生物医学电阻抗成像技术(共20页)

精选优质文档-倾情为你奉上第1章 绪论进入21世纪，生物医学工程迅猛发展，如何将先进的科学技术用于人体医学检查及各项机能测试，从而提高人类对疾病的早期预防和治疗，增强机体功能、提高健康水平一直是人们共同关心的问题。因此，人们对医学检测手段的要求越来越高，检测方式已从人工主观检测发展到现在的主客观相结合。特别是医学影像技术的出现，使疾病的诊断更加客观和准确。然而，通过医学实践可以发现单一形态影像诊断仪器不能满足疾病早期诊断的需要，形态和功能相结合的新型检测系统是医学发展的需要，形态和功能相结合的新型检测系统是医学发展的需要。向功能性检查和疾病的早期诊断发展，向疾病的康复和愈合评价延伸，正是现代医学发展所追求的目标。电阻抗成像（Electrical Impedance Tomography,EIT）技术，是以生物体内电阻抗的分布或变化为成像目标的一种新型无损伤生物医学检测与成像技术。它通过对生物体外加一定的安全激励电流，测得生物体表面电压信号来重构生物体的阻抗分布。由于生物组织阻抗特性差别显著，因而电阻抗成像结果明显。利用EIT技术，可以显示生物体组织的阻抗分布图像、阻抗随频率变化的图像、生物体器官生理活动（如呼吸、心脏搏动）时阻抗变化图像。由于采用外加安全电流激励，是非侵入检测技术，且是功能成像技术，在研究人体生理功能和疾病诊断方面有重要的临床价值。它具有简便、无创廉价的优势，可作为对病人进行长期、连续监护的设备，对疾病的早期预防、诊断、治疗及医疗普查都具有十分重大的意义，一直受到众多研究者的关注。第1节 医学影像技术概况医学影像技术是用各种成像装置采集人体内部解剖学、生理学、病理学和心理学的信息，并实现可视化的科学。医学影像技术涉及物理学、生物学、医学、电子信息技术等多科学领域，是典型的跨学科领域。医学图像是真是物体信息的反映，但还不是真实物体的镜像。到目前为止的所有成像设备只能采集人体的部分信息，某种特定的医学影像是经过数学方法的反演之后得到的被成像人的特定位置在某一时刻部分信息的可视化表达。人体影像确实是人体信息的一部分，含有被成像个体的特殊信息。但是，即时成像过程中没有夹带任何虚假的信息（伪影和噪音），在某种特定的成像装置上采集的图像也只是被成像个体在特定时间和空间内的很小一部分信息。无论对人体本身的研究，还是对人体疾病的判断或者治疗，只靠这部分信息作出的判断会有较大的误差。据统计，用医学影像技术进行的疾病诊断在世界范围内的准确率大约为85%，这是因为人体的情况太复杂，对疾病准确诊断所需要的数据还不够完善。目前，医院对病人采集的信息还需要进一步整合并及时完成在解剖学基础上的配准，生理学基础上的功能信息和解剖信息的集成，以及生化参数和影像的结合。尽管如此，医学影像能以非常直观的形式向人们展示人体内部的结构形态与脏器功能，是临床诊断中最重要的手段之一。1972年，第一台X射线计算机断层图像仪由英国学者G.N.Hounsfeild研制成功，引发了医学诊断史上的重大革命。随后，传统的显微成像、X射线成像和内窥镜成像技术得到不断发展。与计算机技术相结合的超声医学成像、磁共振成像和放射性核元素成像等也已得到迅速发展和普级应用。相继出现单光子发射CT（简称SPECT）、正电子发射CT（简称PECT）、超声CT（简称UCT）、微博CT（简称MCT）、核磁共振CT（简称NMRCT）等，形成了20世纪80年代后医学影像诊断的新科学。超声波、X射线、核医学、红外线和核磁共振成为当今五大医学影像技术。热成像、微波成像等技术亦在开发或研究之中，有的已形成产品。近年来新的成像方法不断出现，从平面到立体、从局部到整体、从静态到实时、从形态到功能等，已成为医学影像技术发展的趋势。目前，B型超声成像技术已经普及应用，彩色超声多普勒血流成像技术也已使用并日趋完善；X射线CT已发展到第五代，扫描速度有了很大提高；磁共振现象（MRI）的磁体重量不断减轻，并在血流成像和波谱分析方面取得显著进展；放射性核素成像可获得组织化学及功能性图像；应用计算机的显微图像技术已成为进行细胞和分子水平研究的重要手段。X射线CT仍是目前医学影像技术中体层摄影最为完善、应用最多的技术。但是，这些医学成像技术价格昂贵，并且绝大部分会对人体造成一定的伤害，不适于连续、长期的观测。对于正电子发射成像（PECT）、单光子发射层析成像（SPECT）和功能性磁共振成像（fMRI）等功能成像，尽管空间分辨率较高，但时间常数较大，不能满足某些病理或神经科学中毫秒级时间分辨率的要求。