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(guò)貼放在被測(cè)生物體表面的電極在生物體表面施加微小的激勵(lì)電流或電壓，在生物體組織內(nèi)部產(chǎn)生微弱的電場(chǎng)，利用在體表測(cè)得的電壓信號(hào)配合一定的成像算法以實(shí)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(jì)可循環(huán)使用，快速便捷易用等優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)外在電阻抗成像技術(shù)領(lǐng)域相對(duì)比較成熟，已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向了臨床研究。較著名研究團(tuán)隊(duì)有：Sheffield Group(英國(guó)），側(cè)重肺部成像；Oxford Group(英國(guó)）,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(cè)量和圖像重構(gòu)。

國(guó)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(shí)驗(yàn)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(guó)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(cè)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(guò)多路開(kāi)關(guān)向安裝在被測(cè)生物體組織表面的電極注入安全激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)通過(guò)測(cè)量目標(biāo)區(qū)域表面能夠反映阻抗信息的電壓信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)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(jìn)行信號(hào)恢復(fù)和數(shù)字化處理，最后計(jì)算機(jī)通過(guò)圖像重構(gòu)算法得到能夠反映被測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)生物體組織的電阻抗及其變化信息實(shí)現(xiàn)圖像重建與顯示功能[1]。

2 EIT系統(tǒng)激勵(lì)模式

外部電壓激勵(lì)，外部電流測(cè)量的電壓激勵(lì)模式、外部電流激勵(lì)，外部電壓測(cè)量的電流激勵(lì)模式是電阻抗成像技術(shù)最早采用的兩種激勵(lì)模式。由于生物體與貼放其表面的電極有電流通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸阻抗這種固有的物理特性，外部電壓激勵(lì)，外部電流測(cè)量的電壓激勵(lì)模式無(wú)法克服這種固有的物理特性對(duì)電阻抗成像檢測(cè)系統(tǒng)影響，另外生物體所能承受流經(jīng)的激勵(lì)電流是有安全邊際的，即流經(jīng)生物體的電流不能超過(guò)5mA,采用此模式時(shí)流經(jīng)被測(cè)生物體的激勵(lì)電流控制在5mA的安全范圍內(nèi)難度較大，臨床應(yīng)用時(shí)是不安全的。故電壓激勵(lì)模式在實(shí)際應(yīng)用時(shí)有局限性。目前電阻抗成像檢測(cè)系統(tǒng)多采用電流激勵(lì)模式。因?yàn)榇朔绞侥芎芎玫厝コ矬w與貼放于其表的電極產(chǎn)生的接觸阻抗這一物理特性對(duì)電阻抗成像檢測(cè)系統(tǒng)的影響，且重建生物體組織的電導(dǎo)率分布過(guò)程簡(jiǎn)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(duì)容易。繼上述兩種激勵(lì)模式之后，國(guó)外科研工作者開(kāi)始探索利用感應(yīng)電流激勵(lì)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(lì)模式，即在被測(cè)生物體組織的外圍環(huán)繞數(shù)個(gè)導(dǎo)體線圈，注入電流后導(dǎo)體線圈周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，生物體組織內(nèi)部由于磁場(chǎng)的激勵(lì)而產(chǎn)生感應(yīng)電流。測(cè)量生物體表面相臨電極的電壓差，并用此數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域電導(dǎo)率圖像重建[3]。所以感應(yīng)電流激勵(lì)模式與電壓和電流激勵(lì)模式在本質(zhì)上有區(qū)別，是一種不完全接觸式激勵(lì)模式。優(yōu)點(diǎn)是其電極僅測(cè)量輸出電壓，不用于電流驅(qū)動(dòng)，在優(yōu)化電極設(shè)計(jì)，提高信噪比上有很大優(yōu)勢(shì)[4]。缺點(diǎn)是測(cè)量導(dǎo)線受到磁場(chǎng)干擾而影響測(cè)量數(shù)據(jù)精度，但可通過(guò)調(diào)整激勵(lì)導(dǎo)體線圈和測(cè)量導(dǎo)線位置去減小影響。

