]。

2 EIT系統(tǒng)激勵模式

外部電壓激勵，外部電流測量的電壓激勵模式、外部電流激勵，外部電壓測量的電流激勵模式是電阻抗成像技術(shù)最早采用的兩種激勵模式。由于生物體與貼放其表面的電極有電流通過時會產(chǎn)生接觸阻抗這種固有的物理特性，外部電壓激勵，外部電流測量的電壓激勵模式無法克服這種固有的物理特性對電阻抗成像檢測系統(tǒng)影響，另外生物體所能承受流經(jīng)的激勵電流是有安全邊際的，即流經(jīng)生物體的電流不能超過5mA,采用此模式時流經(jīng)被測生物體的激勵電流控制在5mA的安全范圍內(nèi)難度較大，臨床應(yīng)用時是不安全的。故電壓激勵模式在實際應(yīng)用時有局限性。目前電阻抗成像檢測系統(tǒng)多采用電流激勵模式。因為此方式能很好地去除生物體與貼放于其表的電極產(chǎn)生的接觸阻抗這一物理特性對電阻抗成像檢測系統(tǒng)的影響，且重建生物體組織的電導(dǎo)率分布過程簡單。此外流經(jīng)生物體的電流控制在5mA的安全范圍內(nèi)相對容易。繼上述兩種激勵模式之后，國外科研工作者開始探索利用感應(yīng)電流激勵模式的可行性。1993年，purvis首次提出了感應(yīng)電流電阻抗成像（ICEIT)[2]。此成像技術(shù)就是利用感應(yīng)電流激勵模式，即在被測生物體組織的外圍環(huán)繞數(shù)個導(dǎo)體線圈，注入電流后導(dǎo)體線圈周圍會產(chǎn)生磁場，生物體組織內(nèi)部由于磁場的激勵而產(chǎn)生感應(yīng)電流。測量生物體表面相臨電極的電壓差，并用此數(shù)據(jù)進行目標區(qū)域電導(dǎo)率圖像重建[3]。所以感應(yīng)電流激勵模式與電壓和電流激勵模式在本質(zhì)上有區(qū)別，是一種不完全接觸式激勵模式。優(yōu)點是其電極僅測量輸出電壓，不用于電流驅(qū)動，在優(yōu)化電極設(shè)計，提高信噪比上有很大優(yōu)勢[4]。缺點是測量導(dǎo)線受到磁場干擾而影響測量數(shù)據(jù)精度，但可通過調(diào)整激勵導(dǎo)體線圈和測量導(dǎo)線位置去減小影響。

3 EIT系統(tǒng)測量方式

EIT系統(tǒng)中測量時電極對施加電流與電極對進行電壓測量的方式稱為激勵測量方式，激勵方式按激勵信號輸入電極的相對位置可分為相領(lǐng)激勵方式、相間激勵方式、相對激勵方式[5]。如下圖2所示以16電極為例分述測量方式相領(lǐng)激勵測量方式（如圖2a）：第一步，選擇電極1和2作為施加激勵的電極對向被測生物體區(qū)域內(nèi)組織施加確保生物體安全的激勵電流或電壓，測量剩余13個電極對兩兩電極間13組電壓數(shù)據(jù)。第二步，施加激勵的電極對按順時針方向移動到2和3，施加確保生物體安全的激勵電流或電壓，測量除施加激勵電流的電極對外剩余13個電極對兩兩電極間13組電壓數(shù)據(jù)。以此推算，完成一次測量能夠獲取208個電壓數(shù)據(jù)，其中獨立數(shù)據(jù)個數(shù)是104個。

圖2 激勵測量方式

相對激勵測量方式(如圖2b)：選擇施加激勵電流的電極對相差180°。第一步，選擇電極1和9作為施加激勵的電極對施加確保被測生物體安全的激勵電流或電壓，測量剩余12個電極對兩兩電極間12組電壓數(shù)據(jù)。第二步，激勵電極對按順時針方向移動到2和10，施加激勵電流，測量除施加激勵電流的電極對以外的剩余12個電極對兩兩間12組電壓數(shù)據(jù)。以此推算，完成一次測量能夠獲取192個電壓數(shù)據(jù)，其中相互獨立的數(shù)據(jù)只有一半。

