郭大龍，尤富生，代 萌，史學濤，付 峰，楊 濱，徐燦華，董秀珍

適用于腦卒中篩查的電阻抗成像電極的比較研究

郭大龍，尤富生，代 萌，史學濤，付 峰，楊 濱，徐燦華，董秀珍

目的：針對新型的電阻抗斷層成像技術（electrical impedance tomography，EIT）應用于腦卒中篩查時沒有合適的腦部阻抗檢測電極的難題，比較當前常用的3種腦電電極——杯狀電極、管式電極和橋式電極，研究它們在EIT篩查腦卒中的可用性。方法：分別使用2電極法和16電極法對6名不同被試者的前臂和頭部進行阻抗測量，從接觸阻抗、一致性、信噪比、配置時間4個方面對電極性能進行評估。結(jié)果：橋式電極的綜合性能較好，它具有最低的接觸阻抗（（330±6）Ω）、最好的一致性（0.97±0.02）、最高的信噪比（（63±1）dB）和最短的配置時間（（411±37）s）。結(jié)論：進一步優(yōu)化電極并建立電極外圍支撐系統(tǒng)后，橋式電極有望被廣泛用于腦卒中的EIT篩查技術中。

電阻抗斷層成像；電極；腦卒中；篩查

0 引言

腦卒中是一種腦血液循環(huán)障礙性疾病，是近年國內(nèi)發(fā)病率和死亡率均進入前三位[1]的一種嚴重疾病，早篩查、早發(fā)現(xiàn)是減少發(fā)病率、降低死亡率的關鍵[2]。

在腦卒中的檢測方面，以CT、MRI為代表的成像技術起到了積極而關鍵的作用。但由于這些設備體積龐大、造價高昂、操作復雜，大多只能在患者體檢或住院時才能檢查，難以及早發(fā)現(xiàn)病情，更難以實現(xiàn)大范圍的快速篩查。

電阻抗斷層成像技術（electrical impedance tomography，EIT）是一種通過體表激勵、體表無創(chuàng)測量的方式來估算體內(nèi)電阻抗分布或變化特性的成像技術。相對現(xiàn)有的成像技術而言，EIT具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、設備便攜、成像速度快、系統(tǒng)造價低和無創(chuàng)檢測等優(yōu)點。最新研究證明，多頻EIT（multi-frequency EIT，MFEIT）的成像精度能夠滿足腦卒中檢測的需求，并能區(qū)分出血型和缺血型腦卒中，從而為醫(yī)生的診治提供有價值的參考[3]。

盡管EIT技術在腦卒中的快速篩查領域展現(xiàn)了良好的應用前景，但還存在一些問題尚待研究解決，較為突出的一點就是阻抗測量電極的問題。電極系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其性能對EIT前端信息的有效提取和圖像分辨率都有較大的影響。因此，電極是整個EIT系統(tǒng)非常敏感和關鍵的部分之一，也是使用EIT技術進行腦卒中篩查必須解決的問題[4]。在使用EIT進行腦部監(jiān)護時要先將被試者的頭發(fā)去除，再對電極下的皮膚進行一定的摩擦處理。但在篩查腦卒中時不便于將被試者的頭發(fā)剃除，且要在較短時間內(nèi)得到穩(wěn)定的信號，這就需要一種能深入頭發(fā)內(nèi)部且放置速度快的電極?？紤]到腦電檢測與腦部EIT檢測均是從頭皮經(jīng)電極提取信號，本文擬根據(jù)腦EIT電極的特點，通過對比研究現(xiàn)有成熟的腦電電極的綜合性能，為腦EIT電極系統(tǒng)的構(gòu)建奠定基礎。

