幾種磁場方式電阻抗成像技術的新進展

江玉柱，井賽

濟南軍區聯勤部藥品儀器檢驗所，山東濟南 250022

幾種磁場方式電阻抗成像技術的新進展

江玉柱，井賽

濟南軍區聯勤部藥品儀器檢驗所，山東濟南 250022

本文介紹了4種磁場方式的電阻抗成像技術，分別為磁感應電阻抗成像技術、磁感應磁聲成像技術、磁共振電阻抗成像技術、磁探測電阻抗成像技術，分析了每種技術的成像原理與研究進展，并指出電阻抗成像技術在臨床醫學方面具有廣闊的應用前景。

磁感應電阻抗成像；磁感應磁聲成像；磁共振電阻抗成像；磁探測電阻抗成像

0 前言

從Henderson等提出阻抗圖像的概念，到Brown等發表人體前臂的阻抗圖像后，電阻抗成像（Electrical Impendence Tomography，EIT）技術引起了生物醫學工程領域的極大關注[1-2]。EIT技術是基于人體組織的電特性而進行功能成像的一種新技術，即通過向人體施加安全電流或電壓并測量人體組織的電參數分布，再經某種特定的重建算法得到能夠反映人體某部位的電特性的功能圖像。EIT技術與CT成像、核磁共振成像、超聲成像相比具有無輻射、無損傷、價格低廉且能實現功能成像以及醫學圖像監護等優點[3-4]。然而，EIT技術還存在以下弊端：① 受電極個數與位置的限制，EIT技術只能測量人體表面的電壓或電流值，獲得的臨床有用信息量過少；② EIT是一種軟場成像方式，成像方式本身存在較大的病態性，即測量信息僅對測量電極附近的電導率變化較為敏感，因此邊界信息的微小變化會對內部電導率分布產生較大的影響；③ 由于EIT技術中的邊界電壓受電阻率變化等多個因素影響，因此EIT技術抗干擾能力低，而且得到的功能圖像分辨率低。基于以上種種弊端，有必要對傳統EIT技術的數據采集方式及功能圖像重構算法進行改進。

鑒于磁場檢測方式不受接觸電極的影響，近年來研究人員研究出了多種磁場方式的電阻抗成像技術，本文主要介紹近年來發展起來的4種磁場方式的電阻抗成像技術。

1 磁感應電阻抗成像（Magnetic Induction Impedance Tomography，MIT）技術

磁感應成像是利用磁場檢測裝置檢測由于場域內部電導率的改變引起的感應磁場的變化，然后根據某種重建算法得到場域內部的電導率分布。磁感應電阻抗成像是一種完全不接觸式電阻抗成像方式，能夠徹底消除電極的接觸阻抗對成像質量的影響。由于引入了磁場的緣故，MIT技術比傳統的EIT技術更具優勢：① 磁感應成像系統采用檢測線圈感應渦流信號，提高了抗干擾能力；② MIT技術采用的非接觸電極可以使被檢測的人的活動自由度大些，檢測頻率范圍是10000 Hz～20 MHz，更利于實現床邊的長時間實時監護，應用前景比較廣闊；③ MIT技術中交變的激勵磁場容易穿透顱骨，可反映顱腦內電導率的變化信息，對腦部檢測具有重要價值；④ 此技術對所成像區域的中央位置比較敏感，這對檢測人體深層組織有一定的臨床意義。但磁場檢測方式的引入，使得磁感應成像系統產生的渦流信號比較微弱，這就對檢測線圈的精度要求很高，限制了MIT技術的進一步發展。

自al-Zeibak S等[5]提出基于濾波反投影算法的人體結構成像的MIT技術系統以來，國外學者們就開始了對MIT技術的研究。Scharfetter H等[6]采用可調的雙線圈檢測系統在50 HZ的工作頻率下，檢測系統的信載比提高到10-5～10-7，這一改進使低空間分辨率情況下監測腦水腫成為可能。

