电阻抗断层成像系统研究文献综述

文献综述：

1．电阻抗断层成像简介

电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)是一种基于传统CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)，以人体内部电阻率(电导率)的分布为成像目标的新型医学成像技术。^[1]它根据人体内不同的组织具有不同阻抗的现象，充分利用人体阻抗所携带的丰富的生理和病理信息，通过电极将电流注入到待测物体表面，然后测量电压，并将测得的电压信息经过一定的算法进行计算，最终重建出反应物体内部的电特性的图像，从而达到功能成像的目的。

相对于通常在组织或器官发生器质性病变和其他临床症状时才能检查出来的CT、MRI (Magnetic Resonance Imaging, 磁共振成像)、PET (Positron Emission Tomography, 正电子发射计算机断层显像)等医学成像，EIT成像作为一种功能性成像技术能在疾病潜伏期或组织和器官发生功能性变化时就可以及时地检查与诊断出来，使疾病地防治与治疗不易错过最佳时机。^[2]同时，EIT系统相对于CT、MRI、PET等成像技术，它具有对人体检测不存在损伤、可以实现动态功能性成像与医学图像监护的特点。且EIT测量系统结构简单、操作简单方便、成像成本较低。所以，EIT成像技术成为国内外临床医学研究的一个热点。

2．研究意义

通过对生物组织电性能的研究，人们发现人体不同器官组织的阻抗分布不同(见表1．1)。^[3]从表中可以看出，人体内部各组织的阻抗分布范围很广，通过EIT（Electrical Impedance Tomography，EIT）技术，有利于形成器官组织边界的阻抗图像。更重要的是人体某些组织和器官的阻抗特性随其功能状态的不同而改变，不同生理状态下组织和器官的阻抗也有很大变化(见表1．2)。因此，通过EIT技术重建组织器官的阻抗分布可以反映人体病理功能状况，为医学诊断和治疗提供依据。

表1．1人体不同组织、器官的离体电阻率测量值

表1．2 EIT测得的四种情况下大脑的最大阻抗变化率

同现有的一些医学成像技术相比，ETI成像的首要优势在于它是一种功能成像。从医学的角度来看，当疾病发生时，相关组织与器官的功能性变化往往先于器质性病变和其它临床症状，如果能在疾病的潜伏期或功能代谢期及时检测和确认这些变化，将对相关疾病的普查、预防和早期治疗非常有利，EIT技术恰恰能达到这一目的。它充分利用了阻抗所携带的丰富的生理和病理信息，使器官、组织在功能异常时就被反映出来，为提早预防和治疗提供依据。其它一些已在临床上被广泛应用的医学成像技术，如计算机断层成像(CT)、超声波成像、磁共振成像等，通常是在病变发生后才能被检测出来，易丧失疾病防治的良机。其次，EIT成像对人体检测无创无害，成像设备成本低廉、体积小、操作简便，不要求特殊的工作环境，便于普及推广。其他医学成像技术在这些方面或多或少都有缺陷，例如CT对人体有损伤，它们的设备都比较庞大且价格不斐。当然，EIT技术也存在缺陷，它的重建图像没有那些传统成像技术的空间分辨率高，这在一定程度上限制了它的应用，但作为医学诊断的辅助工具，EIT技术特有的特点使得它在有关疾病的普查和预防方面具有独特优势，具有广阔的发展前景。

3． EIT内容

EIT 包括其成像算法和硬件系统。成像算法是整个成像的核心,对硬件系统的设计，很多研究小组都在努力提高测量精度、减小误差。^[4]

3.1成像算法

电阻抗成像图像重建主要是根据EIT硬件系统测量的边界和边界电压的测量值，求模型内的阻抗分布。^[2]EIT成像算法借助于数值方法通过多次迭代修正来实现阻抗分布的估计以使之最接近真实阻抗分布 ，目前EIT系统有动态成像和静态成像两种图像重建方式。

