几种磁场方式电阻抗成像技术的新进展

江玉柱，井赛

济南军区联勤部药品仪器检验所，山东济南 250022

几种磁场方式电阻抗成像技术的新进展

江玉柱，井赛

济南军区联勤部药品仪器检验所，山东济南 250022

本文介绍了4种磁场方式的电阻抗成像技术，分别为磁感应电阻抗成像技术、磁感应磁声成像技术、磁共振电阻抗成像技术、磁探测电阻抗成像技术，分析了每种技术的成像原理与研究进展，并指出电阻抗成像技术在临床医学方面具有广阔的应用前景。

磁感应电阻抗成像；磁感应磁声成像；磁共振电阻抗成像；磁探测电阻抗成像

0 前言

从Henderson等提出阻抗图像的概念，到Brown等发表人体前臂的阻抗图像后，电阻抗成像（Electrical Impendence Tomography，EIT）技术引起了生物医学工程领域的极大关注[1-2]。EIT技术是基于人体组织的电特性而进行功能成像的一种新技术，即通过向人体施加安全电流或电压并测量人体组织的电参数分布，再经某种特定的重建算法得到能够反映人体某部位的电特性的功能图像。EIT技术与CT成像、核磁共振成像、超声成像相比具有无辐射、无损伤、价格低廉且能实现功能成像以及医学图像监护等优点[3-4]。然而，EIT技术还存在以下弊端：① 受电极个数与位置的限制，EIT技术只能测量人体表面的电压或电流值，获得的临床有用信息量过少；② EIT是一种软场成像方式，成像方式本身存在较大的病态性，即测量信息仅对测量电极附近的电导率变化较为敏感，因此边界信息的微小变化会对内部电导率分布产生较大的影响；③ 由于EIT技术中的边界电压受电阻率变化等多个因素影响，因此EIT技术抗干扰能力低，而且得到的功能图像分辨率低。基于以上种种弊端，有必要对传统EIT技术的数据采集方式及功能图像重构算法进行改进。

鉴于磁场检测方式不受接触电极的影响，近年来研究人员研究出了多种磁场方式的电阻抗成像技术，本文主要介绍近年来发展起来的4种磁场方式的电阻抗成像技术。

1 磁感应电阻抗成像（Magnetic Induction Impedance Tomography，MIT）技术

磁感应成像是利用磁场检测装置检测由于场域内部电导率的改变引起的感应磁场的变化，然后根据某种重建算法得到场域内部的电导率分布。磁感应电阻抗成像是一种完全不接触式电阻抗成像方式，能够彻底消除电极的接触阻抗对成像质量的影响。由于引入了磁场的缘故，MIT技术比传统的EIT技术更具优势：① 磁感应成像系统采用检测线圈感应涡流信号，提高了抗干扰能力；② MIT技术采用的非接触电极可以使被检测的人的活动自由度大些，检测频率范围是10000 Hz～20 MHz，更利于实现床边的长时间实时监护，应用前景比较广阔；③ MIT技术中交变的激励磁场容易穿透颅骨，可反映颅脑内电导率的变化信息，对脑部检测具有重要价值；④ 此技术对所成像区域的中央位置比较敏感，这对检测人体深层组织有一定的临床意义。但磁场检测方式的引入，使得磁感应成像系统产生的涡流信号比较微弱，这就对检测线圈的精度要求很高，限制了MIT技术的进一步发展。

自al-Zeibak S等[5]提出基于滤波反投影算法的人体结构成像的MIT技术系统以来，国外学者们就开始了对MIT技术的研究。Scharfetter H等[6]采用可调的双线圈检测系统在50 HZ的工作频率下，检测系统的信载比提高到10-5～10-7，这一改进使低空间分辨率情况下监测脑水肿成为可能。

在国内，第四军医大学最早对MIT技术进行研究[7]，采用二维有限单元法和改进的Newton-Raphson法分别求解MIT技术中的正逆问题，并在三层同心圆头模型上进行了仿真实验。重庆大学在MIT系统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维有限元算法研究MIT技术的正问题，并通过实验证明求得解的正确性。

2 磁感应磁声成像（Magnetoacoustic Tomography with Magnetic Induction，MAT-MI）技术

磁感应磁声成像技术是Xu Y等[8]在磁感应电阻抗成像的基础上提出的一种新的电阻抗成像技术，它是磁感应电阻抗成像技术与超声断层扫描成像技术的有机融合。MATMI技术继承了电阻抗成像技术的高对比度和超声断层扫描技术的高空间分辨率的优点[9-10]。该方法将人体置于静态磁场中，施加脉冲激励使人体产生涡流，涡流在静态磁场的作用下产生洛伦兹力，从而使人体测量部位产生声振动，通过对声信号的采集重建人体测量部位的电导率分布。

