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1、3.2 电阻抗成像技术(EIT),电阻抗成像技术是一种近年发展起来的新兴成像技术，它在医疗诊断、地球物理探测、管道工业等方面都有着广泛的运用前景，特别是在医疗诊断领域，由于该技术有着传统医疗成像技术（如X断层成像、核磁共振成像、超声波成像）所不具备的鲜明特点，而成为各国科学工作者研究的热点领域。 电阻抗（断层）成像英文简称：EIT，全称：Electrical Impedance Tomography,前言,3.2 电阻抗成像技术(EIT),电阻抗成像技术（EIT）或电阻抗CT（ECT）技术是通过给人体注入小的安全电流（一般不超过5mA），测量体表电位，并由此计算人体表面转移阻抗，以重构出人体内
2、部的特性参数（可以是电阻/导率、电容率或是介电系数，本节针对电阻率参数展开讨论）分布的断层图像。 利用EIT技术可以显示人体内部组织的阻抗分布图像、组织随频率变化的图像、以及人体器官完成生理活动时（如呼吸、心脏搏动）的阻抗变化图像，虽然目前研究中的EIT技术成像的分辨率还不能与成熟的传统CT技术相比，但就其发展前景来看，EIT技术不失为一种新兴的、极有前途的CT技术。,前言,3.2 电阻抗成像技术(EIT),发展历程,1978年Webster等人利用一个大的接受电极和100个与之对应的小的激励电极来重构成了一幅类似X片的透射阻抗图像。 1979年，Pething对生物阻抗和频率的关系进行了研究
3、。 1984年英国Sheffield大学的Barber和Brown等学者设计了一种外加电势层析层析系统,对16个电极阵列进行激励和检测，并对测量结果进行反投影，得到电阻抗相对变化的分布图像。虽然其成像分辨率尚差，但已能反映促组织结构的分布形态。从此EIT便吸引了一大批科技工作者投身其中，经过二十多年的发展，目前EIT技术已得到较大提高。,1993年，Robert等人提出了基于上述系统的一种实时APT系统，并采用加权反投影技术，每秒可产生25幅图像，从而实现了连续动态成像。 1994年，Peter等人也报告了一种利用32的电极施加激励、测量电压，使用牛顿单步误差算法（NOSER）来重构图像，每秒
4、可产生18幅反映电导率绝对值分布的图像。 1995年西安交通大学生物工程研究所曾利用生物阻抗变化的变形图来分析呼吸状况，但并没有生成地层阻抗图像；,1991年清华大学黄平等提出了基于低频灵敏度系数的迭代重构算法，同年，第四军医大学董秀珍、付峰等对修正的Newton-Raphson算法进行了仿真计算研究，后来还报告制作了基于相应物理某些的EIT硬件系统，推动了国内EIT技术的发展 另外，重庆大学的周守昌、何为等提出了基于场域分割、节点延拓、修正拟牛顿算法等新的思路，对EIT技术的发展作出了贡献。,3.2 电阻抗成像技术(EIT),EIT的优点,EIT技术的设备简单。EIT系统硬件主要由计算机和注
5、入、测量电极构成。与传统CT技术的硬件设备相比体积更小、维护更易、价格更低，甚至可以作成便携式设备，因此更易于被医疗单位和病人接受。 EIT技术对人体是非侵入、无损伤的。因由于EIT技术是利用低频电流场实现成像，而产生电流场的激励电流很小，经医学证明对人体是无害的，所以可以实现对人体的长时间连续动态监护。这在传统CT技术所难以实现的。 EIT技术是一种功能性成像技术。EIT体现不仅能反映人体内各器官的几何形状，还能提供反映人体生理、病理活动和健康状况的生物医学信息。,3.2 电阻抗成像技术(EIT),EIT的关键问题,数据采集与处理问题是EIT技术的重要组成部分。,数据采集：电流注入法 处理问
