胸部真实边界的肺通气电阻抗变化动态仿真研究

2014-03-23吴佳铭尤富生

医疗卫生装备 2014年9期

吴佳铭，尤富生

·研究与设计·

吴佳铭，尤富生

目的：利用计算机仿真得到肺部在生理、病理状态下，肺通气、肺气肿和肺部肿瘤发展过程引起的体表电阻抗改变，为胸部的阻抗成像技术提供理论指导。方法：利用COMSOL Multi-physics多物理场计算平台，以胸部CT图像为依据，建立二维真实边界的胸部电阻抗动态变化模型，体表电极16个、激励电流0.5 mA，对向驱动临近测量模式，通过参数动态扫描，仿真获得肺通气、不同面积的单侧肺气肿及不同程度的肺肿瘤发生时，阻抗测量中胸部体表电极上的电位变化情况。结果：肺通气量和肺气肿面积增大时，引起肺整体或局部电导率降低，从而导致体表相邻电极的电势差绝对值增大；肺肿瘤引起局部电导率增大，导致相邻电极的电势差绝对值减小。结论：利用现有的软件平台，基于参数扫描方法，可直观地对胸部及组织生理、病理的参数变化引起的阻抗改变进行动态仿真，为胸部阻抗成像的定性和定量分析打下了基础，也为脑部、腹部阻抗成像的动态仿真研究提供了有效的方法。

动态仿真；肺通气；生物电阻抗；COMSOL Multi-physics

0 引言

生物电阻抗成像（electrical impedance tomography，EIT）技术是根据人体内的不同组织在不同的生理、病理状态下具有不同的电阻（导）率，通过各种方法给人体施加小的安全驱动电流（电压），在体外测量响应电压（电流）信号以重建人体内部的电阻率分布或其变化的图像[1]。EIT技术是当今生物医学工程领域研究的热点之一，具有无创、无辐射、操作简便等优势特点，是继形态、结构成像之后的新型无创功能成像技术[2]。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、体液和不同组织成分具有独特的鉴别力，对血液的流动与分布、肺内的血气交换等非常敏感。以此为基础，进行心、脑、肺及相关循环系统的功能评价是EIT技术最显著的优势[3]。

目前，EIT大部分仍处于应用基础研究阶段，也有部分进入了临床应用[4]。在研究中建立一个真实有效的生物组织阻抗分布模型尤为重要[5-6]。国内外研究组针对腰椎[7]、腹部[8]、颅脑[9-10]等模型的建立方法有一些报道，但由于仿真软件的功能限制、模型采用的规则形状、阻抗的实际分布不易获取等因素，仿真结果的一致性和实用性受到制约。

肺部的通气及血气交换能引起较大的阻抗变化。当发生肺气肿、肺肿瘤等常见疾病时，有望通过EIT技术对其进行检测或动态监测，多个小组曾报道EIT在肺部监测中的应用价值[11-12]。进一步研究表明[13-14]，采用胸部真实边界的建模可以更好地表征肺部组织器官的真实构造，提高胸部EIT的图像质量。

目前，临床上还很难对肺疾病不同阶段的肺部整体或肺部局部区域的电学参数变化进行动态连续监测。为此，为了模拟肺通气状态、肺气肿和肺部肿瘤的生理病理过程，本研究采用有限元法，在建立胸部二维真实边界的基础上，使用不同判据区分求解域，基于动态参数扫描仿真方法，分别对肺部通气状态、肺气肿和肺部肿瘤的发生过程等首次进行了动态仿真，直观有效地获得了各参数变化的仿真结果，为胸部EIT的深入研究和应用打下了很好的基础。

1 方法

1.1 胸部组织及脏器真实边界轮廓的提取

图1（a）为健康人的肺部CT图，经Matlab边缘检测可得图1（b），导入Auto CAD中根据真实比例建立由皮肤、肺、心脏、骨骼肌和骨组成的真实边界（如图1（c）所示），在COMSOL中添加16个胸腔边界电极（如图1（d）所示）。

