電阻抗成像激勵測量方式和成像方法研究

鄭皓楠

(西北工業大學，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（電導率、電阻率）分布差別較大，通過貼放在被測生物體表面的電極在生物體表面施加微小的激勵電流或電壓，在生物體組織內部產生微弱的電場，利用在體表測得的電壓信號配合一定的成像算法以實現生物體組織內部電阻抗分布圖像重構。電阻抗成像具有用途廣泛，健康環保安全，經濟可循環使用，快速便捷易用等優點。

國外在電阻抗成像技術領域相對比較成熟，已經從實驗室轉向了臨床研究。較著名研究團隊有：Sheffield Group(英國），側重肺部成像；Oxford Group(英國）,側重重建算法和自適應斷層掃描硬件；Barcelong Group(西班牙），側重硬件測量和圖像重構。

國內在電阻抗成像技術領域起步較晚，目前研究尚處于實驗室研究階段。主要研究單位有：第四軍醫大學、重慶大學、天津大學、河北工業大學和中國醫學科學院生物醫學工程研究所等。研究領域主要集中在數據獲取系統以及圖像重構算法方面。

1 EIT系統

EIT系統主要有數據檢測和重建算法兩部分組成（如圖1所示）。

圖1 EIT系統構成

EIT系統的基本原理是通過多路開關向安裝在被測生物體組織表面的電極注入安全激勵信號，同時通過測量目標區域表面能夠反映阻抗信息的電壓信號，信號經過高精度的放大電路處理后，經相敏解調電路和A/D轉換器進行信號恢復和數字化處理，最后計算機通過圖像重構算法得到能夠反映被測區域生物體組織電阻抗變化的圖像。電阻抗數據檢測系統的功能是采集生物體組織電阻抗及其變化的信息。圖像重建根據電阻抗數據檢測系統提供的生物體組織的電阻抗及其變化信息，采用相應的重建算法對生物體組織的電阻抗及其變化信息實現圖像重建與顯示功能[1]。

2 EIT系統激勵模式

外部電壓激勵，外部電流測量的電壓激勵模式、外部電流激勵，外部電壓測量的電流激勵模式是電阻抗成像技術最早采用的兩種激勵模式。由于生物體與貼放其表面的電極有電流通過時會產生接觸阻抗這種固有的物理特性，外部電壓激勵，外部電流測量的電壓激勵模式無法克服這種固有的物理特性對電阻抗成像檢測系統影響，另外生物體所能承受流經的激勵電流是有安全邊際的，即流經生物體的電流不能超過5mA,采用此模式時流經被測生物體的激勵電流控制在5mA的安全范圍內難度較大，臨床應用時是不安全的。故電壓激勵模式在實際應用時有局限性。目前電阻抗成像檢測系統多采用電流激勵模式。因為此方式能很好地去除生物體與貼放于其表的電極產生的接觸阻抗這一物理特性對電阻抗成像檢測系統的影響，且重建生物體組織的電導率分布過程簡單。此外流經生物體的電流控制在5mA的安全范圍內相對容易。繼上述兩種激勵模式之后，國外科研工作者開始探索利用感應電流激勵模式的可行性。1993年，purvis首次提出了感應電流電阻抗成像（ICEIT)[2]。此成像技術就是利用感應電流激勵模式，即在被測生物體組織的外圍環繞數個導體線圈，注入電流后導體線圈周圍會產生磁場，生物體組織內部由于磁場的激勵而產生感應電流。測量生物體表面相臨電極的電壓差，并用此數據進行目標區域電導率圖像重建[3]。所以感應電流激勵模式與電壓和電流激勵模式在本質上有區別，是一種不完全接觸式激勵模式。優點是其電極僅測量輸出電壓，不用于電流驅動，在優化電極設計，提高信噪比上有很大優勢[4]。缺點是測量導線受到磁場干擾而影響測量數據精度，但可通過調整激勵導體線圈和測量導線位置去減小影響。

3 EIT系統測量方式

EIT系統中測量時電極對施加電流與電極對進行電壓測量的方式稱為激勵測量方式，激勵方式按激勵信號輸入電極的相對位置可分為相領激勵方式、相間激勵方式、相對激勵方式[5]。如下圖2所示以16電極為例分述測量方式相領激勵測量方式（如圖2a）：第一步，選擇電極1和2作為施加激勵的電極對向被測生物體區域內組織施加確保生物體安全的激勵電流或電壓，測量剩余13個電極對兩兩電極間13組電壓數據。第二步，施加激勵的電極對按順時針方向移動到2和3，施加確保生物體安全的激勵電流或電壓，測量除施加激勵電流的電極對外剩余13個電極對兩兩電極間13組電壓數據。以此推算，完成一次測量能夠獲取208個電壓數據，其中獨立數據個數是104個。

圖2 激勵測量方式

相對激勵測量方式(如圖2b)：選擇施加激勵電流的電極對相差180°。第一步，選擇電極1和9作為施加激勵的電極對施加確保被測生物體安全的激勵電流或電壓，測量剩余12個電極對兩兩電極間12組電壓數據。第二步，激勵電極對按順時針方向移動到2和10，施加激勵電流，測量除施加激勵電流的電極對以外的剩余12個電極對兩兩間12組電壓數據。以此推算，完成一次測量能夠獲取192個電壓數據，其中相互獨立的數據只有一半。