研究表明，生物组织的电学特性非常显著，如可以通过体表电极检测到生物体的脑电信号、心电信号、肌电信号等，这些都反映了生物体具有电学特性，其中主要是它的电阻抗特性。生物体的电阻抗特性主要表现为：1. 不同生物组织间存在较大的阻抗差异 例如，胸腔内周围组织的电阻率约为3m，心脏约为1.5m，肺约为12m，脊椎约为20m。人体组织的电阻率在外加激励信号频率为20100kHz时差别显著，从最小值脑脊髓液的0.65m到最大值骨组织的166m，上下限之比达到250:1，软组织之间电阻率的最大值与最小值之比也达到了35:1。2. 同一生物组织在不同的生理状态下阻抗也不相同 例如，组织温度改变1，阻抗变化2%；组织内血液的流动和充盈情况也直接影响其阻抗大小，如脑组织缺血时，阻抗可增大近一倍；由于心脏的周期活动。身体各部分组织的阻抗也发生周期性的变化，脏器体积的变化也对其阻抗产生很大的影响，胃内食物的成分及胃的充满和排空使胃阻抗发生很大的变化；在呼吸过程中，肺阻抗大小与吸入的空气量紧密相关，肺组织膨胀和收缩时阻抗发生数倍的变化。不论在自然或人工控制的被动呼吸状态，肺内空气量同局部胸部阻抗有很好的线性关系。3. 生物组织在发生病变时与正常时的阻抗变化十分显著 例如，脑肿瘤异变组织约为正常组织的13倍；脑震荡或脑肌肉萎缩组织约为正常组织的2倍；脑出血异变组织约为正常组织的1/4；肺部疾病患者的阻抗值会发生显著改变，用阻抗值可以检测出肺部组织液体异常变化的肺部病变。4. 生物组织阻抗特性与频率有关，即不同测量频率下的阻抗特性各异 另外，某些生物组织的阻抗还具有各向异性的特点，即沿组织不同方向测量时的阻抗值各不相同。因此，生物组织阻抗携带着丰富的病理和生理信息，在医学影像研究中备受关注。近三十年发展起来的生物医学电阻抗成像（EIT）技术就是基于生物体的电学特性，通过配置人体体表电极，提取与人体生理、病理状态相关的组织或器官的电特性信息，再通过图像重构算法也就是逆问题求解，得到生物体内的阻抗分布图像。它不但反映了解剖学结构，更重要的是利用EIT技术还可以得到反映生物组织活性及生理状态短时变化的功能图像。EIT的装置简单便携、响应快速、成本低廉且运行安全，而且它不使用放射元素或射线，无辐射、对病人无创无害，可以多次测量、重复使用，应用对象与时间也不受限制，可对病人进行长期连续监护，在研究人体生理功能和临床疾病诊断方面，具有重要的潜在价值和广泛的应用前景，是继形态、结构成像之后。新一代无损伤的功能成像技术。第二节 主要的医学成像技术介绍一、计算机断层成像技术1972年，英国工程师G.N.Hounsfield研制成功首台计算机断层成像（Computer Tomography,CT）机，并应用于临床的颅脑CT，为此该工程师获得1979年诺贝尔生理和医学奖。X射线CT是一种对穿透射线（X射线）所经过的物质的断面进行扫描，通过检测器来测量透过该层人体X射线强度，再通过计算机加工处理，计算出该层内各个点X射线吸收系数，重构该层面结构的装置。CT机是目前技术最成熟，应用最多、临床经验也是最丰富的检查方法，对肿瘤的定位与定量诊断相当迅速和准确，定性诊断价值也很大。对脑出血、脑梗塞、颅内水肿、脑挫伤的诊断和鉴别也很有效。尽管目前X射线CT射线的指标已达到相当理想的阶段，但X射线对人体的组织会造成一定的损伤，因而X射线CT不宜长期使用，在很多情况下（如对胎儿和孕妇）根本不能使用。另外，X射线CT只能显示人体断层分布的几何特性，因而显示人体的人体的生物化学信息则无能为力。超声波CT是利用超声波完成扫描过程，从而避免了X射线CT对人体的射线影响，是目前最安全的一种成像系统，可用于包括妇产科在内的临床检查，但是超声波的传播受湿度、温度等多方面的影响，建立不同器官、不用密度和不同形状的超声波传播特性的数学模式非常困难。目前的超声波成像方法都忽略了超声波和生物组织之间的相互作用，因而不能得到理想的定量结果。2、 磁共振成像技术 磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）系统是基于物理学中的和磁共振现象设计的。人体中存在大量的氢原子核，它们具有固定的磁特性，当人体位于强磁场时，体内氢原子便按磁场方向进行排列。如果用一个频率很高的电信号形成附加磁场，则可使氢原子核偏离原来的排列方向。若突然切断该信号，那么氢原子核又趋于原来的排列方向，同时发出一种很弱的、具有特征频率的信号，MRI便利用此信号蕴含的信息进行图像重构。