图1 提取胸腔仿真的模型

1.2 胸部真实边界模型的求解方程

本研究使用COMSOL二维AC/DC模块下的电流物理场，求解域描述方程为

相应的边界条件为

电绝缘部分：-n·J=0

接地部分：φ=0

式中，J为电流密度，σ为目标区域的电导率分布；φ为电位。取胸腔左前方的电极作为恒流输入端，激励电流I0=0.5 mA，该电极的对向电极接地，其他电极及皮肤表面边界为电绝缘。

1.3 模型电学参量设置及剖分

在上述模型中，根据仿真研究的需要，设置计算变量见表1。

表1 添加计算变量

根据文献[15]，相关求解域的电学参数设置见表2。

表2 各求解域电学参数

注：电极材料为铜，其材料属性由COMSOL材料属性库中选取

综合考虑计算精度和时间，有限元剖分网格尺寸选择“粗略”，共得到68 084个单元。

1.4 动态仿真方法建立

为了模拟肺部的生理病理变化过程，基于参数动态扫描的思想，用一定区域的电导率动态变化或特定区域的面积变化，模拟肺通气状态、肺气肿和肺部肿瘤引起的肺部阻抗改变，动态仿真流程如图2所示。动态参数扫描设置分为以下3种情况。

图2 动态仿真流程图

1.4.1 肺通气状态的动态仿真

在正常呼吸状态下，随吸入气量的逐渐增加，肺部的电导率将随之减小，从而引起胸部体表阻抗测量信号及相应EIT的变化。为了在COMSOL的仿真模型中模拟呼吸引起的体表阻抗测量信号的变化过程和趋势，将整个吸气过程双肺的电导率变化作为动态扫描参数，在求解器下添加扫描参数sig1。

在50 kHz下，肺组织的电导率为0．26 S/m，以此为基准，以2种极端情况为限，即在肺被气体充满的情况下，取肺电导率0．01 S/m为下限；在肺中几乎无气体的情况下，电导率取其基准值的2倍，即0．52 S/m为上限。每增大0．01 S/m仿真计算一次，共动态仿真52次，从而模拟肺部无气体到最大通气的极限状态和动态变化过程。双肺电导率参数从小到大的动态扫描仿真的实现，为获得胸部体表测量与肺通气状态的理论关系打下了基础。

1.4.2肺气肿仿真

肺部由肺组织和气体组成，肺气肿时，对应部位呈低电导率。为了便于动态扫描仿真，假定肺气肿区域在右肺，模拟其为椭圆形，椭圆面积大小代表肺气肿的范围大小，肺气肿的电导率恒定为0．018 S/m，动态改变椭圆面积的大小（改变椭圆短半轴b）来仿真不同程度的肺气肿。右肺的电学参数使用判断语句表示如下：

右肺电导率：sig2+（sig1-sig2）×

右肺相对介电常数：eps2+（eps1-eps2）×

右侧肺气肿动态仿真在求解器下添加扫描参数b，模拟椭圆短半轴b从0．002 m增加到0．044 m的动态过程，每增大0．002 m仿真一次，共扫描仿真22次。

1.4.3肺部肿瘤仿真

为初步模拟肺部肿瘤的生长过程，假定肺部肿瘤为椭圆形，椭圆面积恒定，随肿瘤的生长变化，其血供将明显高于肺部正常组织，因此，在仿真中可通过改变椭圆内的电导率大小模拟肿瘤区域的动态改变过程。右肺的电学参数仍然使用上述判断语句，在求解器下添加参数sig2（此处代表肿瘤区域的电导率），模拟肺部肿瘤的电导率从0．01 S/m增加到0．5 S/m的变化过程，每增加0．01 S/m仿真一次，共动态仿真50次。

2 结果

2.13种仿真的电流线图

肺组织的电导率sig1、肺气肿区域的椭圆短半轴b、肺部肿瘤区域的电导率sig2 3个自变量分别对应肺正常通气状态、右侧肺气肿以及右侧肺肿瘤3次动态仿真，各取一定数值后对应胸腔内的电流线变化，分别如图3～5所示。