在國內，第四軍醫大學最早對MIT技術進行研究[7]，采用二維有限單元法和改進的Newton-Raphson法分別求解MIT技術中的正逆問題，并在三層同心圓頭模型上進行了仿真實驗。重慶大學在MIT系統的硬件方面做了研究工作，并取得了一定的成果。中科院研究所采用三維有限元算法研究MIT技術的正問題，并通過實驗證明求得解的正確性。

2 磁感應磁聲成像（Magnetoacoustic Tomography with Magnetic Induction，MAT-MI）技術

磁感應磁聲成像技術是Xu Y等[8]在磁感應電阻抗成像的基礎上提出的一種新的電阻抗成像技術，它是磁感應電阻抗成像技術與超聲斷層掃描成像技術的有機融合。MATMI技術繼承了電阻抗成像技術的高對比度和超聲斷層掃描技術的高空間分辨率的優點[9-10]。該方法將人體置于靜態磁場中，施加脈沖激勵使人體產生渦流，渦流在靜態磁場的作用下產生洛倫茲力，從而使人體測量部位產生聲振動，通過對聲信號的采集重建人體測量部位的電導率分布。

在當前的磁感應磁聲成像聲源機制研究中，Xu Y等[8]分析了均勻靜態磁場和激勵磁場下，均勻電導率媒質球體中MAT-MI聲源的解析解，然后應用無界媒質聲波方程解析解計算MAT-MI聲場的空間分布，最后應用時間反演方法進行MAT-MI聲源重建。Ma Q等[11-12]應用均勻激勵磁場的二維對稱模型渦流計算公式，分析了基于均勻靜態磁場的二維對稱多層電導率模型的MAT-MI聲源計算公式，并采用聲場傳遞函數方法計算二維對稱多層電導率模型的空間聲場分布，同時進行了多層介質的MAT-MI聲源重建。這些MAT-MI技術的仿真研究以均勻分布的磁場和電導率、完整對稱的測量目標體為前提條件。浙江大學李珣[13]采用有限元分析方法模擬真實測量線圈產生的變化磁場，能夠定量分析非對稱型且電導率非均勻分布的測量目標體產生的聲場。他們還采用三維時間反演算法，對乳腺腫瘤模型進行磁感應磁聲電阻抗成像，驗證了MAT-MI可對乳腺腫瘤進行早期的篩查診斷。周廉等[14]在MAT-MI過程的逆問題中推導出一種新的算法，解決了奇異值帶來的困難，并且該算法還縮短了圖像重建時間。但是該算法的聲場重建基于聲波傳播速度恒定不變的假設，所以只適用于人體的軟組織部分成像。

3 磁共振電阻抗成像（Magnetic Resonance Electrical Impedance Tomography，MREIT）技術

磁共振電阻抗成像是利用磁共振設備測量得到成像場域內部的磁場數據，利用一定的重建方法得到電導率的分布。因此，磁共振電阻抗成像能夠降低傳統的電阻抗成像的病態性，提高電阻抗成像的分辨率。

MREIT技術將核磁共振成像與電阻抗通過合理的方式結合，通過磁共振的成像設備測量并重構人體內的電阻抗分布圖像。MREIT技術改變了電阻抗對邊界電壓變化不敏感的弊端，還可以為人體某個病變部位的定位提供大量信息，使獲得的人體組織的電阻抗分布圖像的分辨率顯著提高。

Toronto大學的Zhang N于1992年第一次提出此概念[15]，并給出了一種利用兩個信息分布（被測目標體內部電流密度信息分布和邊界電壓信息分布）來實現電阻抗重構的算法。英國、德國、加拿大等國家對MREIT技術的成像理論和算法及實驗技巧進行了研究，其中成像算法的研究較多。