MRI有其独特的优点：可重构三维图像，且可以从各种不同角度重构断面、冠状面、矢状面和任何斜面的切面图像；对软组织分辨率比X-CT高，对骨骼不产生伪影，且对软骨、骨骼结构有较高的分辨率；能分辨脑灰质、白质、脑干、垂体等；能反映出器官的生化结构的变化，并以此作出早期诊断等。所以不足之处是结构复杂、设备庞大、价格昂贵。3、 功能性磁共振成像技术 MRI提供的优秀解剖图像早已被人们所接受。近几年来，MRI对组织磁化高度敏感的特点又被用来研究人脑的功能，特别是大脑各功能区的划分。这一新技术就是功能性磁共振成像（functional MRI,fMRI）。它主要基于以下两点：首先，人脑是可以划分为许多精细功能区域的，这使得人们能够设计各种激发方案来对它们分别进行研究；其次，在生理性的脑活动与脑血流、脑血流容积和能量代谢之间有着直接的联系。fMRI就是通过检测上述神经活动的伴随现象来建立脑功能图像的。它突破了过去对人脑仅从生理学或病理学角度实施研究和评价的状态，打开了从语言、记忆、认知等领域进行研究的大门。fMRI方法有不使用同位素示踪剂、无创、可反复检测、空间分辨率高等优点，因此是脑功能成像的主要手段。但是，与MRI不同，fMRI仍然是一种处于发展阶段的研究性功能成像方法，无论是在刺激的设计和序列的应用方面，还是图像的后处理及可视化等方面，还有相当多的技术问题需要解决。4、 正电子发射断层成像技术 正电子发射断层成像（Positron Emission Tomography,PET）是最早用来研究脑功能的成像技术。它利用放射性示踪物探测活动区域中血流量的增加情况，其成像速度慢，每次成像时间需要1min。因此，研究人员可用PET进行“区域测试”。受试者首先进行一些简单的作业，使大脑重复同样的思维活动以采集数据。它可用于对脑的视觉活动、认知反映、神经功能等方面的功能成像。但是，由于需要注射放射性示踪剂、成像速度慢、分辨率低，以及需备加速器，使其成本较高。另外，动脉血流的测量需要采样，因此是侵入性的测量。正是由于这些不足，使得PET不如fMRI应用广泛。5、 脑电图技术 脑电图（Electroencephalography,EEG）是一种应用最广的将脑电信息进行采集与记录的方法。其基本原理是通过放置在头皮表面的电极，记录头皮上各神经元产生的电位信号，这些信号是由许多神经元共同协作而产生的。临床上用的电极按照解剖结构的固定点均匀地放在头皮表面上。EEG可以应用于许多方面，最常用的是通过记录被测试者在睡眠和苏醒情况下大脑内部的电生理活动产生的电信号，来诊断癫痫病是否发生。EEG的空间分辨率比较低，但它可以检测脑电活动在毫秒级情况下发生的变化，具有很高的时间分辨率，是一种非侵入性的且方便的检测手段，且检测设备价格便宜，是深受临床接受的诊断设备。EEG同样可以记录由外部刺激所产生的电信号，用于研究大脑对视觉、声音、嗅觉等刺激的反映，进行脑功能和认知科学方面的研究。6、 脑磁图技术脑电图用于检测由于大脑神经元活动所产生的电信号，而脑磁图（Magnetoencephalography,EEG）所记录的是由此所产生的磁信号。人们已知地球磁场的强度是105T，而脑的波和癫痫病的棘波磁场强度为1012T，是地球磁场的百万分之一。因此，脑磁场的检测就变得异常艰难。1976年，美国麻省理工学院的D.Cohe开始在磁场屏蔽室内，用反馈放大器进行了人体大脑和心脏磁场的测定。到1972年超高灵敏的磁场检测仪（Surperconduction Quantum Interference Device,SQUID）研制成功后，第一个噪音小、清晰度高、以波为代表的脑磁信号正式检测成功。利用在MEG的检测过程中产生的诱发磁场分布，可以推定磁场信号源的位置，尤其是测定头颅表面的垂直方向的磁场。MEG在脑磁场检测中具有独特的优越性。从磁场的产生源来看，MEG的检测可分为自发性MEG和光、声等人为地施加外界刺激得到的诱发MEG。在自发性脑磁场中，除正常的神经活动引起的波以外，神经细胞的异常放电（如癫痫病时）出现的棘波也会产生脑磁波。诱发脑磁场是由大脑皮层以及其他部位受到刺激所产生的。在听觉诱发的脑磁场中，发生源在脑干，而脊髓神经的诱发脑磁场，发生源在脊髓。MEG与EEG相比有其独特的优点：无需测量电极，无需定标准点，可任取一点检测，是非接触性的测量，头颅骨的影响可以忽略不计。但其检测设备庞大、昂贵，使得临床使用难以大众化。7、 电阻抗成像技术在过去的三十年里，解剖成像技术如计算机断层成像（CT）和磁共振成像（MRI）已在临床中广泛应用。