基于电阻抗断层成像的一维参数提取研究

刘 蒙，代 萌，徐灿华，杨 滨，史学涛，董秀珍，付 峰

基于电阻抗断层成像的一维参数提取研究

刘 蒙，代 萌，徐灿华，杨 滨，史学涛，董秀珍，付 峰

目的：利用电阻抗断层成像（electrical impedance tomography，EIT）数据提取对生物组织整体电阻抗变化敏感的一维参数。方法：分析电阻抗断层成像过程，利用对电阻抗整体变化趋势敏感的数据构建一维参数，并进行仿真、物理模型及临床验证实验。结果：实验证实，通过电阻抗断层成像的原始数据构建的一维参数与生物组织整体电阻抗的变化具有相关性，可用于实时监测整体电阻抗的变化趋势。结论：提取的EIT一维参数对电阻抗整体的变化趋势具有较高的敏感性，和二维动态图像结合使用，可提供更多的生物组织电阻抗监测信息。

生物电阻抗断层成像；EIT一维参数；Geselowitz敏感性关系；提取

0 引言

电阻抗断层成像（electrical impedance tomography，EIT）是一种通过对生物组织施加一定模式的安全电流激励，测量体表响应电压并依据驱动电流和响应电压的关系，采用重构算法构建生物组织内部电阻抗或其变化分布图像的新型医学功能成像技术[1]，因其无创、简便、无害、廉价等特点，引起越来越多研究者的关注。目前，EIT成像系统已经进入临床实验阶段，随着临床实验研究的深入，研究者发现EIT二维动态图像对于实时电阻抗的变化反应灵敏，但对于监测对象一段时间内整体阻抗变化趋势无法实时、直观反映，给长期病程的监测带来不便。为使EIT动态成像监测系统更好地适应临床需要，有必要利用现有EIT系统提取一套简单、有效的参数指标来反映整体电阻抗的变化趋势，对临床EIT动态图像的观测结果进行有力的补充，为临床诊断提供更加充分全面的阻抗信息。本研究将基于第四军医大学EIT课题组自主研制的EIT动态成像监测系统EITMonitor，通过分析其阻抗数据和成像算法，提取具有特征性的参数信息指标，以达到对监测目标整体阻抗变化趋势的实时、直观反映的目的。

1 EIT一维参数的提取

为从现有的EIT二维动态成像系统中提取可以反映电阻抗整体变化的一维参数，首先应对其成像原理进行分析研究，并从成像原始数据中提取与阻抗变化的相关量。然后，依据相关量的变化特点构建可反映电阻抗整体变化的EIT一维参数。

1.1 EIT一维参数提取的理论依据

如图1所示的区域Ω内部电导率为σ,四周被不导电的区域包围，当电流I从电极a-b注入到区域Ω时，测得c-d处电压为g，同时a-b和c-d处分别形成电势场Φ（σ）和Ψ（σ）[2]。当区域Ω内电导率由σ变为σ+Δσ时，根据Geselowitz敏感性关系，此时边界积分存在下列关系

图1 电流I通过电极a-b注入边界为Γ的区域

将公式（1）展开得到

公式（2）中0（（Δσ）2）为Δσ的高阶无穷小，当电阻抗扰动足够小时，0（（Δσ）2）可近似为0，此时式（1）可近似为

EIT动态成像的计算过程是将公式（3）线性化得到线性敏感矩阵，并对该矩阵求逆以得到电导率分布图像[3]。由公式（3）可知边界测量电压与Ω区域内部电导率的变化相关，因此可通过对边界测量电压与EIT动态成像计算过程的分析，构建反映生物电阻抗整体变化趋势的EIT一维参数。

1.2 EIT一维参数的构建

EITMonitor系统采用16个电极依次对向注入安全电流的激励模式，每次激励时测量相邻电极间的电压并采用正交数字解调法进行实部、虚部解调[4]，各电极依次激励完成后，生成一帧原始数据，数据中包含256组具有实部和虚部的电压值。对该组数据采用重建算法进行计算，计算结果以二维图像的形式显示。由成像过程可知每帧图像的原始数据正是边界测量电压正交数字解调后的集合。测量电压解调后的实部和虚部，依次对应生物组织复阻抗实部和虚部[5-6]。可依据每帧图像原始数据的集合构建如下EIT一维参数

