體外循環(huán)血栓非侵入在線電阻抗成像方法*

張家輝 高貴鋒 吳 陽 周 童 劉 凱 姚佳烽

（1）南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016；2）深圳市安保醫(yī)療科技股份有限公司，深圳 518100；3）蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院，蘇州 215004）

血栓及其并發(fā)癥是威脅患者生命健康的嚴(yán)重疾病，在體外循環(huán)系統(tǒng)中（如體外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）、左心輔助裝置（left ventricular assist device，LVAC）等），人工材料引發(fā)的生物不相容性/炎癥等問題容易導(dǎo)致血栓的生成進(jìn)而危害患者的生命，患者需要使用抗凝劑直至治療結(jié)束［1-2］。在心臟搭橋手術(shù)中，血液從人體內(nèi)引出到體外心肺機(jī)以維持心肺功能。這種機(jī)器由體外循環(huán)治療師操作，監(jiān)測適當(dāng)?shù)膮?shù)，以確保病人得到有效的抗凝治療，避免血凝塊。肝素是一種抗凝藥物，在手術(shù)過程中使用，而過度使用抗凝劑容易導(dǎo)致過度出血。為了維持出血與凝血之間的平衡，手術(shù)過程中每30~60 min監(jiān)測一次病人的凝血時間，并在手術(shù)后多次監(jiān)測，直到恢復(fù)正常凝血時間［3］。

傳統(tǒng)的體外循環(huán)系統(tǒng)血栓檢測技術(shù)有活化凝血時間（activated coagulation time，ACT）和血栓彈力圖，這些技術(shù)存在一定的局限性［4］。首先，這些技術(shù)需要定期從流道中抽出血液樣本，一次檢測需要10 min 以上。其次，這些技術(shù)能提供特定的血栓形成信息，但是相較于當(dāng)前循環(huán)系統(tǒng)中血栓的生成狀態(tài)具有一定的延時性［5］。因此需要一種在線檢測血栓的技術(shù)，能夠?qū)崟r提供血栓的生成時間、大小和位置等信息。

目前，基于光學(xué)、超聲波和電學(xué)測量原理的體外循環(huán)系統(tǒng)血栓實時檢測方法的研究較少。Oshima 等［6］開發(fā)了一套光學(xué)傳感系統(tǒng)，并將傳感器連接到血液循環(huán)管道上，該系統(tǒng)通過連續(xù)測量反向散射光來監(jiān)測紅細(xì)胞聚集和血栓形成的過程。然而，管道內(nèi)的生物相容性涂層會阻擋光線的傳輸，使得這種技術(shù)很難在實際應(yīng)用中實現(xiàn)。Huang等［7］報道了用高頻超聲波的方法來檢測血栓。然而，超聲波方法具有一定的局限性，它無法區(qū)分循環(huán)管道中的氣泡和血栓。血液的電學(xué)特性已經(jīng)成功地在許多生物醫(yī)學(xué)中得到應(yīng)用，因此基于電學(xué)測量原理的檢測方法可能用于血液中血栓的可視化。電化學(xué)阻抗光譜法（electrochemical impedance spectroscopy，EIS）已被用于體外循環(huán)過程中的血栓檢測。這種方法能夠獲得血栓和正常血液之間的電學(xué)特性差異，并對血栓進(jìn)行定量測量和評估［8-10］。EIS 具有較高的準(zhǔn)確性，但是它不能反映血栓在管道中的位置。

電阻抗成像（electrical impedance tomography，EIT）是一種可視化的在線檢測技術(shù)，用于定位由被測物電導(dǎo)率變化引起的不均勻區(qū)域。EIT具有速度快、無損、無創(chuàng)的特點，適用于臨床連續(xù)監(jiān)測，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于肺功能檢測領(lǐng)域中。Victorino等［11］通過EIT 方法監(jiān)測患者肺部空氣量的分布情況，有效減少了由呼吸機(jī)引發(fā)的肺容器不平衡等疾病。Dunne 等［12］研究使用機(jī)器學(xué)習(xí)分類來確定盆腔區(qū)域的EIT圖像表示的膀胱狀態(tài)，以低成本和不連續(xù)的方式提醒尿失禁患者。