最近，功能性磁共振成像（fMRI）和正电子发射断层成像（PET）技术正被研究用来功能成像。但这些技术都需要庞大的、昂贵和固定的设备。EEG便于携带，但不能提供临床应用成像，而且只对脑皮层的电活动敏感。电阻抗成像（EIT）技术，是20世纪末迅速发展起来的一种新的成像技术。它利用介质的阻抗特性，通过外部电极施加一定的电激励（通常是低频电流），由表面不同位置的电极测得的电参数（通常是电位分布）信息，用一定的计算方法来重构目标内部的阻抗或其他变化的分布图像。生物医学电阻抗成像技术是将EIT技术应用于人体阻抗测量的一项技术，它根据人体内部不同组织具有不同的电阻抗，而且一些病理现象和生理活动均会引起人体组织阻抗的变化这一物理特征，通过给人体注入小的安全电流，测量体表的电位来重构人体内部的电阻抗分部图像。它除了能实现与X射线成像、计算机断层成像（CT）、磁共振现象（MRI）和超声成像相类似的功能外，还可以得到反映生物组织生理状态短时变化的图像，这在研究人体生理功能与疾病诊断方面有重要的临床价值。虽然目前应用EIT技术其图像的分辨率还不能与CT等成像技术相比，但它仍是一种有广泛应用前景的新型功能成像技术，可以显示人体内组织的阻抗分布图像、人体组织随频率变化图像、人体器官进行生理活动（如呼吸、心脏搏动）时的阻抗变化图像等。因此，该技术在近几十年受到国际学术界的广泛关注，并呈现出很好的应用前景。第3节 生物医学电阻抗成像技术概述1、 生物医学电阻抗成像技术的由来早在20世纪初，地质工作者利用向大地注入电流，并测量其在地表产生的电压分布来确定地球内部不同地层的电导率，通过对这些地层电导率的分析，结合已知岩面和矿物的特性来预测矿藏分布情况，这就是EIT技术的雏形。成熟的EIT思想分别由Henderson和Webster作为医学成像技术与Lytle和Dines作为地球物理学的成像工具各自独立地提出的。由于早期的EIT研究都是二维成像，采用等位线反投影成像算法实现，原理类似于X射线断层扫描成像，故沿用了“tomography”的称发，通常译作断层（也称体层或层析）成像。因此EIT也成为电阻抗CT。实际上，由于电流在导体中是体传播的，并非沿直线或平面传播，所以电极上测量的信号反映的是内部阻抗的立体分布信息，而不是某个断层上的平面分布信息。尽管在实验室可以尽量做到沿成像平面垂直方向介质均匀一致，以减少体电流与面电流分布规律的差异，但是在实际应用中不可能存在这样的理想情况。将三维阻抗分布的测量结果假设为二维阻抗分布的响应，只能得到阻抗体分布的等效面分布图，近似视作某个断层的影像，而非真正意义上的断层成像。目前，研究大多局限于二维，得到的图像也没有层析的意义，有时也用“imaging”或“inversion”代替“tomography”。由于不同的介质阻抗可表现出不同的导电和导磁特征，实际上的阻抗应该是复阻抗。若不考虑虚部信息，只检测介质的电阻特性，通常称为电阻（率）成像（Electrical Resistance Tomography,ERT）。利用介质容抗特性的图像重构研究，称为电容成像（Electrical Capacitance Tomography,ECT）.此外，还有电磁成像（Electrical Tomography,EMT），研究对象涵盖了电导率、电容率、磁导率等主要电磁参数。以上可统称为电学成像（Electrical Tomography,ET）技术。在不同的发展时期和不同的领域，电阻抗成像的名称也有所不同，尽管含义相近但词语不尽相同。20世纪70年代，美国Wisconsin 大学的Swanson D.K提出了电阻抗成像（EIT）的方法。1984年，英国Sheffield大学的Barber和Brown等学者设计了外加电势层析成像（Applied Potential Tomography,APT）。20世纪80年代中期，英国曼彻斯特大学理工学院（UMIST）以M.S.Plaskowaski博士为首的研究小组提出“流动成像”（Flow Imaging）,1988年UMIST率先研制成功一种构造简单、价格低廉、动态响应好，且不与被测介质直接接触的8电极电容层析成像系统。在地学领域，主要考察介质的电阻特性，1987年岛裕雅（Shima and Sakayama）等提出了电阻率层析成像（Resistivity tomography,RT）一词，并提出了反演解释的方法。