(1)动态成像：利用EIT测量系统两个不同时刻测量的电阻抗数据，然后图像重建算法获取这两个时刻电阻抗分布的差值重建其阻抗分布相对变化，所以动态成像是利用组织或器官阻抗分布的相对变化值为成像目标的相对值成像方法。动态成像由于采用的是两个时刻电阻抗分布的差值重建其阻抗分布相对变化，所以测量系统的噪声与误差在相减过程中得以消除，这样系统的噪声与误差对图像重建影响较小。所以动态成像的EIT系统性能要求较低易于实现。此外，动态成像假定两个不同时刻测量的电阻抗变化不大，重建算法可以基于线性近似，所以动态成像计算量较小可实现实时成像。动态成像具有抗干扰性强，计算量少等优点，且图象重建算法对数据采集系统的要求不是太高，但是其应用不广泛。

(2)静态成像：静态成像是利用EIT测量系统测量某一时刻器官或组织电阻抗绝对值，然后通过图像重建算法获取该时刻电阻抗分布的绝对值重建器官或组织阻抗分布，所以静态成像是以阻抗分布的绝对值为成像目标的绝对值成像方法。目前由于静态重建算法已得到广 泛的应用及具有较好的成像效果已成为EIT成像重建的重要方式。但是静态成像也具有一系列的缺点，例如数据计算量大，系统抗噪声性能差等。

3.2硬件系统结构和模块

3.2.1硬件系统结构

分析文献中报道的各系统，尽管采用的技术或电路形式不尽相同，但硬件系统总体结构都如图一所示。主要交流激励源，测量电路，相应控制电路及计算机系统组成。^[5]

3.2.2模块介绍

对硬件系统由激励源、驱动模块、测量模块、信号处理模块、计算机系统控制和成像显示等部分组成，下面对部分模块进行介绍。

(1)激励源

首先介绍激励源的硬件构成，EIT 采用正弦信号做为激励源。目前常由来构造正弦信号发生器的方法有两种，一是采用DDS 集成芯片，徐桂芝等^[6]设计的EIT 采用了此种方法 ；二是采用 FPGA 设计精度较高的 DDS 正弦信号 ^[7] 。

由于电压的方便测量，EIT 系统一般都采取施加电流激励源，测量电压信号。从幅度来看，考虑人体的安全性，电流值应该小于 5mA。从频率来看，考虑到温度对人体组织的影响，在低频下组织的电导率对温度的依赖性较强^[8]，因此测量频率不能太低，根据生物组织的特性，一般取其频率在 10kHz-1MHz。

在 EIT 研究初期，采用单一频率的信号源，在动态成像时，为了消除组织阻抗系数的动态变化效应，第四军医大学的研究小组采用多频信号源^[9] 。静态三维成像大多采用多频信号源。

(2)驱动模块

EIT 激励的方式，目前主要有外加电流式（ACEIT）和感应电流式（ICEIT），感应电流式在电极化方面等具有一定的优势，但是 Tanguay 等^[10]在他们的实验中发现：在相同的成像条件下ACEIT 的效果要比 ICEIT 好，特别是在径向驱动的模式下。

电极阵列是驱动模块中的重要部分，电极的结构和性能直接影响测量结果和成像效果。电极是直接与人体皮肤接触的部分，电极上产生的接触阻抗、极化电压、噪声、伪差等因素被后续电路放大、传输、信号处理，从而影响图像重建。位于前端的电极是整个 EIT 系统最为敏感和关键的部分之一^[11]。因此在阻抗成像时，应该根据人体组织各个部分的不同要求选择合适的电极。

（3）其他模块

硬件系统其他模块包括测量、信号处理、显示等，在信号处理部分主要完成放大微弱信号、滤波、解调电路、采样电路、数字信号处理（DSP）等。这几个部分稳定，在此不再做描述。随着EIT 技术研究的深入，重建算法从动态算法到静态算法，重建图像从二维图像到三维图像。这就要求不断的更新硬件系统。目前医学应用的硬件系统可以分为单一电流源激励和多个电流源激励的系统。单一电流源系统的优点是采用四端测量模式，不会受接触阻抗的影响。但是其采用开关（多路复用器）进行循环测量，所以就带来了寄生电容等缺点，它灵活、易建立已经成功运用。而多源系统的优点是提高成像速度，而且消除寄生阻抗的影响，但是因为采用二端测量而受到接触阻抗的影响，有良好的前景 ^[12] 。目前的采用单一电源的 EIT 系统主要有Sheffield.Mk3.5^[13] 和 UCL Mk2.5 ^[14] 等，采用多源的 EIT 系统主要 Dartmouth^[15] 、Rensselaer ACT4 ^[16]等。