在当前的磁感应磁声成像声源机制研究中，Xu Y等[8]分析了均匀静态磁场和激励磁场下，均匀电导率媒质球体中MAT-MI声源的解析解，然后应用无界媒质声波方程解析解计算MAT-MI声场的空间分布，最后应用时间反演方法进行MAT-MI声源重建。Ma Q等[11-12]应用均匀激励磁场的二维对称模型涡流计算公式，分析了基于均匀静态磁场的二维对称多层电导率模型的MAT-MI声源计算公式，并采用声场传递函数方法计算二维对称多层电导率模型的空间声场分布，同时进行了多层介质的MAT-MI声源重建。这些MAT-MI技术的仿真研究以均匀分布的磁场和电导率、完整对称的测量目标体为前提条件。浙江大学李珣[13]采用有限元分析方法模拟真实测量线圈产生的变化磁场，能够定量分析非对称型且电导率非均匀分布的测量目标体产生的声场。他们还采用三维时间反演算法，对乳腺肿瘤模型进行磁感应磁声电阻抗成像，验证了MAT-MI可对乳腺肿瘤进行早期的筛查诊断。周廉等[14]在MAT-MI过程的逆问题中推导出一种新的算法，解决了奇异值带来的困难，并且该算法还缩短了图像重建时间。但是该算法的声场重建基于声波传播速度恒定不变的假设，所以只适用于人体的软组织部分成像。

3 磁共振电阻抗成像（Magnetic Resonance Electrical Impedance Tomography，MREIT）技术

磁共振电阻抗成像是利用磁共振设备测量得到成像场域内部的磁场数据，利用一定的重建方法得到电导率的分布。因此，磁共振电阻抗成像能够降低传统的电阻抗成像的病态性，提高电阻抗成像的分辨率。

MREIT技术将核磁共振成像与电阻抗通过合理的方式结合，通过磁共振的成像设备测量并重构人体内的电阻抗分布图像。MREIT技术改变了电阻抗对边界电压变化不敏感的弊端，还可以为人体某个病变部位的定位提供大量信息，使获得的人体组织的电阻抗分布图像的分辨率显著提高。

Toronto大学的Zhang N于1992年第一次提出此概念[15]，并给出了一种利用两个信息分布（被测目标体内部电流密度信息分布和边界电压信息分布）来实现电阻抗重构的算法。英国、德国、加拿大等国家对MREIT技术的成像理论和算法及实验技巧进行了研究，其中成像算法的研究较多。

虽然MREIT技术起步较晚且尚未真正应用到临床医学中。但是学者们的研究还是取得了值得肯定的研究成果。学者们研究的图像重构算法基本可分两类[16-17]：基于电流密度的MREIT技术图像重构算法和基于磁场强度的MREIT技术图像重构算法。前者是以被检测目标体内的电流密度分布信息作为重构的主要信息，该算法源自欧姆定律，在理论上该算法的逆问题的稳定性好、反演精度高。但是此类算法需要被测目标体在磁共振检测装备中做三维旋转才能得到被测目标体内部完整的电流密度分布信息。这一点在临床应用中不可行。后者是以被检测目标体内的磁场强度的部分数据对被检测目标体内的电导率分布进行重构的算法。这就避免了前一种算法的弊端。但是后一种算法需要计算磁场分量的微分值，是现实不可行之处。

李刚等[18]研究了三维MREIT技术，提出了整体与分层重建方式对图像进行重构。分层重构利用每一层磁场数据对本层的电导率进行重构，数据少、重建时间短。他们还通过对整体与分层重建两种方式进行比较，提出了改进的分层重建方法，这使得分层重建的电导率分布图像更能接近真实的电导率分布图像。此方法解决了三维MREIT技术需要高硬件系统支持的问题。最后对真实人体模型的仿真实验证明了该算法有一定的实际应用效果，对三维MREIT技术早日能够应用到临床医学中起到了推动作用。韩国庆熙大学的研究小组在磁共振电阻抗成像研究中取得了较大的进展[19-20]，特别是提出了分辨率较高的谐函数法，实现了动物的四肢、腹部、骨盆、颈、胸和头部的磁共振电阻抗成像，并将磁共振电阻抗成像技术推向了临床应用中，初步实现了人体腿部的磁共振电阻抗成像。