在石油、化工、电力及冶金等行业的过程层析成像（Process Tomography,PT）检测中，也主要利用电阻成像和电容成像，有事直接将其称作过程层析成像。在近几年的国际会议和学术刊物中，尽管应用和称谓不尽相同，考察的介质各有侧重，模型和电极形状也有所差异，但原理和图像重构算法都基本类似，都是为了揭示稳定电流磁场中电阻抗的变化，所以都可以归纳到EIT技术的研究范畴。由于EIT可以从远端传感器获得的数据得到不可到达区域内的精准定量信息，可以实现非侵入甚至可以通过电磁感应进行非接触测量，所以具有很好的安全性能。另外，系统结构简单，价格低廉，可以在许多领域得到应用。在工业中，利用不同介质的电阻、电容特性进行两相流和多相流检测，可用于监测气液容器和输送管路中的混合体分布；在地质地理测量中，在表面或钻孔设置电极用来定位阻抗异常点。利用泥土、岩石、水源、石油、矿藏的阻抗差异特性成像，可进行地下勘探、地质结构研究，用来确定地下水、地下天然气及石油分布，成为物探技术的前沿课题之一；在军事上可用于地下测量、排除地雷等。德国科学家对树木进行断层成像，检查树干中坏死部分，诊断树木疾病，避免在恶劣天气中折断伤人，也可用来评定木材的优劣。尽管EIT技术出现的时间很短，但在许多领域都具有广阔的应用前景，受到广泛的重视和研究。因为生物组织表现出阻性、容性和感性特征，电阻抗随频率变化而产生很大变化，不同组织的阻抗特性差别显著，特别是器官生理活动（如呼吸、心脏搏动）的不同时期阻抗也发生显著变化。此外，生物组织在不同的生理状态其阻抗差异也很大。所以利用EIT对生物组织进行成像，不仅可以区分不同的组织结构，而且可以对组织阻抗功能特性成像，对于医学研究和疾病诊断具有特别重要的意义。2、 生物医学电阻抗成像的基本原理及数学描述（1） 电阻抗成像的基本原理EIT是基于生物组织电阻抗特性的新的功能成像技术，基本原理是在被目标组织表面施加安全激励电流（电压）信号，同时测量目标组织表面的电压（电流）信号，由所测的信号采用图像重构算法得到被检测组织内的阻抗（或阻抗变化）图像分布，其原理框图如图所示。 功能成像电磁特性分析 感应信号 激励信号 研究对象人体是一个大的生物导电体，其组织和器官具有一定的阻抗。不同生物组织有不同的阻抗，同一种生物体正常组织和疾病组织的阻抗也相差甚远。因此，可以对生物体输入一个激励信号，通过检测其体表电信号，经计算机处理得到反映阻抗特性相应变化的图像。电阻抗成像正是采用了通过测量导体区域外边界的电压变化来估计导体内部电阻率变化这一基本思想。从上表可以看出，人体组织的电阻率在外加激励信号频率在20100kHz时差别显著，这意味着电阻率的不同可以区分不同的组织。脑脊液、血液等流体组织具有较好的导电性能，伴随他们在体内的流动，会引起其他组织器官电阻率的显著变化。肺组织在呼气和吸气过程中，由于肺泡充盈程度的改变，引起肺组织电阻率相当大的变化，因而又提示电阻抗分布的变化伴随着一些生理活动及病理的改变。由此看出，阻抗成像可以得到能反映出生物组织生理状态短时变化、结构与功能性的图像结果，这在研究人体生理功能和疾病诊断方面有重要的临床价值。（2） 电阻抗成像问题的数学描述 在生物组织电磁特性研究中把生物体视为一电磁系统，其所描述的电特性可由麦克斯韦（Maxwell）方程来描述，尽管生物体是活体，其电磁特性与时间有关，是一个时变场，但其随时间变化相对较慢，考虑到人体组织的生物电磁特性及尺寸大小，其时变因素可以忽略，从而可将其场作为准静态处理。 EIT所研究的是一个特殊的电流场问题，通常可将被成像目标等效为一导体，电流在场域内的流动受场域内的电导率分布的影响，电脑率分布和电流流动之间的关系可用麦克斯韦方程组表达。3、 生物医学电阻抗成像技术研究的主要问题EIT系统主要由数据测量系统（Data Measurement System,DMS）和图像重构软件两大部分组成。数据测量系统的作用是从体表测量出反映体内阻抗分布的电信号，经A/D转化及数据处理后为阻抗图像重构算法提供高精度的数据。图像重构软件利用测量系统采集的数据，根据驱动与响应信号的关系，用一定的数值计算方法来重构内部的阻抗或其变化的分布影像。EIT图像重构算法包括正问题（Forward Problem）求解方法与逆问题（Inverse Problem）求解方法。近年来，EIT在二维和单频的基础上向三维及多频成像方面发展，目前，主要热点集中于兼顾速度和效率的图像重构算法特别是逆问题求解方法的研究和高精度的检测装置的研制。