近年來，智能算法的研究已經(jīng)成為EIT圖像重建算法的一個研究熱點，Liu 等［13］介紹了一種用于解決時間連續(xù)EIT 逆問題的稀疏貝葉斯學(xué)習(xí)框架，該方法具有更廣泛的適用性，并大大提高了圖像質(zhì)量。葉明等［14］提出了一種基于U2-Net 深度學(xué)習(xí)模型的電阻抗成像方法，該方法具有較高的測量精度，且魯棒性較好。在此前的研究中，EIT已經(jīng)被用于檢測體外循環(huán)系統(tǒng)中血栓的幾何形狀和位置，表明了EIT在血栓檢測中的可行性［15］。但是，實驗均在靜態(tài)條件下完成，與循環(huán)系統(tǒng)中的實際情況有所不同。

本文提出了基于EIT 的體外血栓在線檢測方法，重建血栓經(jīng)過傳感器的橫截面圖像，實時顯示血栓的大小與位置。本文根據(jù)EIT仿真結(jié)果，比較不同尺寸EIT 傳感器對不同大小目標(biāo)物的成像效果，設(shè)計了EIT傳感器，并應(yīng)用于靜態(tài)和流動狀態(tài)下的血栓檢測實驗。

1 血栓的電阻抗成像數(shù)值仿真

1.1 EIT成像原理與仿真設(shè)計

EIT圖像重建通過邊界電壓U和給定的電流密度J來重建被測區(qū)域的電導(dǎo)率分布σ?；陟`敏度系數(shù)矩陣的圖像重建算法，在假定電導(dǎo)率分布變化較小時，場域內(nèi)敏感場分布近似不變，為：

其中，ΔU表示電壓測量變化值，Δσ表示場域內(nèi)電導(dǎo)率變化，Γ表示靈敏度系數(shù)矩陣。

EIT 逆問題的高度病態(tài)性和不適定性，導(dǎo)致EIT重建圖像分辨率較低［16］。常用的解決方法是對EIT 成像的目標(biāo)泛函數(shù)添加先驗信息進(jìn)行正則化，最普遍的是Tikhonov 正則化算法，算法具有較好的穩(wěn)定性和較快的成像速度［17］。算法本質(zhì)為求解如下目標(biāo)泛函數(shù)：

其中，λ為Tikhonov 正則化系數(shù)，求解該方程可得到：

因此，只要得到靈敏度系數(shù)矩陣和電壓測量結(jié)果便可以迅速計算出電導(dǎo)率的變化。

在血栓的電學(xué)研究中，血液可以由圖1a 所示電路模型表示。血漿和紅細(xì)胞質(zhì)具有不同的電導(dǎo)率，被認(rèn)為是電阻元件，細(xì)胞膜具有較低的電導(dǎo)率，但是會引入電容，這些因素可以歸結(jié)為血液的電路模型，包括細(xì)胞質(zhì)電阻Rcyto，血漿電阻Rp和膜電容CM［18］。式（4）是基于橢球粒子懸浮液電學(xué)特性的Maxwell-Frick 公式，廣泛應(yīng)用于生物細(xì)胞和懸浮液的電學(xué)分析［18-19］：

其中，ρb為全血的電阻率，ρp為血漿的電阻率。H是血液中紅細(xì)胞的濃度，k取決于紅細(xì)胞的幾何形狀和方向。

Fig. 1 Equivalent electrical model of blood and growing of red blood cell aggregation

Fig. 2 Simulation results for different combination of sensors and targets with different sizes

Fig. 3 Experimental setup

Fig. 4 Experimental results under static conditions

Fig. 5 Experimental results under flow conditions

通過電學(xué)的方法檢測血栓，其原理是在纖維蛋白的作用下紅細(xì)胞聚集在一起形成血栓［20］（圖1b）。當(dāng)循環(huán)系統(tǒng)的血液中有血栓形成時，流過EIT傳感器截面的紅細(xì)胞局部濃度發(fā)生變化（也就是上述方程中的H），由于凝血因子濃度的變化，血漿電阻率ρp也會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致EIT傳感器相應(yīng)區(qū)域的電壓測量值發(fā)生變化。