目前，臨床上的腦電電極根據(jù)是否使用導電介質(zhì)可分為濕電極和干電極。

干電極不使用導電膏，可直接進行生物電勢的

測量，以微針電極[5]和碳納米管電極[6]最具代表性。但本小組對目前的微針電極進行測試時發(fā)現(xiàn)，其阻抗信號會隨著時間大幅下降，并且皮膚因微針刺激會出現(xiàn)紅腫，而碳納米管電極較高的價格也限制了它的應用。而且目前的干電極都普遍存在一定的缺陷，即信號精度低、生物相容性和穩(wěn)定性較差、受毛發(fā)和體動的干擾大[7]、與皮膚的接觸阻抗高[6]等問題。因此，對于腦EIT，應用干電極目前難度較大。

從腦EIT的技術應用特點來看，傳統(tǒng)的腦電濕電極技術較為成熟。濕電極使用導電膏等導電介質(zhì)用以降低電極和皮膚的接觸阻抗，在腦電測量中已廣泛應用，具有信號質(zhì)量較好、可重復使用、價格低廉的優(yōu)勢。雖然有報道稱，使用濕電極長時間檢測以后，信號質(zhì)量會有所降低，而且導電膏的使用妨礙了大密度的電極陣列的應用[8]。但腦EIT篩查病情時，所用電極無需長時間檢測，也不用大密度的電極陣列，更為重要的是，隨著導電膏技術的發(fā)展，濕電極更加易用和安全[9]。

因此，本文采用在臨床上常用的杯狀、管式和橋式3種濕電極進行比較研究。

1 材料和方法

1.1 實驗電極

選取臨床上常用的3種濕電極，它們均能在不剃發(fā)的前提下深入到頭發(fā)內(nèi)部進行測量，且在測量中都能得到穩(wěn)定的腦電信號，電極外形如圖1所示。其中，從左到右依次為杯狀電極（A）、管式電極（B）、橋式電極（C）。

圖1 被測電極

杯狀電極（西安宏星公司）是目前在臨床腦電檢測中最常使用的一種電極，優(yōu)點是價格低廉、性能穩(wěn)定，不足是需要對每個電極分別進行粘貼、不易固定。

管式電極（格林泰克公司）為Ag/AgCl粉末固體電極，適合弱信號、低頻范圍的精密測量，用于誘發(fā)電位和事件相關電位的腦電測量，使用時只需佩戴合適的電極帽，并為每個電極注入導電膏即可。

橋式電極（康泰醫(yī)學公司）廣泛用于腦電檢測，它的前端附有吸水層，可以吸收導電膏和鹽溶液，進而起到降低接觸阻抗的作用。其獨特的橋式構(gòu)造能夠使其伸入到濃密的頭發(fā)中，使其電極前端緊密地與頭皮長期良好的接觸。

1.2 導電膏的選擇

在使用濕電極時，導電膏和皮膚形成了導電膏-皮膚層，用以降低接觸阻抗和提高信噪比[10]。適宜的導電膏能大幅降低接觸阻抗，并能使?jié)耠姌O的性能更加穩(wěn)定。若導電膏選擇不當，不僅會造成信號質(zhì)量降低，還可能引起皮膚的過敏反應。同時，頭發(fā)的存在阻礙了導電膏與頭皮的充分接觸，且使導電膏中的水分更快地蒸發(fā)[11]，這就要求導電膏既流動性好，又不易揮發(fā)。在前期的試用中發(fā)現(xiàn)，格林泰克GT 10導電膏能滿足實驗要求，因此，使用該導電膏。

1.3 性能指標

對于電阻抗斷層成像用電極，目前為止國際上還沒有一套公認的評價指標。為全面準確地評價電極性能，依據(jù)文獻報道并結(jié)合腦卒中篩查的實際應用，采用接觸阻抗、一致性、信噪比、易用性4個指標對每種電極的性能進行評估。

（1）接觸阻抗。過大的接觸阻抗會引起系統(tǒng)誤差。在EIT成像系統(tǒng)中，接觸阻抗每改變100 Ω便會產(chǎn)生3%的系統(tǒng)誤差[12]，這就要求接觸阻抗要足夠小，并且在測量期間要足夠穩(wěn)定。然而，接觸阻抗的信息通常難以直接測量到，本實驗采用2電極法測量前臂阻抗信息從而間接反映接觸阻抗的大小[5]。如圖2所示，2個電極的中心間距固定為5 cm。