（1） 电阻抗成像的正问题 由生物体模型内部的阻抗分布及边界激励信号，求物体内部或表面的电压和电流分布，称为EIT正问题。正问题求解是利用给定的边界条件和阻抗分布模型求解拉普拉斯方程，得出求解区域及边界的电位分布，为逆问题求解和实际测量提供依据。由于所求解的对象大多结构复杂且介质特性各异，正问题求解很难有解析解。常用的数值计算技术有有限元法、边界元法、有限体元法和无单元法等。（2） 电阻抗成像的逆问题由目标表面的电压分布及边界激励信号，求生物体内部的阻抗分布，称为EIT逆问题。逆问题的求解即阻抗图像的重构是EIT研究的关键技术之所在。目前，EIT的成像方式主要有两种：一种是动态成像（Dynamic/Difference Imaging）,及重构阻抗变化的图像；另一种是静态成像（Static Imaging），即重构阻抗绝对值的图像。根据不同的成像方式，相应的重构算法也分为两类。动态成像是以电阻抗分布的相对值为成像目标，利用两个不同时刻的测量数据，通过图像重构算法来获得这两个时刻电阻抗分布的差值，重构出一幅差分图像。其优点是测量数据中的干扰和噪音信号可以在相减时得到消除，因而它的图像重构算法对系统测量数据的精度要求不是太高。另外它的计算量一般较小，成像速度快，可以实时成像。动态成像算法中常用的重构算法有等位线反投影法、敏感矩阵法、滤波反投影法和共轭梯度法等。静态成像是由边界测量值重构目标阻抗分布的绝对值。由于电流通量是未知阻抗分布的函数，静态阻抗成像问题本身就是一个非线性逆问题。在实际测量中边界电压在离散点上采样，因电极数目有限，且电流注入模式有限，通常由边界电极获得的信息不足以决定目标内部的阻抗分布，问题欠定。另外，边界电压测量值对电极附近阻抗变化高度敏感，但对中心阻抗变化很不敏感。所有这些都使得静态EIT是一个高度病态的非线性逆问题。在对其进行求解时要注意设法降低病态程度，主要途径有：优化注入电流模式；提高采集数据的精度，并设法消除数据中的噪声；增大采集数据量，提高采集数据的信息量；采用数值稳定性较好的图像重构算法；加入有关阻抗分布函数的先验知识等。目前，国内外关于静态EIT有很多算法，主要有修正的牛顿-拉夫逊法、层剥离法、牛顿单步误差重构方法、扰动法、双限定法、基于神经网络的重构算法、广义逆法等，并且对各种方法又有相应的改进算法。（3） 电阻抗成像系统 EIT系统是在被检测的目标组织表面安置大量电极，利用多路转换开关在不同的电极间施加不同频率的安全刺激信号，同时测量目标组织表面反映阻抗变化的电压，经过放大器使放大后的电信号送至同步调节器和A/D转换器，再给计算机进行分析计算，用图像重构法得到被测组织内的阻抗。要得到高质量的图像，就要求测量数据精度高、重复性要好、高速度、低噪音。 EIT系统设计是EIT技术中很重要的组成部分，系统的精度、速度、稳定性、信噪比等对EIT进行实时图像重构的质量与速度起着重要的作用，是EIT能否用于临床应用的关键之一，主要包括安全有效的激励源系统、电极系统、感应信号测量系统、信号分析与处理系统、计算机数据采集与控制、功能成像等模块构成。（4） 重点和难点问题关于EIT技术研究的主要问题和研究方向，不同的应用研究对象有所不同，但共性的主要问题是：1. 电极系统 主要有电极的定位、数量、形状和材料。定位：既能反映不同组织特性，又使重构图像方便。数量：越多就可得到更多的独立测量数据，从而可以提高重构图像空间分辨率和图像质量。然而，电极的增加会使系统更复杂，在病人身上安放也很困难，而且测量电压下降，信噪比降低。形状和材料：安置方便，接触电阻小。2. 模型的建立 人们发现生物体的阻抗特性活体和离体差异很大，所以只有进行活体测量才有意义，但实验研究期间只能在模型上做。尽可能建立逼近真实的研究对象，使研究结果更接近真实情况。3. 图像重构 实际就是研究高速度、高精度成像算法，进行逆问题的求解。存在的最大困难是：求解方程的病态性，解的收敛性问题和有效重构算法，尤其对三维成像（3DEIT）。4. 测量的频率选择 早期的EIT系统都是单一频率，然而要反映组织特征的EIT图像，就要使不同组织间阻抗有足够变化。由于生物组织电阻抗特性是频率的函数，因此可采用多频测量（Multi Frequency EIT,MFEIT）。不同的组织可以选用不同的测量频率，使被检组织和周围组织的阻抗有足够的差异，从而得到高质量的阻抗图像。5. 高精度的测量系统实现 系统结构选择，系统精度与速度、信噪比的提高，系统小型化和并行化的研究。6. 