4．发展历程

EIT技术在近三十余年来快速发展，已经应用于如脑部、乳腺、胸腔等多个器官检测的基础研究。其中，具有代表性的研究小组及其主要研究成果如下[4]：

4.1国外研究：

（1）1987年，英国Sheffield大学Brown和Barber等建立了第一个完整的数据测量系统DMS Mark I System。1995年Smith等在Mafk I的基础上建立了第一个实时的供临床基础研究用的Mark系统，该系统用于人体胸腔得到了初步成像结果并已用于I隘床基础研究。Mark 3系统可用于对新生早产儿的呼吸监测。

(2)Rensselaer小组于1988年完成的第一个EIT系统称之为ACTl(Applied Current Tomography)，此系统数据采集速度相对较慢。之后设计了AcT3系统。该小组的多频64电极ACT 4系统则可用于乳腺癌的检测研究。

(3)UCL研究小组最先研制了UCLH Mark1a和lb系统，后者用于头部脑功能成像研究。之后McEwan等人研制的多频EIT系统UCLH Mk 2．5应用于急性脑卒中成像。

(4)DartmouthCollege研究小组致力于电阻抗频谱EIS(Electrical Impedallce

Spectroscopy)的乳腺检测技术。

包括俄罗斯、希腊、法国和韩国等国家的研究小组也在致力于EIT的研究，并相继研制出了自己的EIT系统。Wang等人经过对基于DSP的16电极EIT系统研究发现，该系统用于工业过程成像，可以进行二相流监测，其精度比医学EIT系统还要高。Gan等人研制的多频EIT系统，可以清晰地反映出肿瘤的影像。韩国的KHU Mark系统的可以同时进行采集和电压信号的解调，应用电流源和电压校准原理，系统的精度和成像效果得到大幅度改进。

4.2国内研究：

在国内，EIT技术的研究从20世纪90年开始，相对于国外的研究起步较晚，但是，在硬件系统、正问题求解与重构成像算法、临床基础应用等研究领域，已取得了较大的进展。从事EIT方面研究的有天津大学、第四军医大学、清华大学、重庆大学、上海大学和中国医学科学院生物医学工程研究所等研究机构，且越来越多地院所研究小组正在加入到EIT研究行列。近几年来，该技术又有了许多新的发展出现了以人体三维阻抗分布为成像目标的三维EIT技术、以外围线圈激励的感应EIT以及多频激励测量进行复阻抗成像的多频EIT等。

5．未来发展方向

EIT 技术产生至今，已经取得了很大的进展，EIT 在乳腺肿瘤检测，脑、腹部渗血监护和肺功能测量等方面进入临床应用。

但是 EIT 技术尚未成熟，从成像算法来看，由于逆问题的病态性，具有更高精度的静态成像尚未用于临床，二维阻抗成像还需要向三维发展，但是三维模型的建立（前向问题）和重建算法（逆向问题）还处于计算机仿真阶段，进入临床运用还需要时间[5]。从现状来看，我们可以做一下两个方面的工作来应对推动 EIT 的应用和发展：一是我们可以把等电位线反投影算法形成的动态成像技术运用到日常的监护中，它虽然不能精确描述人体内部特征，但是它有反映内部组织的生理变化的功能，有很高的临床价值，其硬件也实现较容易，可以作为 CT 和 MRI 的辅助方式；二是用CT 和 MRI 等解剖成像的结果运用到三维 EIT，Babaeizadeh 等人提到可以利用 CT 和 MRI 得到组织的几何学特点，进行较准确的建模，从而减少逆问题的未知数据和减少运算，得到精度高的三维图像。从硬件系统来说，电极是临床应用最关键的部分之一，电极性能、结构模式等方面还需进一步的研究和改善。

6．参考文献

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