3 EIT系統(tǒng)測(cè)量方式

EIT系統(tǒng)中測(cè)量時(shí)電極對(duì)施加電流與電極對(duì)進(jìn)行電壓測(cè)量的方式稱為激勵(lì)測(cè)量方式，激勵(lì)方式按激勵(lì)信號(hào)輸入電極的相對(duì)位置可分為相領(lǐng)激勵(lì)方式、相間激勵(lì)方式、相對(duì)激勵(lì)方式[5]。如下圖2所示以16電極為例分述測(cè)量方式相領(lǐng)激勵(lì)測(cè)量方式（如圖2a）：第一步，選擇電極1和2作為施加激勵(lì)的電極對(duì)向被測(cè)生物體區(qū)域內(nèi)組織施加確保生物體安全的激勵(lì)電流或電壓，測(cè)量剩余13個(gè)電極對(duì)兩兩電極間13組電壓數(shù)據(jù)。第二步，施加激勵(lì)的電極對(duì)按順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)到2和3，施加確保生物體安全的激勵(lì)電流或電壓，測(cè)量除施加激勵(lì)電流的電極對(duì)外剩余13個(gè)電極對(duì)兩兩電極間13組電壓數(shù)據(jù)。以此推算，完成一次測(cè)量能夠獲取208個(gè)電壓數(shù)據(jù)，其中獨(dú)立數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是104個(gè)。

圖2 激勵(lì)測(cè)量方式

相對(duì)激勵(lì)測(cè)量方式(如圖2b)：選擇施加激勵(lì)電流的電極對(duì)相差180°。第一步，選擇電極1和9作為施加激勵(lì)的電極對(duì)施加確保被測(cè)生物體安全的激勵(lì)電流或電壓，測(cè)量剩余12個(gè)電極對(duì)兩兩電極間12組電壓數(shù)據(jù)。第二步，激勵(lì)電極對(duì)按順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)到2和10，施加激勵(lì)電流，測(cè)量除施加激勵(lì)電流的電極對(duì)以外的剩余12個(gè)電極對(duì)兩兩間12組電壓數(shù)據(jù)。以此推算，完成一次測(cè)量能夠獲取192個(gè)電壓數(shù)據(jù)，其中相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)只有一半。

相間激勵(lì)測(cè)量方式（如圖2c)選擇施加激勵(lì)電流的電極對(duì)測(cè)量剩余其它電極對(duì)兩兩間電壓數(shù)據(jù)的方法與相對(duì)激勵(lì)測(cè)量方式相同，不同的是相對(duì)激勵(lì)測(cè)量方式選擇施加激勵(lì)電流的電極對(duì)在空間分布上是相對(duì)的（相差180°），而相間激勵(lì)測(cè)量方式選擇施加激勵(lì)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(duì)比，相領(lǐng)激勵(lì)測(cè)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(dú)立的被測(cè)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(diǎn)是對(duì)電極施加的激勵(lì)電流在被測(cè)生物體組織上分布不均勻，被測(cè)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(duì)激勵(lì)測(cè)量方式優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電極施加的激勵(lì)電流能更好的流經(jīng)被測(cè)生物體組織中間位置，被測(cè)生物體組織中間比邊緣成像效果好。缺點(diǎn)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(cè)量數(shù)據(jù)較少。

相間激勵(lì)測(cè)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(wú)結(jié)論。但是研究表明，不同的激勵(lì)方式使用對(duì)象不同，對(duì)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量有影響，例如對(duì)肺部與腦部電阻抗成像做對(duì)比，相臨激勵(lì)方式更適合肺部成像，相間或相對(duì)激勵(lì)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(wèn)題，即已知邊界電壓求得被測(cè)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(cè)量系統(tǒng)獲得邊界電壓測(cè)量值，并將測(cè)量值與計(jì)算值經(jīng)過(guò)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(dòng)態(tài)式和靜態(tài)式成像兩種方式。