6、题：图像重建算法 动态式成像算法 静态式成像算法,动态式成像算法利用两个不同时刻的测量数据，通过图像重建算法来获得这两个时刻电阻抗分布的差值，从而重构出一幅差分图像，是EIT技术图像重建算法中发展较早的一类。动态式成像主要是反投影型算法，其优点是许多测量数据中的噪声可以在相减时得到消除，因而它的图像重建算法对数据采集系统的要求不是太高，实现起来容易，另外它的计算量较小，缺点是应用范围窄，如果在数据采集的两个时刻电阻抗分布没有变化，则它不能成像。,静态式成像重建算法的发展则相对较晚一些，但由于其应用的广泛性及相对较好的成像效果，受到普遍重视，已成为EIT成像重建算法研究的主流。 现在流行的算法主
7、要是Newton Raphson类算法、扰动算法、拟牛顿类算法，以及一些特殊的算法，也得到发展。静态式成像的缺点：计算量大，抗噪声性能较差。如何解决这个问题，已成为EIT技术研究的重点和难点。,3.2 电阻抗成像技术(EIT),EIT的应用,1. 消化道疾病诊断中的应用 2. 肺换气及肺部病理检查中的应用 3. 在心血管功能及其疾病检查中的应用 4. 在肿瘤早期诊断和治疗方面的应用 5. 在脑科学研究和大脑疾病诊断的应用 6. 其它方面的应用,3.2 电阻抗成像技术(EIT),EIT的应用,1. 消化道疾病诊断中的应用,EIT可以用来研究出现呕吐的生理过程 ;胃部阻抗不仅与胃的大小有关，同时也
8、与胃中食物的成分有关，胃酸对胃的阻抗影响非常大。在国外，EIT已经被建议用来测量胃肠的运动、胃的运送能力和食道活动的情况。,3.2 电阻抗成像技术(EIT),EIT的应用,2. 肺换气及肺部病理检查中的应用,由于肺部组织膨胀和收缩时阻抗对比大，以及胸腔大部分都被肺占据，EIT成像可以用于监测肺换气情况。研究表明，肺吸入空气量同阻抗变化有紧密联系；通过在动物(猪)和人体的实验结果表明，不论在自然呼吸状态还是在人工控制的被动呼吸状态，肺内的空气量同局部胸部阻抗有很好的线性关系，胸部功能阻抗分布图还可以提供胸部典型的解剖特征，从而表明EIT可用来监测呼吸功能。 通过EIT成像来检查和定位肺部的某些疾
9、病，例如肺气肿、肺癌、慢性支气管炎、液胸、气胸等，进而取代有放射危害的X-射线检查。,3.2 电阻抗成像技术(EIT),EIT的应用,3. 在心血管功能及其疾病检查中的应用,在心动周期中，胸部的阻抗将发生周期性变化，这主要是由于血液在心房、心室、主动脉、肺部等部位的流动变化所引起的，这种变化同肺通气过程中的阻抗变化相比要小一些。在实际的数据采集系统中，为区分心动周期的阻抗变化信息和肺通气阻抗变化信息，用心动周期信号作为同步信号。,3.2 电阻抗成像技术(EIT),EIT的应用,4. 在肿瘤早期诊断和治疗方面的应用,肿瘤组织和正常组织间阻抗差异很大。肿瘤组织较正常组织有更大的介电常数和更大的电导
10、率，脂肪组织、恶性肿瘤组织及纤维性水肿组织的阻抗图像都分别具有较好的一致性和对比度，从而使EIT可以可靠地分辨乳房是否发生癌变及癌变的位置。 肿瘤在治疗可以通过人工加热的方法来减小恶性肿瘤的尺寸，人工加热的温度要保持在43左右，这就需要用无创的方法精确监测温度，并让热源集中在肿瘤上，以免对周围组织造成损伤。由于身体的温度改变1时阻抗增加约2%，EIT成像可以通过监测组织阻抗的变化来监测温度。,3.2 电阻抗成像技术(EIT),EIT的应用,5. 在脑科学研究和大脑疾病诊断的应用,在脑科学研究和大脑疾病的临床诊疗过程中，脑功能的连续监测，特别是脑功能的二维图像连续监测，对于人类深入地认识大脑和临
11、床脑疾病患者的及时治疗都是十分重要的。EIT技术以其无损伤、低成本、连续监测的功能成像的特点，成为生物医学工程学的重要研究课题之一。由于脑功能的变化和大脑疾病的生理病理改变都伴随有生物电阻抗的变化，因此在脑科学研究和大脑疾病的诊疗过程中，EIT也具有潜在的应用价值。,3.2 电阻抗成像技术(EIT),EIT技术原理,电阻抗成像技术通过在被研究物体表面放置电极阵列并注入低频电流，根据注入的电流、电极上测量电位(或电压)、场域模型来重构电导率(或电阻率)的空间分布 。,电流注入、电压测量、电极配置示意图,3.2 电阻抗成像技术(EIT),EIT技术原理,电阻抗成像中的图像重建问题实质上是一低频电流