从物理模型到临床试验研究中的相关技术研究 如特定组织或器官的生理、病理检测指标的制定，引线系统、定标及定量测量技术，人体实验中驱动和测量模式的研究。（5） 电阻抗成像技术的优缺点EIT场域分布为一具有特殊边界条件的偏微分方程，采用解析法不能直接求解这一偏微分方程，因而EIT中的（阻抗）图像重构较为困难。另一方面，电位在目标物体边界上的分布差别很大，这导致边界电位的提取相当困难，因为信号的动态范围越大，对测量系统的前端和数/模转换电路要求越高。诸多技术障碍使得这一成像技术尚未得到迅速发展应用。尽管EIT目前由于技术发展的不完善而在空间分辨率及成像速度等方面逊色于现有断层成像手段，但与现有成像手段相比，要简单得多，它的检测装置体积小、结构简单。因此，EIT技术有成本低廉、便于携带的优越性。二是对人体无损伤。因为EIT是利用低频电流成像，避免了放射性辐射。医学实践证明低频微弱电流对人体是无害的，可以对病人进行长时间、动态监护。三是可实现功能成像。由于人体组织的电阻率和它的化学成分、血流的变化、细胞新陈代谢的状况以及细胞的温度等都有关系，因此EIT图像不仅可以显示人体内各部位的几何形状，而且可以提供反映人体生理、病理活动和健康状况的生物医学信息。在医学临床中，一些疾病发生时，相关组织与器官的功能性变化往往要先于器质性变化期或潜伏期。当机体发展成器质性病变后才出现组织与器官结构性变化或其他临床症状。如能在疾病的潜伏期或功能代偿期，即在组织与器官结构性变化出现之前，及时检测和确认该组织与器官的功能性变化，对于相关疾病的普查、预防和早期诊断与治疗将是非常有利的。与疾病发生时的情况相对应，当疾病治愈、康复时，相关组织与器官的功能恢复也往往滞后于疾病的治愈。在疾病的康复期，监测和确认病愈组织与器官的功能恢复情况，对于疾病的康复指导和愈后评价是十分有效和重要的。检测组织与器官的功能性变化，正是EIT技术的优势。EIT所采用的生物阻抗技术，提取的是与组织和器官的功能变化相联系的电特性信息，对血液、气体、液体和不同组织成分及其变化等具有独特的鉴别力，对那些影响组织与器官电特性的因素，如血液的流动与分布，肺内的血气交换，体内体液变化与移动等非常敏感。以此为基础，进行心、脑、肺循环系统的功能评价，血液动力学与流变学在体动态研究，肿瘤的早期发现与诊断以及人体组成成分分析等功能成像研究，EIT独具优越性，具有诱人的应用前景。与CT、超声等成像技术现在所达到的图像分辨率相比，目前EIT的结构成像分辨率还有待继续提高。但是，就在EIT目前结构图像分辨率相对较低的情况下，其具有的功能成像优势也是CT、超声等成像技术无法与之比拟的。尽管CT、超声可以有较高的结构图像分辨率，但是他们无法检测到组织与器官在尚未出现结构性改变之前而实际上却已经发生的功能性变化。例如，设高分辨率CT可以发现1mm大小的肿瘤组织，而EIT能确定10mm范围的组织性能变化。若以分辨率而论，CT的1mm结构成像分辨率明显高于EIT的10mm，但是EIT功能成像所发现的10mm组织性能变化是在肿瘤形成之前，组织结构变化尚未发生，1mm甚至更高分辨率的CT也根本无法探知的肿瘤潜伏期组织性能特性或功能性变化，给出的是预报性或前瞻性信息，其重要的临床意义是显而易见的，这正是功能成像或结构成像的本质区别。EIT技术的空间分辨率低，其主要原因是在接触式测量模式下电极的数目有限。电极数目的增加一方面会提高系统的复杂性，另一方面也会引入更多的误差，因而电极数目不可能无限制地增加。就目前的技术来看，也许EIT的空间分辨率不会达到CT或EIT的水平，因而它不可能取代现有的成像技术在医学诊断中的地位。而是对现有断层成像技术的一种有力补充。EIT技术的另一个弱点在于算法的复杂性，由于EIT成像要解决的是一个非线性偏微分方程的逆问题，使得成像算法异常复杂，同时EIT技术固有的病态性问题也始终困扰着这一技术的发展，有待于相关理论研究领域的突破。4、 电阻抗成像技术的研究展望Henderson和Webester于1978年发表了第一幅电阻抗图像。他们使用固定于胸部上，由一个大电极和与之相对的若干小电极组成的电极系统，通过测量从各小电极流向大电极的电流所形成的电位差，获得了可以清楚地显示肺脏位置的阻抗图像。但是这还不是断层图像，而是类似X胸片的透视图片。1982年，由英国Sheffied大学Brown和Barber发表了第一个手臂的阻抗层析图像，开辟了电阻抗层析成像（EIT）技术这一新的研究领域。1987年，他们的研究小组建立了第一个完整的数据测量系统（Data Measurement System,DMS）。