雖然MREIT技術起步較晚且尚未真正應用到臨床醫學中。但是學者們的研究還是取得了值得肯定的研究成果。學者們研究的圖像重構算法基本可分兩類[16-17]：基于電流密度的MREIT技術圖像重構算法和基于磁場強度的MREIT技術圖像重構算法。前者是以被檢測目標體內的電流密度分布信息作為重構的主要信息，該算法源自歐姆定律，在理論上該算法的逆問題的穩定性好、反演精度高。但是此類算法需要被測目標體在磁共振檢測裝備中做三維旋轉才能得到被測目標體內部完整的電流密度分布信息。這一點在臨床應用中不可行。后者是以被檢測目標體內的磁場強度的部分數據對被檢測目標體內的電導率分布進行重構的算法。這就避免了前一種算法的弊端。但是后一種算法需要計算磁場分量的微分值，是現實不可行之處。

李剛等[18]研究了三維MREIT技術，提出了整體與分層重建方式對圖像進行重構。分層重構利用每一層磁場數據對本層的電導率進行重構，數據少、重建時間短。他們還通過對整體與分層重建兩種方式進行比較，提出了改進的分層重建方法，這使得分層重建的電導率分布圖像更能接近真實的電導率分布圖像。此方法解決了三維MREIT技術需要高硬件系統支持的問題。最后對真實人體模型的仿真實驗證明了該算法有一定的實際應用效果，對三維MREIT技術早日能夠應用到臨床醫學中起到了推動作用。韓國慶熙大學的研究小組在磁共振電阻抗成像研究中取得了較大的進展[19-20]，特別是提出了分辨率較高的諧函數法，實現了動物的四肢、腹部、骨盆、頸、胸和頭部的磁共振電阻抗成像，并將磁共振電阻抗成像技術推向了臨床應用中，初步實現了人體腿部的磁共振電阻抗成像。

4 磁探測電阻抗成像（Magnetic Detection Electrical Impedance Tomography，MDEIT）技術

磁探測電阻抗成像是利用磁場檢測裝置測量成像場域外部的磁場數據，根據一定的重建算法得到模型的電導率分布。因此，磁探測電阻抗成像是一種不完全接觸式成像方式，能夠降低電極的接觸阻抗對成像質量的影響。

MDEIT技術通過表面電極向人體某部位施加安全激勵電流，然后利用磁場傳感器探測人體某部位的磁場數據，再根據某種特定算法利用測得的磁場數據重構出人體組織的電阻抗分布的功能圖像。

Ahlfors等[21]首次提出通過貼在成像目標體上的電極，向成像目標體注入一定頻率的交變電流，然后用磁場傳感器測量注入電流在成像目標體外產生的磁場，根據表面磁場重構出電導率分布圖像的技術，并命名為Magnetic Impedance Tomography（MIT）。1999年，Tozer等[22]驗證了由磁場重建二維電流密度分布的可行性。為了將新技術與磁感應電阻抗成像區別開來，Ireland JC與前面等[23]在2004年又重新對此技術命名為Magnetic Detection Electrical Impedance Tomography（MDEIT）。

英國Sheffield大學的Rob H等[24]開展了對MDEIT的研究，他們建立了數據采集系統，研究出了圖像重建方法，并利用此技術拍攝出第一幅人體圖像，為MDEIT技術應用到臨床醫學中奠定了基礎。

在磁探測電阻抗成像的過程中，電阻抗分布圖像的重建過程非常復雜繁瑣，對臨床應用及實現床邊實時監護造成很大困擾。李剛等[25]在環形電極模式下成像并通過仿真實驗，縮短了圖像重建時間。此方法若應用到臨床中，還要解決一些實際問題，譬如為了避免鐵性材料電極對磁場測量信號的影響，可以采用碳電極等非金屬性電極。

林凌等[26]提出利用經絡的低阻抗性將MDEIT應用到經絡三維定位中，可以得到經絡的深層次信息。結合公認的經絡低阻抗特性，利用磁探測電阻抗成像方式有望實現經絡的三維定位。

5 4種磁場方式的電阻抗成像技術的優缺點

MIT技術是一種非接觸式的電阻抗成像技術，能夠消除電極對電阻抗成像質量的影響，而且利用磁場方式容易穿透顱骨組織，在理論上可以應用到腦部監護。但是渦流產生的磁場極小，測得有用的信息量少，這樣對接收線圈的靈敏度要求極高，電阻抗成像的分辨率難以提高，應用到臨床醫學上有點難度。