相間激勵測量方式（如圖2c)選擇施加激勵電流的電極對測量剩余其它電極對兩兩間電壓數(shù)據(jù)的方法與相對激勵測量方式相同，不同的是相對激勵測量方式選擇施加激勵電流的電極對在空間分布上是相對的（相差180°），而相間激勵測量方式選擇施加激勵電流的電極在空間分布上是交叉的，這是兩者的區(qū)別。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)對比，相領(lǐng)激勵測量方式在電極數(shù)量相同的條件下能夠獲得較多有效的相互獨立的被測生物體組織內(nèi)部的電壓數(shù)據(jù)。目前電阻抗成像系統(tǒng)多采用此方式。缺點是對電極施加的激勵電流在被測生物體組織上分布不均勻，被測生物體組織邊緣電流密度大于中心密度，從而造成分辨率高低不一，邊緣高，中間低，邊緣靈敏度高于中間靈敏度。

相對激勵測量方式優(yōu)點是對電極施加的激勵電流能更好的流經(jīng)被測生物體組織中間位置，被測生物體組織中間比邊緣成像效果好。缺點是該方式在電極數(shù)量相同的條件下能采集到生物體組織內(nèi)部有效的電壓測量數(shù)據(jù)較少。

相間激勵測量方式在電阻抗成像應(yīng)用方面研究不多，是否最優(yōu)尚無結(jié)論。但是研究表明，不同的激勵方式使用對象不同，對數(shù)據(jù)采集質(zhì)量有影響，例如對肺部與腦部電阻抗成像做對比，相臨激勵方式更適合肺部成像，相間或相對激勵方式較適合頭部成像。

4 EIT成像方式

電阻抗成像本質(zhì)就是求解逆問題，即已知邊界電壓求得被測生物體組織區(qū)域內(nèi)電導(dǎo)率的分布。EIT圖像重建算法采用數(shù)值法利用測量系統(tǒng)獲得邊界電壓測量值，并將測量值與計算值經(jīng)過反復(fù)迭代修正電導(dǎo)率，最終得到阻抗分布的近似值。電阻抗成像主要有動態(tài)式和靜態(tài)式成像兩種方式。

動態(tài)成像是利用采集到的被測生物體組織區(qū)域內(nèi)當前時刻的電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)與前一時刻采集到電導(dǎo)率數(shù)據(jù)相減差值來重建出一幅生物體組織兩個時刻電導(dǎo)率差值分布，從而重建出一幅差分圖像。動態(tài)電阻抗成像是利用采集到的當前時刻與前一時刻數(shù)據(jù)相減差值進行成像，這樣電阻抗成像檢測系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾信號和噪聲信號以及數(shù)據(jù)測量誤差在相減時被去除，使得成像效果受上述因素影響不大。但臨床應(yīng)用時被測生物體組織的前一時刻數(shù)據(jù)無法獲取，或獲取到的當前時刻與前一時刻電導(dǎo)率信息數(shù)據(jù)一樣，則它不能成像。其算法主要是反投影型算法[6]。眾多動態(tài)成像算法中其最具特色。

靜態(tài)成像是利用采集到的被測生物體組織內(nèi)某時刻電導(dǎo)率的絕對值來重建出被測生物體組織該時刻電導(dǎo)率分布，從而重構(gòu)出一幅絕對值圖像。故靜態(tài)成像重建的圖像是以被測生物體組織電導(dǎo)率的絕對值為成像對象。靜態(tài)成像在反問題的重建過程中存在嚴重不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性存在造成圖像重建算法對測量數(shù)據(jù)中的噪聲以及計算中的舍入誤差特別敏感，因而有必要改進算法使數(shù)值的穩(wěn)定性提高[7]。其算法主要是Newton類算法及其改進型[8]。