為了得到不同尺寸的小型EIT傳感器對不同尺寸目標(biāo)物的成像表現(xiàn)，通過COMSOL和MATLAB聯(lián)合仿真，采用Tikhonov正則化算法進(jìn)行成像［21］。為了評估傳感器的成像表現(xiàn)，采用皮爾遜系數(shù)，即圖像相關(guān)性（image correlation，IC）。仿真采用16電極采集電壓數(shù)據(jù)，并采用相鄰驅(qū)動模式，電流激勵頻率為125 kHz，使用有限元劃分將傳感器截面劃分成三角形單元網(wǎng)格。使用內(nèi)徑為10、20 和30 mm 的16 電極傳感器。在f<800 kHz 的低頻段下，血液的電導(dǎo)率約為5 mS/cm，正常血液與凝血的電導(dǎo)率之差約為4.3 mS/cm，因此設(shè)置背景溶液血液的電導(dǎo)率為5 mS/cm，目標(biāo)物凝血的直徑設(shè)置為1~7 mm，電導(dǎo)率設(shè)置為0.7 mS/cm［22-23］。

式（5）為IC表達(dá)式，其中，η和σ分別表示電導(dǎo)率真實分布和計算得到的電導(dǎo)率分布，和分別是η和σ的平均值，η需要借助仿真軟件模擬電導(dǎo)率分布代替，IC∈[-1，1]，IC=1表示正相關(guān)，IC=-1表示負(fù)相關(guān)。

因為成像表現(xiàn)與目標(biāo)物的大小有關(guān)，所以僅使用IC來評估成像表現(xiàn)是不夠準(zhǔn)確。因此引入了面積比（area ratio，AR）作為成像表現(xiàn)的綜合評價，AR可根據(jù)式（6）計算得到。

其中，Sp是目標(biāo)物的橫截面積，Ssn是傳感器的橫截面積，dp是目標(biāo)物的直徑，dsn是傳感器的直徑。

1.2 仿真結(jié)果

不同傳感器和目標(biāo)物的仿真結(jié)果如圖2 所示，所有的目標(biāo)物放置在傳感器坐標(biāo)系中（0，yp)位置。為了說明傳感器的尺寸對成像質(zhì)量的影響，根據(jù)不同傳感器的尺寸選擇不同的yp位置。其中傳感器1（直徑ds1=10 mm）中的yp=2 mm，傳感器2（直徑ds2=20 mm）中的yp=4 mm和5 mm，傳感器3（直徑ds3=30 mm）中的yp=6 mm。

圖2 中，橫坐標(biāo)為AR，縱坐標(biāo)為IC，每條曲線表示yp固定的情況下，目標(biāo)物尺寸變化（AR的變化）引起IC的變化。當(dāng)IC≥0.6 時，認(rèn)為仿真的成像表現(xiàn)是可以接受的。從圖中可以看出，當(dāng)AR在0.01~0.1 范圍時，傳感器2和傳感器3 的IC均大于0.6，與傳感器1相比成像表現(xiàn)較好。IC隨著AR的增加逐漸趨于一個穩(wěn)定值，說明傳感器的尺寸對成像質(zhì)量影響較大。從仿真結(jié)果也可以看出，目標(biāo)物與傳感器電極片之間的距離對IC也有影響，yp越大說明目標(biāo)物越靠近傳感器電極，這時傳感器的靈敏度更大［24］，比較傳感器2 的兩條曲線可以看出，當(dāng)yp較大時，表現(xiàn)為IC的數(shù)值更大。從仿真結(jié)果看，三種傳感器最終IC收斂值均大于0.9，成像表現(xiàn)較好，而當(dāng)AR<0.2 時，三種傳感器的IC均小于0.8，成像表現(xiàn)一般。