MAT-MI技術是將磁感應成像技術、電阻抗成像技術、超聲成像技術三者相融合的一種新型成像技術，繼承了電阻抗成像的高對比度和超聲技術的高分辨率的優點，可以看成是電阻抗成像的延伸和發展。首先，MAT-MI技術繼承了電阻抗成像技術無創、對比度高、探測深度大等優點，而且還具有超聲成像技術分辨率高的優點，彌補了電阻抗成像技術分辨率低的缺點。其次，MAT-MI技術采集的信號是聲信號，而不是電壓或磁場信號，所以受外界噪聲干擾的影響相對較小。此外，MAT-MI技術采用電磁感應的方式，是一種非接觸式測量方式，避免了電阻抗成像技術中電極的接觸面積對成像質量的影響，而且采用磁場方式也解決了電流難以穿過骨組織的問題。

MREIT技術能夠降低傳統的電阻抗成像的病態性，利用磁共振設備較高的測量精度能夠提高電阻抗成像的分辨率，但是使用的MR檢測設備價格昂貴，液氮費用高，不宜用作床邊實時監護。

與以上3種電阻抗成像技術相比，MDEIT技術具有更多優點，其成像系統簡便，價格便宜，適合臨床醫學的床邊實時監護，但是測量靈敏度方面需要繼續改善。

6 總結

電阻抗成像至今無法作為一種新型的醫學成像方式，其主要原因是：電阻抗成像的分辨率目前還達不到醫學對圖像分辨率的要求。基于此，需要從以下幾個方面進行改善：① 提高硬件測量系統的信噪比和測量精度，擴大信號測量的動態范圍；② 優化電流激勵模式和電壓測量模式；③ 提高電阻抗成像算法的魯棒性；④ 發展磁場成像方式和電場成像方式的融合技術。隨著對無輻射又廉價的成像系統和算法的不斷深入研究，這些新技術終究會被應用到臨床醫學中，為人類的健康保駕護航。

[1] BH Brown,DC Barber．Applied Potential Tomography-a new in-vivo medical imaging technique[C]．Proc．of the HPA Ann．Conf,1982．

[2] Pulletz S,van Genderingen HR,Schmitz G,et al．Comparison of different methods to define region of interest for evaluation of regional lung ventilation by EIT[J]．Institute Physics Publishing,2006,27(5):115-127．

[3] Pallás-Areny R,Webster JG．Bioelectric impedance measurements using synchronous sampling[J]．IEEE Trans Biomed Eng,1993,40(8):824-829．

[4] 宋穎,李靜,張仁知,等．乳腺可視化觸診成像系統鑒別診斷乳腺良惡性病變:與臨床觸診、X線及超聲對照[J]．中國醫學影像技術,2014,30(4):527-530．

[5] al-Zeibak S,Saunders NH．A feasibility study of in vivo electromagnetic imaging[J]．Phys Med Biol,1993,38(1):151-160．

[6] Scharfetter H,Ninaus W,Puswald B,et al．Inductively coupledwideband transceiver for bioimpedance spectroscopy(IBIS)[J]．Ann NY Acad Sci,1999,873:322-334．

[7] 王聰,董秀珍,劉銳崗,等．在簡單頭模型上的磁感應斷層成像仿真圖像重建[J]．系統仿真學報,2009,21(1):50-53．

[8] Xu Y,He B．Magnetoacoustic tomography with magnetic induction(MAT-MI)[J]．Phys Med Biol,2005,50(21):5175-5187．

[9] Li X,Xu Y,He B．Magnetoacoustic tomography with magnetic induction for imaging electrical impedance of biological tissue[J]．J Appl Phys,2006,99:066112．

[10] Li X,Xu Y,He B．Imaging electrical impedance from acoustic measurements by means of magnetoacoustic tomography with magnetic induction(MAT-MI)[J]．IEEE Trans Biomed Eng,2007,54(2):323-330．