圖2 左前臂的2電極法測量

（2）一致性。目前，利用EIT技術對腦部阻抗進行成像需要16個電極均勻地環(huán)繞頭部一圈，16個電極性能之間的差異將直接影響到阻抗測量的準確性及圖像的質(zhì)量[13]。所以，本研究使用相關文獻的方法[9]，利用計算得出的相關系數(shù)的大小，對每套電極系統(tǒng)的一致性進行評價。

（3）信噪比。信噪比是指信號與噪聲的比例，它對成像質(zhì)量有著直接的影響，過大的信噪比會使圖像出現(xiàn)偽影，降低成像精度[13]。本研究計算每一種電極的12種激勵角度下的平均信噪比，然后進行平均處理得到電極系統(tǒng)的總體信噪比[9]，再進行對比研究。

（4）配置時間。腦卒中篩查需要檢測設備方便快捷，能在較短時間內(nèi)完成電極的準備及頭部電極的放置。因此，本實驗記錄從開始準備電極到采集到穩(wěn)

定信號的時間為電極配置時間。

1.4 被試對象

實驗選擇了6名成年人，其中3名男性，3名女性（年齡為（24.5±4.6）歲，體質(zhì)量為（62.1±8.7）kg）。長發(fā)受試者因為導電膏中的水分蒸發(fā)較快導致接觸阻抗上升較快，短發(fā)受試者則相反[11]。因此，選擇的3名男性頭發(fā)長度均不同，分為短發(fā)（1 cm）、較長發(fā)（5 cm）和長發(fā)（10 cm），女性志愿者也分為短發(fā)（15 cm）、較長發(fā)（20 cm）和長發(fā)（30 cm）。另外，頭發(fā)中的水分和污物也會對實驗造成影響，因此，實驗前對每名受試者洗發(fā)并吹干，休息3 h后再進行實驗。

實驗環(huán)境溫度控制在（25±1）℃，濕度（55±5）%。受試者保持坐立姿勢并盡可能進入平靜休養(yǎng)狀態(tài)以保持大腦功能處在平穩(wěn)狀態(tài)，如果被試者違反了上述規(guī)定則中止實驗重新開始。上述實驗經(jīng)第四軍醫(yī)大學倫理委員會批準，并且所有的受試者簽署了知情同意書。

1.5 測量設備

選用精密阻抗分析儀（Agilent 4294，Palo Alto，USA）進行2電極法的阻抗測量，其工作頻率為40 Hz～110 MHz，阻抗測量范圍為3～500 MΩ，測量精度為±0.08%。

利用本課題組所研制的腦部EIT系統(tǒng)（如圖3所示）進行16電極測量，測量精度為±0.01%，工作頻率為40 Hz~110 MHz，采用對向驅(qū)動鄰位測量模式。驅(qū)動電流幅值為1 250 μA，頻率為50 kHz，采集的速率是1幀/s，共采集1 000幀數(shù)據(jù)。

圖3 腦部EIT阻抗測量系統(tǒng)

2 實驗結(jié)果

以上所有實驗均按既定計劃進行，實驗進行過程中所有志愿者均未出現(xiàn)不良反應，實驗條件控制良好。

2.1 接觸阻抗

如圖4所示，阻抗值隨測量頻率的增加而減小。電極A和電極C的電阻抗較低，而電極B的電阻抗則一直相對較高。在低頻范圍（40~300 Hz），電極C的測量值比電極A低。在中頻范圍（300 Hz~10 kHz），則顯示電極 C的測量值比電極 A高，在高頻段（10 kHz~110 MHz）又恢復到電極C的測量值最低的情況。進一步分析發(fā)現(xiàn)，在50 kHz時，電極C的阻抗均值和標準差最小。50 kHz時的阻抗值顯示，此時電極C的阻抗值最低。