4 磁探测电阻抗成像（Magnetic Detection Electrical Impedance Tomography，MDEIT）技术

磁探测电阻抗成像是利用磁场检测装置测量成像场域外部的磁场数据，根据一定的重建算法得到模型的电导率分布。因此，磁探测电阻抗成像是一种不完全接触式成像方式，能够降低电极的接触阻抗对成像质量的影响。

MDEIT技术通过表面电极向人体某部位施加安全激励电流，然后利用磁场传感器探测人体某部位的磁场数据，再根据某种特定算法利用测得的磁场数据重构出人体组织的电阻抗分布的功能图像。

Ahlfors等[21]首次提出通过贴在成像目标体上的电极，向成像目标体注入一定频率的交变电流，然后用磁场传感器测量注入电流在成像目标体外产生的磁场，根据表面磁场重构出电导率分布图像的技术，并命名为Magnetic Impedance Tomography（MIT）。1999年，Tozer等[22]验证了由磁场重建二维电流密度分布的可行性。为了将新技术与磁感应电阻抗成像区别开来，Ireland JC与前面等[23]在2004年又重新对此技术命名为Magnetic Detection Electrical Impedance Tomography（MDEIT）。

英国Sheffield大学的Rob H等[24]开展了对MDEIT的研究，他们建立了数据采集系统，研究出了图像重建方法，并利用此技术拍摄出第一幅人体图像，为MDEIT技术应用到临床医学中奠定了基础。

在磁探测电阻抗成像的过程中，电阻抗分布图像的重建过程非常复杂繁琐，对临床应用及实现床边实时监护造成很大困扰。李刚等[25]在环形电极模式下成像并通过仿真实验，缩短了图像重建时间。此方法若应用到临床中，还要解决一些实际问题，譬如为了避免铁性材料电极对磁场测量信号的影响，可以采用碳电极等非金属性电极。

林凌等[26]提出利用经络的低阻抗性将MDEIT应用到经络三维定位中，可以得到经络的深层次信息。结合公认的经络低阻抗特性，利用磁探测电阻抗成像方式有望实现经络的三维定位。

5 4种磁场方式的电阻抗成像技术的优缺点

MIT技术是一种非接触式的电阻抗成像技术，能够消除电极对电阻抗成像质量的影响，而且利用磁场方式容易穿透颅骨组织，在理论上可以应用到脑部监护。但是涡流产生的磁场极小，测得有用的信息量少，这样对接收线圈的灵敏度要求极高，电阻抗成像的分辨率难以提高，应用到临床医学上有点难度。

MAT-MI技术是将磁感应成像技术、电阻抗成像技术、超声成像技术三者相融合的一种新型成像技术，继承了电阻抗成像的高对比度和超声技术的高分辨率的优点，可以看成是电阻抗成像的延伸和发展。首先，MAT-MI技术继承了电阻抗成像技术无创、对比度高、探测深度大等优点，而且还具有超声成像技术分辨率高的优点，弥补了电阻抗成像技术分辨率低的缺点。其次，MAT-MI技术采集的信号是声信号，而不是电压或磁场信号，所以受外界噪声干扰的影响相对较小。此外，MAT-MI技术采用电磁感应的方式，是一种非接触式测量方式，避免了电阻抗成像技术中电极的接触面积对成像质量的影响，而且采用磁场方式也解决了电流难以穿过骨组织的问题。

MREIT技术能够降低传统的电阻抗成像的病态性，利用磁共振设备较高的测量精度能够提高电阻抗成像的分辨率，但是使用的MR检测设备价格昂贵，液氮费用高，不宜用作床边实时监护。

与以上3种电阻抗成像技术相比，MDEIT技术具有更多优点，其成像系统简便，价格便宜，适合临床医学的床边实时监护，但是测量灵敏度方面需要继续改善。

6 总结

电阻抗成像至今无法作为一种新型的医学成像方式，其主要原因是：电阻抗成像的分辨率目前还达不到医学对图像分辨率的要求。基于此，需要从以下几个方面进行改善：① 提高硬件测量系统的信噪比和测量精度，扩大信号测量的动态范围；② 优化电流激励模式和电压测量模式；③ 提高电阻抗成像算法的鲁棒性；④ 发展磁场成像方式和电场成像方式的融合技术。随着对无辐射又廉价的成像系统和算法的不断深入研究，这些新技术终究会被应用到临床医学中，为人类的健康保驾护航。

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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

作者邮箱：jingsaifmmu@126．com