在EIT的图像重构算法研究方面，主要的算法有扰动法（Peturbation Method）、修正的Newton-Raphson方法、双限定方法（Double Constraint Method）、敏感性方法（Sensitive Method）、等位线反投影算法、铺展开发、M.Zadehkoochak算法、基于神经网络的重构算法、广义逆法等。在临床基础研究方面，Barber首先提出将EIT技术应用于人体肺部成像，1995年Sheffied大学的Smith等在Mark的基础上建立了第一个实时的供临床基础研究用的Mark系统，结合等位线反投影图像重构算法，用于人体胸腔临床基础研究，在英国皇家Hallamshire医院建立了第一个动态EIT实时系统，用于人体肺、胃、大脑、食管等不同部位的临床成像基础研究，得到了初步成像结果。1998年，英国的Sheffied大学的Peter Metherall对胸腔三维EIT进行了研究。2001年，Borsic A.等建立了真实胸腔的2D-EIT模型。英国的UMIST和美国Wisconsin大学图像处理实验室对动态图像的重构进行了大量的模拟实验，能达到心肺功能成像以监视生理活动的目的，但成像质量离实用还有一定的距离。静态成像目前仍处于实验阶段。EIT以其无损伤、低成本的功能性图像吸引了越来越多的研究者，引起了人们广泛的兴趣，近些年成为国内外的一个研究热点。美国、英国、俄罗斯、德国、法国、瑞典、日本、印度等近100个研究小组在进行生物EIT技术的研究工作。在美国得到国家科学基金会（NSF）和国立卫生研究院（NIH）的大力支持，在英国工程和物理科学研究委员会（EPSRC）支持下建立了欧洲EIT统一行动组织（CATT）来组织和协调EIT研究工作，并建立了专门的EITEIT研究网站。近几年来，EIT技术又有了许多新的发展，出现了人体三维阻抗分布成像的3DEIT技术，以外围线圈激励的感应EIT以及多频复阻抗成像，这些研究都得到了初步的实验结果。目前，国际上有100多个研究小组从事EIT方面的基础及应用基础研究，每年都要召开EIT国际研讨会，在其他相关国际会议中也都没有EIT专题讨论会。我国在EIT领域的研究从20世纪90年代开始，相对国外研究起步较晚，但已取得了较大的进步，主要有清华大学、天津大学、第四军医大学、重庆大学、河北工业大学、中国医学科学院生物医学工程研究所、中国科学院电工所、上海大学等高校和科研单位从事该方面的研究工作，并得到了国家、省市自然科学基金的支持和资助。EIT研究主要集中在以下几方面：高速、精准度成像技术及局部重构技术的研究；多频及参数成像的检测技术和重构算法，包括多频激励、多频测量，准静态成像算法、参数成像算法的研究；3D成像技术的研究；接触式成像技术的研究；临床应用研究等。近来，在EIT中还发展了与其他技术结合的新方法：（1） 电磁阻抗成像（MIT）：该方法在测量EIT边界电位的同时还测量目标内部电流产生的外部磁场。附加磁场测量值将欠定的EIT问题便成为一个条件数合理的良性问题，或者显著改进了问题的条件，提高了重构的的质量。（2） 磁共振-阻抗成像（MR-EIT）：该方法利用磁共振电流密度成像（MRCDI）技术得到目标内部电流密度数据进行静态电阻率重构，内部电流密度数据可以消除传统EIT重构的敏感性问题，克服静态EIT的病态性，而且由于能得到目标的磁共振图像，可以将目标边界形状的模型误差最小化。它的缺点是需要昂贵的MRI系统，但随着现代临床医学的发展，MRI被越来越普遍的应用，MR-EIT以其能够精准重构具有空间分辨率的断层EIT而成为非常具有前景的技术。（3） 感应式磁声成像（Magneto Acoustic Tomography with Magnetic Induction,MAT-MI）：该方法利用在外加静磁场和交变磁场的共同作用，在目标体内产生感应电流，同时检测在洛伦磁力（Lorentz force）作用下被测目标所产生的超声波信号，通过计算分析重构出目标体内的电阻抗分布。该方法不仅使逆问题的求解变得相对比较容易，而且避免了机体骨骼对电流刺激在一定程度上所产生的屏蔽作用。 总之，关于EIT的研究国内外已经由以前单一的基础研究逐步过渡到基础研究和临床基础研究同时进行，并且在未来几年有加快临床研究的趋势。相信在国内外研究者的共同努力下，生物医学电阻抗成像一定能以其独特的优势成为新一代的功能性成像技术，成为人类健康的又一守护神。专心-专注-专业