其中，Z1-D代表EIT一维参数，单位为Ω；I表示激励电流的大小，用以消除激励电流变化的影响；φi和φi为该帧数据第i组测量电压值的实部和虚部，为消除两者变化的影响而对其求模值[7]。

2 EIT一维参数实验验证

通过对EITMonitor系统成像过程的理论分析，利用成像的原始数据构建了可反映电阻抗整体变化的EIT一维参数。为了验证该参数的有效性、灵敏性，下一步将通过仿真实验、物理模型实验和临床实验进行验证,其中物理模型实验和临床实验均采用第四军医大学EIT课题组自主研制的EITMonitor电阻抗成像图像监护系统进行。

2.1 仿真模型实验

仿真实验采用如图2所示的有限单元法（finite element method，FEM）模型。该模型半径10 cm，采用三角形单元剖分，总计剖分648个单元；各单元初始电导率设为1.667 S/m，模拟0.9%NaCl均一溶液；当某区域被选中时电导率增加20%，模拟均一溶液整体电导率的扰动[8]。

图2 有限元仿真模型

FEM模型等间隔放置16个电极，依次采用对向驱动模式注入安全电流1 mA，通过正向计算得到边界电压，并采用等位线反投影法（equipotential backprojection，EPBP）进行二维图像重建，仿真EITMonitor系统动态成像过程。

2.1.1 实验方案

以FEM模型中心为起点，逐渐增大扰动目标面积，模拟整体电阻抗逐渐增大的过程，根据变化序列将EIT一维参数变化曲线与二维图像对应显示，验证提取的EIT一维参数与电阻抗整体变化的有效性。

2.1.2 实验结果

当FEM模型扰动范围持续增大时（如图3所示），EIT一维参数曲线呈下降趋势，EIT一维参数相对FEM模型电阻抗扰动变化比例（一维参数下降率/目标电阻抗增大率）范围为3.63～4.68。对象整体电阻抗变化具有相关性，可有效实时反映电阻抗整体变化的趋势。

图3 EIT一维指标仿真验证实验

图4 EIT一维指标物理实验模型

2.2 物理模型实验

为进一步验证EIT一维参数的敏感性，采用图4中直径约为207mm的圆形水槽进行物理

通过FEM仿真实验，证实EIT一维参数与监测模型实验。水槽中加注5 000 ml 0.16%的NaCl溶液，测量其电导率为0.067 S/m，以之作为背景溶液；使用底部直径为14.5mm、体积为10ml的圆柱形琼脂块，测量电导率为0.25 S/m，作为电阻抗扰动目标。

2.2.1 实验方案

在实验水槽水平面等间隔安置EITMonitor系统16个电极实施监测，监测过程中快速（1～2 s）将圆柱形琼脂块插入水槽中，待水槽溶液停止波动后快速（1～2 s）将圆柱形琼脂块抽出水槽，待水槽平稳后再次快速插入，不断重复该动作并记录EIT一维参数曲线和二维图像的变化，验证该参数对于整体电阻抗突变的敏感性。

2.2.2 实验结果

如图5所示，当扰动目标快速插入水槽时，EIT一维参数产生如图0：00：18—0：00：27时刻的跃变，以插入前平稳的A时刻为背景帧，插入前后时刻EIT二维图像变化如图5所示；当扰动目标快速拔出水槽时，EIT一维参数产生如图5中标注的0：01：21—0：01：24时刻的跃变，以拔出前平稳的B时刻为背景帧，跃变前后EIT二维图像变化如图5所示。对比多组数据，EIT一维参数插入时变化在0.50%～0.79%之间，抽出时变化在0.43%～0.54%之间，变化幅度显著。

图5 物理模型实验EIT一维曲线和二维图像变化过程

通过物理模型实验证实EIT一维参数不仅可实时反映电阻抗整体变化的趋势，对于监测对像电阻抗整体的突变同样具有较高的敏感性。

2.3 临床实验

仿真实验与物理模型实验证实了EIT一维参数对于实时监测生物组织电阻抗整体变化的有效性和敏感性，为进一步验证该参数在EIT临床应用中的可行性，下面我们将选取慢性硬膜下血肿（chronic subdural hematoma，CSDH）患者钻孔闭式引流术的术中情况进行EIT一维参数实时监测研究。