[11] Ma Q,He B．Investigation on magnetoacoustic signal generation with magnetic induction and its application to electrical conductivity reconstruction[J]．Physics in Medicine and Biology,2007,52(16):5085-5099．

[12] Ma Q,He B．Magnetoacoustic tomography with magnetic induction:a rigorous theory[J]．IEEE Trans Biomed Eng,2008,55(2):813-816．

[13] 李珣．基于磁感應磁聲成像的生物電阻抗成像技術研究[D]．浙江:浙江大學,2009．

[14] 周廉,朱善安,賀斌．三維磁感應磁聲成像的新算法研究[J]．電子學報,2013,41(2):288-294．

[15] Zhang N．Electrical impedance tomography based on current density imaging[D]．Toronto:Thesis University of Toronto,1992．

[16] 高諾．基于磁共振成像系統的頭部三維電阻抗成像技術研究[D]．浙江:浙江大學,2005．

[17] 李日輝,李雅寧,吳俊鵬,等．基于虛擬儀器的電阻抗斷層成像測量系統設計[J]．中國醫療設備,2014,29(3):11-13．

[18] 李剛,陳瑞娟,郝麗玲,等．三維磁共振電阻抗成像技術的改進分層靈敏度算法[J]．計算物理,2012,29(6):845-852．

[19] Kim HJ,Oh TI,Kim YT,et al．In vivo electrical conductivity imaging of a canine brain using a 3T MREIT system[J]．Physiol Meas,2008,29(10):1145-1155．

[20] Kim HJ,Kim YT,Minhas AS,et al．In vivo high-resolution conductivity imaging of the human leg using MREIT:the first human experiment[J]．IEEE Trans Med Imaging,2009, 28(11):1681-1687．

[21] Ahlfors S,Ilmoniemi R．Magnetic imaging of conductivity:14th Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society,Paris,France, 1992:1717-1718．

[22] Tozer JC,Ireland RH,Barber DC,et al．Magnetic impedance tomography[J]．Annals of the New York Academy of Sciences, 1999,873(1):353-359．

[23] Ireland RH,Tozer JC,Barker AT,et al．Towards magnetic detection electrical impedance tomography:data acquisition and image reconstruction of current density in phantoms and in vivo[J]．Physio Meas,2004,25(3):775-796．

[24] Rob H,Ireland,David C,et al．Constrained image reconstruction for magnetic detection electrical impedance tomography[J]．International Journal of Imaging of Imaging Systems and Technology,2007,17(6):379-382．

[25] 李剛,郝麗玲,陳瑞娟,等．MDEIT中電流密度成像代替電導率成像的可行性[J]．天津大學學報,2012,45(5):417-422．

[26] 林凌,郝麗玲,陳瑞娟,等．磁探測電阻抗成像及其在經絡三維定位中的應用[J]．中國醫學物理學雜志,2010,27(2):1793-1798．

New Advances in Electrical Impedance Tomography Using Various Magnetic Fields

JIANG Yu-zhu, JING Sai
Institute for Drug and Instrument Control, Joint Logistics Department of the Jinan Military Region, Jinan Shandong 250022, China

This paper introduced the electrical impedance tomography (EIT) using four kinds of magnetic fi elds, including magnetic induction impedance tomography (MIIT), magnetoacoustic tomography with magnetic induction(MAT-MI), magnetic resonance electrical impedance tomography (MREIT) and magnetic detection electrical impedance tomography. After analyzing the imaging principle and research progress of each electrical impedance tomography, this paper pointed out that EIT using various magnetic fi elds would have a broad prospect in the fi eld of clinical medicine.

magnetic induction impedance tomography; magnetoacoustic tomography with magnetic induction; magnetic resonance electrical impedance tomography; magnetic detection electrical impedance tomography

TM153; R318. 04

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.03.018

1674-1633(2015)03-0063-04

2014-07-02

2014-08-03

作者郵箱：jingsaifmmu@126．com