動(dòng)態(tài)成像是利用采集到的被測(cè)生物體組織區(qū)域內(nèi)當(dāng)前時(shí)刻的電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)與前一時(shí)刻采集到電導(dǎo)率數(shù)據(jù)相減差值來(lái)重建出一幅生物體組織兩個(gè)時(shí)刻電導(dǎo)率差值分布，從而重建出一幅差分圖像。動(dòng)態(tài)電阻抗成像是利用采集到的當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻數(shù)據(jù)相減差值進(jìn)行成像，這樣電阻抗成像檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾信號(hào)和噪聲信號(hào)以及數(shù)據(jù)測(cè)量誤差在相減時(shí)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(shí)被測(cè)生物體組織的前一時(shí)刻數(shù)據(jù)無(wú)法獲取，或獲取到的當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)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(dòng)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(cè)生物體組織內(nèi)某時(shí)刻電導(dǎo)率的絕對(duì)值來(lái)重建出被測(cè)生物體組織該時(shí)刻電導(dǎo)率分布，從而重構(gòu)出一幅絕對(duì)值圖像。故靜態(tài)成像重建的圖像是以被測(cè)生物體組織電導(dǎo)率的絕對(duì)值為成像對(duì)象。靜態(tài)成像在反問(wèn)題的重建過(guò)程中存在嚴(yán)重不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性存在造成圖像重建算法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)中的噪聲以及計(jì)算中的舍入誤差特別敏感，因而有必要改進(jìn)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(jìn)型[8]。

動(dòng)態(tài)成像和靜態(tài)成像技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比如下:

（1）成像目標(biāo)不同。動(dòng)態(tài)電阻抗成像技術(shù)是對(duì)被測(cè)生物體組織前后時(shí)刻電導(dǎo)率變化成像，靜態(tài)成像是對(duì)被測(cè)生物體組織當(dāng)前時(shí)刻電導(dǎo)率的絕對(duì)值成像。

（2）成像算法不同。動(dòng)態(tài)電阻抗成像僅需當(dāng)前時(shí)刻相對(duì)前一時(shí)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(duì)簡(jiǎn)單線性求解即可，大大縮短了求解過(guò)程所用時(shí)間，能對(duì)被測(cè)生物體組織即時(shí)成像。

靜態(tài)電阻抗成像技術(shù)反映被測(cè)生物體組織當(dāng)前時(shí)刻電導(dǎo)率絕對(duì)值，所需獲取信息數(shù)量較多，求解過(guò)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(shí)較長(zhǎng)，不能對(duì)被測(cè)生物體組織即時(shí)成像。

（3）成像質(zhì)量不同。動(dòng)態(tài)成像對(duì)被測(cè)生物體組織形態(tài)和測(cè)量電極安放沒(méi)有特殊要求，從而減少由于數(shù)據(jù)采集誤差對(duì)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(duì)被測(cè)生物體組織形態(tài)、測(cè)量電極安放、數(shù)據(jù)采集誤差和干擾信號(hào)以及噪聲信號(hào)、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(cè)系統(tǒng)要求不同。動(dòng)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(méi)有太大差別，但要求不同。動(dòng)態(tài)成像是利用當(dāng)前時(shí)刻相對(duì)前一時(shí)刻電導(dǎo)率數(shù)據(jù)之差成像，對(duì)信息獲取系統(tǒng)要求沒(méi)有靜態(tài)成像那樣高。靜態(tài)成像是對(duì)當(dāng)前時(shí)刻電導(dǎo)率絕對(duì)值成像，對(duì)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(cè)生物體所有部位都適合靜態(tài)成像，但動(dòng)態(tài)成像僅適合被測(cè)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(cè)生物體組織區(qū)域內(nèi)部電導(dǎo)率分布作為成像目標(biāo)，通過(guò)貼放于被測(cè)生物體表面若干數(shù)量的電極選用相應(yīng)的激勵(lì)測(cè)量方式向被測(cè)生物體組織施加激勵(lì)電壓或電流測(cè)量獲取被測(cè)生物體組織內(nèi)部數(shù)據(jù)信息，最后計(jì)算機(jī)通過(guò)成像算法得到能夠反映被測(cè)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(lì)測(cè)量方式，較高被測(cè)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(dú)立的信息分布獲取系統(tǒng)對(duì)電阻抗成像系統(tǒng)非常重要。反過(guò)來(lái)，成像重構(gòu)算法對(duì)電阻抗成像信息獲取系統(tǒng)具有制約，不同的算法對(duì)信息獲取系統(tǒng)有不同的要求且對(duì)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(cè)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(hào)和噪聲信號(hào)影響實(shí)現(xiàn)即時(shí)成像的電阻抗成像系統(tǒng)是當(dāng)前科研努力的方向，相信在國(guó)內(nèi)廣大科研工作者的努力下，電阻抗成像技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室到臨床應(yīng)用不會(huì)遙遠(yuǎn)。