圖4 電極在頻率40 Hz～110 MHz內(nèi)利用2電極法測量的阻抗值

2.2 一致性

對于一致性而言，每種電極系統(tǒng)的16個電極之間的相關性系數(shù)如圖5所示。結(jié)果表明，電極C具有最大的均值和最小的標準差，反映出其一致性最優(yōu)。而電極A、B具有相對較小的均值和較大的標準差，顯示出較低的一致性。

圖5 每種電極系統(tǒng)的相關系數(shù)

2.3 信噪比

圖6是信噪比均值和方差的直方圖，表明電極A具有最小的信噪比均值和最大的方差，電極C則具有相對較高的信噪比。

圖6 每種電極的信噪比均值和方差

2.4 配置時間

實驗表明，在同樣使用電極帶的情況下，電極A的配置時間較長，電極C的配置時間最短。

實驗結(jié)果見表1，表明電極C與另外2種類型的電極相比具有較優(yōu)的性能，即較低的接觸阻抗、較高的信噪比以及較好的易用性。

表1 3種電極的總體性能比較

3 討論

本文根據(jù)EIT技術在腦卒中篩查時對電極的需求，對3種濕電極進行了比較研究。研究結(jié)果表明，橋式電極具有相對最優(yōu)的綜合性能，即較低的接觸阻抗、良好的一致性、較高的信噪比和相對最少的配置時間。橋式電極的接觸阻抗較低與其結(jié)構(gòu)有關。前端采用多孔洞的彈性海綿制成，與人體皮膚接觸后會產(chǎn)生許多微小的腔體，而杯狀電極和管式電極均采用單腔體結(jié)構(gòu)，多腔體結(jié)構(gòu)在降低接觸阻抗方面。更具有優(yōu)勢[14]。

此外，腦EIT電極支撐系統(tǒng)的設計不當會導致一定的系統(tǒng)誤差，在本試驗中為保證電極位置的準確，均采用電極帶的形式進行支撐。16個電極放置在電極帶對應的16等分點上，每次實驗均固定在頭部的相同位置，在很大程度上降低了因電極位置不同所導致的系統(tǒng)誤差。

總之，在進一步優(yōu)化設計電極以及其外圍支撐系統(tǒng)后，橋式電極有望被廣泛用于面向腦卒中的EIT技術之中，為腦卒中的篩查提供可靠的支持。

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（收稿：2013-05-13 修回：2013-10-15）

Comparative Study of Bio-electrodes Applied to Stroke Screening in Brain Electrical Impedance Tomography

GUO Da-long,YOU Fu-sheng,DAI Meng,SHI Xue-tao,FU Feng,YANG Bin,XU Can-hua,DONG Xiu-zhen
(School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)

Objective To compare the performances of three bio-electrodesofcup electrode,tube electrode and bridge electrodein brain electrical impedance tomography(EIT)in order toobtain the suitable one for stroke screening.Methods Measurementsof2-electrode and 16-electrode were used tomeasure the impedances of the forearms and brains of six different subjects．Theperformance of each electrode system was assessed from the aspects of contact impedance,uniformity,signal-to-noise ratio(SNR)and setup time.Results Bridgeelectrodebehaved thebestin the threeones,with the contactimpedanceof(330±6)Ω,theuniformity of(0.97±0.02),the SNR of(63±1)dB and the setup time of(411±37)s.Conclusion Bridge electrodemay be appliedwidely to EIT screening ofstroke based on further optimization and supportsystem.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（3）：19-22]

EIT;electrode system;stroke;screening

R318

A

1003-8868（2014）03-0019-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.03.019

國家科技支撐項目（2011BAI08B09，2012BAI20B00）

郭大龍（1987—），男，碩士研究生，研究方向為電阻抗斷層成像技術的臨床應用，E-mail：woshiguodalong@163.com。

710032西安，第四軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程學院（郭大龍，尤富生，代 萌，史學濤，付 峰，楊 濱，徐燦華，董秀珍）

董秀珍，E-mail：dongxiuzhen@fmmu.edu.cn