2 實驗驗證

2.1 實驗材料與裝置

2.1.1 實驗材料

從血液的生物特性和化學(xué)特性來看，豬血與人血相近［25］。豬血的紅細(xì)胞的聚集過程也接近于人類［26］。因此，實驗中使用新鮮豬血作為實驗樣本。從屠宰場購置新鮮的豬血和豬血塊用于實驗，用血塊模擬血栓。臨床中，由于病因不同，不同個體的血栓大小和形狀迥異，但都是因為血栓大小與該處管腔接近嵌合而導(dǎo)致供血不足。體外血栓模型制備中，血栓一般設(shè)計成圓柱形和球形，能更好的與裝置貼附［27］。因此，將血塊分別切成尺寸為3~5 mm的類圓柱形和類球形來模擬體外血栓。

2.1.2 實驗裝置

實驗裝置如圖3所示，包含靜態(tài)條件下的實驗裝置和流動條件下的實驗裝置。靜態(tài)條件下的實驗裝置由一個玻璃容器、便攜式EIT 系統(tǒng)［28］、PC 和16 電極傳感器組成。玻璃容器的內(nèi)徑為20 mm，16 電極傳感器嵌在容器內(nèi)壁上。傳感器的電極材料大多采用銀、銅、不銹鋼等，銀的導(dǎo)電率最好，但價格昂貴，不銹鋼的導(dǎo)電率較差，因此選用銅作為電極材料。設(shè)計的傳感器由16 個銅質(zhì)電極片和聚酯薄膜材質(zhì)的柔性電極片組成，并通過沉金工藝加工而成，具有重量輕、厚度薄和絕佳的可撓性等優(yōu)點。同時為了保證傳感器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，傳感器設(shè)有周向屏蔽和徑向屏蔽。每個電極的寬度hw為2.3 mm，長度h為10 mm，電極間距離hd為1.7 mm。

流動條件下的實驗裝置由蠕動泵、恒溫水浴箱、緩沖血袋、EIT 傳感器、便攜式EIT 系統(tǒng)、PC、高速相機(jī)、三通閥和血液循環(huán)管道組成。便攜式EIT 系統(tǒng)主要包括Red Pitaya STEMlab 開發(fā)板、電壓控制電流源、模擬多路復(fù)用器模塊。EIT系統(tǒng)激勵方式選擇相鄰激勵模式，電流激勵頻率為125 kHz，注入電流振幅為5 mA。系統(tǒng)的采集速度和成像速度穩(wěn)定在每秒20 幀，并獲取邊界電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建。其中恒溫水浴箱用來維持流動液體溫度在37℃，三通閥用來放置血塊。蠕動泵由1個支撐血管的定子和3個管輪組成，管輪依此碾壓泵管形成負(fù)壓，提供動力使得管道中的液體循環(huán)流動，其原理與臨床中的血泵相同。當(dāng)血塊經(jīng)過EIT傳感器截面時，EIT系統(tǒng)采集的截面處電導(dǎo)率發(fā)生較大變化，PC 根據(jù)電導(dǎo)率的變化判斷是否有血塊經(jīng)過，并控制高速相機(jī)拍攝流過EIT傳感器橫截面血塊的分布情況。高速相機(jī)拍攝的圖片與EIT成像結(jié)果進(jìn)行比較，驗證EIT的成像結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

2.2 實驗方法

靜態(tài)條件下，往玻璃容器中加入新鮮豬血至沒過傳感器電極片。將不同大小的血塊置于傳感器截面的不同位置，通過EIT系統(tǒng)分析實驗結(jié)果。玻璃容器中只加入新鮮血液并通過EIT系統(tǒng)分析實驗結(jié)果作為對照實驗。16 電極傳感器采用相鄰激勵模式，共采集得到208個電壓數(shù)據(jù)，并采用Tikhonov正則化算法進(jìn)行成像。