12、场计算的反问题。,电阻抗成像中的正问题就是在已知场域内电导率分布、电流注入位置、大小以及边界电位的条件下，计算场域内部的电位分布。 而其逆问题则是在仅知电流注入位置、大小以及边界电位的条件下，计算场域电导率的分布。,3.2 电阻抗成像技术(EIT),EIT数学模型和有限元模型,在电阻抗成像中，做如下假设： 施加的电流频率足够低(100kHz)，以至可以忽略位移电流； 被研究的物体可视为一离子导电体。 这样，在被研究物体内形成的电流场可以视为一个准静态场。,欧姆定律,电流连续性,泊松方程,类似于一电流源分布,正问题,3.2 电阻抗成像技术(EIT),EIT数学模型和有限元模型,从物体表面注入低频
13、恒定电流（100kHz），在场域内形成的电流场可以认为是一个准静态场，此电场区域内的电位分布函数与该场域的电导率分布函数满足拉普拉斯方程,其边界问题,逆问题,3.2 电阻抗成像技术(EIT),电阻抗成像中正问题的求解,求解正问题的常用数值计算方法有：有限差分法、有限元法、边界元法等。而一般都采用有限元法 。 在有限元方法中，需将连续场域剖分成有限个离散单元之和，如在二维场中，常用三角单元和四边形单元剖分，并假定每个单元上的电导率是常数。,3.2 电阻抗成像技术(EIT),正问题分析,当场域内部电导率的分布发生改变时，如目标区域增加、位置发生偏移等，它对场域边界电位的影响如何，边界电位的变化是否
14、有规律可循，边界电位的变化是否能够反映场域内部电导率分布的相关变化。因此从三个方面来考察电导率分布的变化对边界电位的影响，从而根据边界电位的变化来寻找电导率分布变化对边界电位影响的规律。,3.2 电阻抗成像技术(EIT),正问题分析,1、场域内某一区域电导率增加,场域边界电位分布,无法判断出场域内电导率的改变,场域边界电位相对变化分布,3.2 电阻抗成像技术(EIT),正问题分析,2、场域内电导率变化区域扩大,3.2 电阻抗成像技术(EIT),正问题分析,3、场域内不同区域电导率改变,结 论 场域内电导率的改变会使场域四周的边界电位发生显著变化，且电导率的变化对边界电位影响的规律非常明显，根据
15、边界电位的相对变化情况，可以直观地反映出场域内电导率的变化情况。这在电阻抗成像理论中，可以称为“一维电阻抗成像”技术。,3.2 电阻抗成像技术(EIT),正问题应用 -无创脑血肿、水肿动态监护仪,3.2 电阻抗成像技术(EIT),正问题应用 -无创脑血肿、水肿动态监护仪,(a) 样机 (b) 临床应用,3.2 电阻抗成像技术(EIT),正问题应用 -无创脑血肿、水肿动态监护仪,吕*惠(左侧) 韦*国(右侧) 两例脑梗塞患者记录直方图,3.2 电阻抗成像技术(EIT),逆问题分析,逆问题分析是通过给人体注入低频电流，测量体表的电位来重建人体内部的电阻率（或电导率）分布或其变化的图像。 根据成像目
16、标可分为动态电阻抗成像和静态电阻抗成像两种，动态电阻抗成像以电阻抗分布的变化量的相对值（差别）为成像目标，如灵敏度法、等位线反投影法，而静态电阻抗成像与此不同之处在于获得电阻抗分布的绝对值，如Newton-Raphson法。动态电阻抗成像和静态电阻抗成像在技术上各有优缺点。,电阻抗成像中的逆问题其目的就是根据测量的多组边界电压数据，以及其它一些约束条件来重建场域内电导率的分布。通常，独立测量的次数越多，就可以重建出更多场域离散单元的电导率，重建图像的分辨率也越高。然而，重建图像的空间分辨率不仅仅与独立测量数目有关，它还与测量的精度、噪声及电流注入方式、电压测量方式有关。,3.2 电阻抗成像技术(EIT),逆问题分析电流注入、电压测量方式,1、相邻法,对于16个电极的系统一共可以得到208个电压测量值。由于互易性，所有测量中有电流测量电极和电压测量电极互换而产生相同的测量值。因此只有104个相互独立的测量值。