動態(tài)成像和靜態(tài)成像技術(shù)特點對比如下:

（1）成像目標不同。動態(tài)電阻抗成像技術(shù)是對被測生物體組織前后時刻電導(dǎo)率變化成像，靜態(tài)成像是對被測生物體組織當前時刻電導(dǎo)率的絕對值成像。

（2）成像算法不同。動態(tài)電阻抗成像僅需當前時刻相對前一時刻電導(dǎo)率信息變化量，因此所采集的信息數(shù)據(jù)量少，用相對簡單線性求解即可，大大縮短了求解過程所用時間，能對被測生物體組織即時成像。

靜態(tài)電阻抗成像技術(shù)反映被測生物體組織當前時刻電導(dǎo)率絕對值，所需獲取信息數(shù)量較多，求解過程非常復(fù)雜，需采用非線性算法或者轉(zhuǎn)化為多次迭代的線性重建算法，耗時較長，不能對被測生物體組織即時成像。

（3）成像質(zhì)量不同。動態(tài)成像對被測生物體組織形態(tài)和測量電極安放沒有特殊要求，從而減少由于數(shù)據(jù)采集誤差對成象重構(gòu)造成影響，成像質(zhì)量穩(wěn)定，但成像質(zhì)量不高。

靜態(tài)成像對被測生物體組織形態(tài)、測量電極安放、數(shù)據(jù)采集誤差和干擾信號以及噪聲信號、數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建都很敏感，因此成像分辨率不穩(wěn)定，但成像效果好。

（4）檢測系統(tǒng)要求不同。動態(tài)電阻抗成像信息獲取系統(tǒng)與靜態(tài)電阻抗成像信息獲取系統(tǒng)在構(gòu)成上沒有太大差別，但要求不同。動態(tài)成像是利用當前時刻相對前一時刻電導(dǎo)率數(shù)據(jù)之差成像，對信息獲取系統(tǒng)要求沒有靜態(tài)成像那樣高。靜態(tài)成像是對當前時刻電導(dǎo)率絕對值成像，對信息獲取系統(tǒng)要求苛刻，要求高精度信息獲取系統(tǒng)。

（5）使用范圍不同。原則上被測生物體所有部位都適合靜態(tài)成像，但動態(tài)成像僅適合被測生物體某些部位成像，使用范圍有較大局限性。

5 總結(jié)

EIT技術(shù)是將被測生物體組織區(qū)域內(nèi)部電導(dǎo)率分布作為成像目標，通過貼放于被測生物體表面若干數(shù)量的電極選用相應(yīng)的激勵測量方式向被測生物體組織施加激勵電壓或電流測量獲取被測生物體組織內(nèi)部數(shù)據(jù)信息，最后計算機通過成像算法得到能夠反映被測區(qū)域生物體組織電導(dǎo)率變化的圖像。

所以相應(yīng)的激勵測量方式，較高被測生物體組織區(qū)域的分辨率和抗干擾性能，能夠獲取更多有效的相互獨立的信息分布獲取系統(tǒng)對電阻抗成像系統(tǒng)非常重要。反過來，成像重構(gòu)算法對電阻抗成像信息獲取系統(tǒng)具有制約，不同的算法對信息獲取系統(tǒng)有不同的要求且對電阻抗成像系統(tǒng)的抗干擾性和空間成像分辨率以及成效效果好壞有不同程度的影響?？傊娮杩钩上裣到y(tǒng)必須具有高的檢測靈敏度和性噪比，有足夠的空間分辨率和阻抗分辨率[9]。

因此精度高、速度快且能最大程度減少干擾信號和噪聲信號影響實現(xiàn)即時成像的電阻抗成像系統(tǒng)是當前科研努力的方向，相信在國內(nèi)廣大科研工作者的努力下，電阻抗成像技術(shù)由實驗室到臨床應(yīng)用不會遙遠。