2.23种仿真获得的相邻电极电势差变化

图3 肺正常通气状态动态仿真电流线图

图4 右侧肺气肿仿真电流线图

图5 右侧肺肿瘤仿真电流线图

标记激励电极为1号电极，顺时针方向标号，则在一对对向激励下，忽略与激励电极相关的4个临近测量，可以获得12个临近电极的电势差变化（即临近测量）。

通过数据分析发现，在通气状态动态仿真中，随着肺整体电导率的增大（通气量减小），相邻电极的电势差（绝对值）不断减小；在右侧肺气肿仿真中，随着肺气肿体积的增大，相邻电极的电势差（绝对值）增大；在右侧肺部肿瘤仿真中，随着肿瘤电导率的增加，相邻电极的电势差（绝对值）减小。

3 结论与讨论

从图3～5中可见，肺部电场仿真中的电流线都主要从导电性能较好的组织流过。通过控制感兴趣区域的电导率或体积变化，流经该区域的电流线疏密也随之发生明显变化。电导率越大，流过此处的电流线越多，符合阻抗成像对组织或器官的电导率变化敏感的预期。

3次仿真获得的相邻电极的电势差变化情况进一步表明，在阻抗成像中，成像区域内整体或局部电导率增大时，因等效阻抗降低，在恒流激励下（本研究中为0．5 mA），体表临近测量电势差（绝对值）将随之降低；反之，电导率减小时，体表临近测量电势差（绝对值）将增大。

本研究初步建立了真实边界的胸部模型，采用参数动态扫描的方法，对胸腔内部的参数变化引起的内部电场变化及体表电极测量变化分别进行了定性研究，对胸部生理、病理变化过程的阻抗变化趋势进行了分析，为深入进行定量分析提供了方法学依据，也为脑部、腹部阻抗成像的动态仿真研究提供了有效方法。相比于之前的建模仿真方法，本实验综合运用了多款建模软件，结果显示符合动态监护的需求，更加直观有效。

下一步将在3D胸部模型建模、激励电极的自动扫描以及体表测量电极的数据分析方法上进行深入研究，实现2D到3D、定性到定量的系统研究。

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（收稿：2014-03-07 修回：2014-06-04）

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Dynamic simulating on impedance changes of lung ventilation in chest model with real shape

WU Jia-ming1,2,YOU Fu-sheng1
（1.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China; 2.Shijiazhuang Bethune Military Medical College,Shijiazhuang 050000,China）

ObjectiveThrough computer simulation to obtain surface electrical impedance changes in lung under physiological and pathological conditions,such as lung ventilation,pulmonary emphysema and lung tumor development processes,etc.,so as to provide theoretical guidance for chest electrical impedance tomography(EIT).MethodsWith COMSOL Multi-physics computing platform and chest CT images,the two-dimensional chest electrical impedance dynamic change model was built up with real boundary,with 16 surface electrodes,0.5 mA driving current and polardriving adjacent-measuring mode.Through dynamic parameter scanning(DPS)method,the potential changes of surface electrodes during chest impedance measurement were obtained by dynamically simulating the lung ventilation,unilateral pulmonary emphysema with different sizes and lung tumor with different stages.ResultsThe volume increasing of lung ventilation and pulmonary emphysema led the total or local lung conductivity decreasing,thus caused the abstract value of the potential differences between adjacent electrodes increased,while lung tumor led local lung conductivity increasing,and that of the potential differences between adjacent electrodes decreased.ConclusionsBased on the software platform and the DPS method,the impedance changes caused by chest and tissue's physiological or pathological parameters can be simulated directly,which not only lays a foundation of qualitative and quantitative analysis of the chest EIT,but also provides an effective method for dynamic simulation of brain and abdominal EIT.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（9）：1-4]

dynamic simulation;lung ventilation;electrical impedance;COMSOL Multi-physics