相間激勵測量方式（如圖2c)選擇施加激勵電流的電極對測量剩余其它電極對兩兩間電壓數據的方法與相對激勵測量方式相同，不同的是相對激勵測量方式選擇施加激勵電流的電極對在空間分布上是相對的（相差180°），而相間激勵測量方式選擇施加激勵電流的電極在空間分布上是交叉的，這是兩者的區別。

根據以上數據對比，相領激勵測量方式在電極數量相同的條件下能夠獲得較多有效的相互獨立的被測生物體組織內部的電壓數據。目前電阻抗成像系統多采用此方式。缺點是對電極施加的激勵電流在被測生物體組織上分布不均勻，被測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。

相對激勵測量方式優點是對電極施加的激勵電流能更好的流經被測生物體組織中間位置，被測生物體組織中間比邊緣成像效果好。缺點是該方式在電極數量相同的條件下能采集到生物體組織內部有效的電壓測量數據較少。

相間激勵測量方式在電阻抗成像應用方面研究不多，是否最優尚無結論。但是研究表明，不同的激勵方式使用對象不同，對數據采集質量有影響，例如對肺部與腦部電阻抗成像做對比，相臨激勵方式更適合肺部成像，相間或相對激勵方式較適合頭部成像。

4 EIT成像方式

電阻抗成像本質就是求解逆問題，即已知邊界電壓求得被測生物體組織區域內電導率的分布。EIT圖像重建算法采用數值法利用測量系統獲得邊界電壓測量值，并將測量值與計算值經過反復迭代修正電導率，最終得到阻抗分布的近似值。電阻抗成像主要有動態式和靜態式成像兩種方式。

動態成像是利用采集到的被測生物體組織區域內當前時刻的電導率的數據與前一時刻采集到電導率數據相減差值來重建出一幅生物體組織兩個時刻電導率差值分布，從而重建出一幅差分圖像。動態電阻抗成像是利用采集到的當前時刻與前一時刻數據相減差值進行成像，這樣電阻抗成像檢測系統產生的干擾信號和噪聲信號以及數據測量誤差在相減時被去除，使得成像效果受上述因素影響不大。但臨床應用時被測生物體組織的前一時刻數據無法獲取，或獲取到的當前時刻與前一時刻電導率信息數據一樣，則它不能成像。其算法主要是反投影型算法[6]。眾多動態成像算法中其最具特色。

靜態成像是利用采集到的被測生物體組織內某時刻電導率的絕對值來重建出被測生物體組織該時刻電導率分布，從而重構出一幅絕對值圖像。故靜態成像重建的圖像是以被測生物體組織電導率的絕對值為成像對象。靜態成像在反問題的重建過程中存在嚴重不穩定性，這種不穩定性存在造成圖像重建算法對測量數據中的噪聲以及計算中的舍入誤差特別敏感，因而有必要改進算法使數值的穩定性提高[7]。其算法主要是Newton類算法及其改進型[8]。

動態成像和靜態成像技術特點對比如下:

（1）成像目標不同。動態電阻抗成像技術是對被測生物體組織前后時刻電導率變化成像，靜態成像是對被測生物體組織當前時刻電導率的絕對值成像。

（2）成像算法不同。動態電阻抗成像僅需當前時刻相對前一時刻電導率信息變化量，因此所采集的信息數據量少，用相對簡單線性求解即可，大大縮短了求解過程所用時間，能對被測生物體組織即時成像。

靜態電阻抗成像技術反映被測生物體組織當前時刻電導率絕對值，所需獲取信息數量較多，求解過程非常復雜，需采用非線性算法或者轉化為多次迭代的線性重建算法，耗時較長，不能對被測生物體組織即時成像。

（3）成像質量不同。動態成像對被測生物體組織形態和測量電極安放沒有特殊要求，從而減少由于數據采集誤差對成象重構造成影響，成像質量穩定，但成像質量不高。

靜態成像對被測生物體組織形態、測量電極安放、數據采集誤差和干擾信號以及噪聲信號、數學模型的構建都很敏感，因此成像分辨率不穩定，但成像效果好。

（4）檢測系統要求不同。動態電阻抗成像信息獲取系統與靜態電阻抗成像信息獲取系統在構成上沒有太大差別，但要求不同。動態成像是利用當前時刻相對前一時刻電導率數據之差成像，對信息獲取系統要求沒有靜態成像那樣高。靜態成像是對當前時刻電導率絕對值成像，對信息獲取系統要求苛刻，要求高精度信息獲取系統。

（5）使用范圍不同。原則上被測生物體所有部位都適合靜態成像，但動態成像僅適合被測生物體某些部位成像，使用范圍有較大局限性。

5 總結

EIT技術是將被測生物體組織區域內部電導率分布作為成像目標，通過貼放于被測生物體表面若干數量的電極選用相應的激勵測量方式向被測生物體組織施加激勵電壓或電流測量獲取被測生物體組織內部數據信息，最后計算機通過成像算法得到能夠反映被測區域生物體組織電導率變化的圖像。

所以相應的激勵測量方式，較高被測生物體組織區域的分辨率和抗干擾性能，能夠獲取更多有效的相互獨立的信息分布獲取系統對電阻抗成像系統非常重要。反過來，成像重構算法對電阻抗成像信息獲取系統具有制約，不同的算法對信息獲取系統有不同的要求且對電阻抗成像系統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。總之電阻抗成像系統必須具有高的檢測靈敏度和性噪比，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和噪聲信號影響實現即時成像的電阻抗成像系統是當前科研努力的方向，相信在國內廣大科研工作者的努力下，電阻抗成像技術由實驗室到臨床應用不會遙遠。