為了便于觀察實驗現(xiàn)象，流動實驗中，用PBS溶液代替豬血作為背景溶液。PBS 溶液的pH 值為7.2~7.4，而人體血液的pH 值正常范圍為7.35~7.45，兩者較為接近。實驗過程中用蒸餾水與PBS溶液配置混合溶液，使其電導(dǎo)率與血液接近。流動條件下，血袋中裝入配置好的PBS 溶液。制備好的血塊從三通閥置入，血袋放置在恒溫水浴槽中，保持溫度為37℃。體外心肺機(jī)裝置正常運(yùn)行時流量一般為75 ml/（kg·min），假設(shè)人體重量為60 kg。為了模擬體外循環(huán)系統(tǒng)的真實情況，設(shè)置蠕動泵的流量為4.5 L/min 使管道中的溶液循環(huán)流動5 min，通過EIT系統(tǒng)實時采集傳感器截面處的相對電導(dǎo)率信息，并進(jìn)行實時成像，當(dāng)血塊經(jīng)過傳感器截面時，PC 控制高速相機(jī)對傳感器截面進(jìn)行拍攝。此外，循環(huán)系統(tǒng)中不添加血塊作為對照實驗。

2.3 實驗結(jié)果

2.3.1 靜態(tài)條件下實驗結(jié)果

靜態(tài)實驗結(jié)果如圖4 所示，w是血塊沿x方向最大寬度，l是血塊沿y方向的最大寬度。EIT傳感器檢測到血塊的存在，成像結(jié)果中，藍(lán)色部分為低電導(dǎo)率部分，紅色部分為高電導(dǎo)率部分。由于血塊與豬血之間存在離子交換，高電導(dǎo)率與低電導(dǎo)率之間存在過渡區(qū)域（成像結(jié)果中的黃色部分），計算過程中，將其視為血塊的一部分。

為了定量評估傳感器的成像效果，計算實物照片與EIT結(jié)果的相對尺寸覆蓋率（RCR）：

式中，CR表示覆蓋率，定義為EIT 結(jié)果中高電導(dǎo)率部分像素點數(shù)（nH）與圓形場域總像素點數(shù)（ntotal）之比：

相應(yīng)的，CRTrue為實物照片的相對尺寸覆蓋率。為了計算實物照片的相對尺寸覆蓋率，先對實物照片進(jìn)行了二值化圖像處理，并計算目標(biāo)物的像素點數(shù)（ntarget）與圓形傳感器的像素點數(shù)（ncir）之比：

對于RCR計算結(jié)果，值為1表示EIT結(jié)果與拍攝照片精確匹配，而值大于或小于1 表示高估或低估。

如圖4 所示，血塊的電阻率大于血液的電阻率。這是由于新鮮豬血中加入了豬血塊，豬血塊模擬了血液中紅細(xì)胞的聚集，導(dǎo)致式（1）中紅細(xì)胞的濃度H增大，使得全血的電阻率增大。使用直徑為20 mm的傳感器檢測直徑為3~5 mm的血塊，相對尺寸覆蓋率誤差|RCR- 1|≤0.1，成像表現(xiàn)較好。

2.3.2 動態(tài)條件下實驗結(jié)果

分別將尺寸為5 mm 和3 mm 的血塊置于循環(huán)系統(tǒng)中，通過EIT系統(tǒng)采集實驗數(shù)據(jù)，高速相機(jī)拍攝血塊流過傳感器截面時的照片。實驗結(jié)果對相對電導(dǎo)率值進(jìn)行了歸一化的處理。具體歸一化處理過程如下：

式（10）是1.1 節(jié)求得的電導(dǎo)率變化方程，這里Δσ表示采集時間內(nèi)電導(dǎo)率變化的每一幀數(shù)據(jù)，ΔU表示電壓測量值的變化數(shù)據(jù)。對電導(dǎo)率作如下歸一化處理：

其中，Δ表示歸一化后的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，Δσmax表示電導(dǎo)率變化最大值，Δσmin表示電導(dǎo)率變化最小值。電導(dǎo)率變化數(shù)據(jù)Δσ的每一幀表示一幅EIT 圖像，一幅圖像中的每一個像素點表示對應(yīng)位置的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，對圖像中每一位置的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行求和來表示這一幀的相對電導(dǎo)率，公式如下：

式中，ΔZk表示第k幀的相對電導(dǎo)率之和，N表示第k幀圖像的總像素點數(shù)，Δσkn表示第k幀圖像中像素點對應(yīng)的相對電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。

實驗結(jié)果如圖5 所示。圖5a 是將5 mm 血塊置于循環(huán)系統(tǒng)中得到的實驗結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)是采樣時間t，縱坐標(biāo)是相對電導(dǎo)率Z，采樣間隔為50 ms，t=7~7.5 s 出現(xiàn)了相對電導(dǎo)率迅速上升的幾個散點，從EIT成像結(jié)果和高速相機(jī)拍攝的照片可以看出，此時有血塊經(jīng)過了傳感器。

圖5b是將3 mm血塊置于循環(huán)系統(tǒng)中得到的實驗結(jié)果。t=5~7.5 s時間段出現(xiàn)了相對電導(dǎo)率變化較大的兩個散點，從EIT成像結(jié)果和高速相機(jī)拍攝的照片可以看出，此時有血塊經(jīng)過EIT傳感器。圖中可以看出，EIT成像系統(tǒng)檢測到了血塊經(jīng)過傳感器截面連續(xù)運(yùn)動的兩個位置。兩個位置的相對電導(dǎo)率變化值存在略微差別，可能原因是血塊距離管壁傳感器的位置不同。

比較圖5a和圖5b，可以看出5 mm血塊經(jīng)過傳感器時，歸一化后的電導(dǎo)率的最大變化約為200，3 mm 血塊經(jīng)過傳感器時，歸一化后的電導(dǎo)率最大變化約為80，說明5 mm的血塊對傳感器截面的相對電導(dǎo)率影響更大。圖5c 為相同實驗條件下，循環(huán)系統(tǒng)中不放入血塊得到的對照實驗結(jié)果。圖中沒有出現(xiàn)相對突變的散點。

本實驗初步驗證了EIT技術(shù)在體外循環(huán)系統(tǒng)中血栓檢測的可行性。實驗過程中，使用豬血塊模擬血栓而并非真實血栓，動態(tài)實驗中用PBS 溶液代替血液作為背景溶液，這與血管中的實際情況不同，因此在后續(xù)的研究中仍需進(jìn)一步改善。

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于EIT的體外循環(huán)系統(tǒng)血栓在線檢測方法，通過聯(lián)合仿真的方法驗證了小型傳感器用于血栓檢測的可行性，并通過實驗進(jìn)行驗證，得到了以下結(jié)論。

a. 聯(lián)合仿真結(jié)果表明，傳感器的尺寸對成像質(zhì)量影響較大。面積比為0.01時，傳感器的尺寸與圖像相關(guān)系數(shù)呈正相關(guān)。當(dāng)目標(biāo)物越靠近傳感器電極時，傳感器的靈敏度更高，表現(xiàn)為圖像相關(guān)系數(shù)的數(shù)值更大。面積比大于0.02時，成像表現(xiàn)較好。

b. 靜態(tài)實驗通過計算RCR來定量評估傳感器的成像質(zhì)量。20 mm 傳感器檢測尺寸為3~6 mm 的血栓相對尺寸覆蓋率誤差小于等于0.1，成像表現(xiàn)較好。實驗結(jié)果表明，血液中的血栓會導(dǎo)致局部電阻率增大。

c. EIT成像技術(shù)用于實時檢測循環(huán)系統(tǒng)中的流動血栓。當(dāng)血栓經(jīng)過傳感器截面時，EIT系統(tǒng)成功重建血栓經(jīng)過時的圖像。

EIT成像技術(shù)能夠重建血栓經(jīng)過傳感器時的圖像信息，反映血栓的大小和位置。在體外循環(huán)系統(tǒng)血栓在線檢測中具有較好的應(yīng)用前景。