CSDH是指颅脑外伤后3周以上伴有血肿的情况，临床表现为颅内压增高，常伴有头痛、四肢乏力、精神萎靡、恶心呕吐等症状。目前，多数CSDH患者采用保守治疗后病情趋于稳定,但对具有进行性发展或有脑受压严重以及临床症状明显的患者均需进行手术治疗。钻孔闭式引流术是目前比较常用的方法[9]，即在积液腔的低位处放置引流管，为防止气颅外接封闭式引流袋（瓶）。术后48～72 h积液腔可明显缩小，为避免复发，脑水肿尚未消退之前应及时拔除引流管[10]。

理论分析，CSDH钻孔闭式引流术中颅脑整体液体量持续减少，颅脑压降低，引流过程与FEM仿真实验变化过程相似，EIT一维参数应有相似变化。基于此设想，我们与第四军医大学第一附属医院神经外科合作选取符合条件的病例开展临床实验研究，实验选取患者均已签署知情同意书。

2.3.1 实验方案

（1）病例选取条件：①年龄＞20岁；②头部有明确外伤史，伤后入院＞21 d；③入院时格拉斯哥昏迷评分（Glasgow coma scale，GCS）：3～13分；④颅脑CT显示需进行单孔钻孔闭式引流术治疗。

（2）监测方法：采用对向电极驱动激励模式，注入频率50 kHz、大小0.5 mA的安全电流，连续监测引流术中患者颅脑电阻抗整体变化，并以一维参数曲线和二维图像的方式显示。实验场景如图6所示。

图6 钻孔闭式引流术中EIT监护场景图

（3）监测指标：术中监测记录每次引流过程的EIT一维参数和二维图像的变化，并记录每次的引流量。

2.3.2 实验结果

实验中共收治符合病例选取标准的患者6例，其中男4例、女2例，年龄为38～60岁，平均51.2岁；入院时GCS评分5～13分，平均8分。每位患者术中引流2次，每次引流5 ml，引流过程中进行实时动态EIT监测，并记录每人2次引流过程中相应的EIT一维参数和二维图像的变化，共收集数据12组。虽然变化幅度有差异，但引流中EIT一维指标变化趋势均与图7变化相似，二维图像均以引流开始前平稳段为背景帧，相应变化如图7所示。

2.3.3 结果分析

整个引流过程中，颅脑出血部位的液体量持续减少，同一位置生物电阻抗扰动面积持续增大，与FEM仿真实验过程相似，临床监测EIT一维指标变化趋势和FEM仿真实验的结果相同，进一步证实了提取的EIT一维参数临床监护的有效性。每次引流中EIT一维参数的变化时间和幅度见表1。

图7 引流过程中EIT一维指标和二维动态图像变化过程

表1 引流5 ml一维指标变化统计表

由统计结果可知，引流时EIT一维参数均有较小幅度的下降，这和整体阻抗变化较小有关；引流相同量所需时间相差较大，这和引流时颅脑压力有关。可见EIT一维参数对颅脑电阻抗微小变化具有较高敏感性，但与颅脑压力变化并无直接关系。

3 讨论

本文通过对EIT动态成像过程的分析，提取了可反映整体生物电阻抗变化趋势的EIT一维参数，并运用仿真、物理实验、临床实验证实了该参数对生物组织电阻抗整体的变化具有较高的敏感性，为EIT监测技术的临床应用提供了更多的信息指标。但同时发现EIT一维参数现阶段提供的监测信息相对单一，只能仅仅反映变化趋势，量化指标较少。随着研究的深入，下一步我们将进一步优化EIT一维信息参数，尝试提出量化指数，与EIT二维图像监护互为补充，推动EIT临床应用研究的深入。

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（收稿：2015-03-12 修回：2015-06-05）

英国《科学文摘》（SA）收录本刊2014年发表66篇论文索引（二）

（索引项目：题目，作者姓名，卷号，期号，页码，月份，年份）2014)

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YUAN Yi,DING Ming-yue,XIE Bin(v 35,n 3,p 49-51,March, 2014)

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65.MRI-based 3D morphological variation of bladder tumor

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WANG Xiao-guang,ZHANG Hui-jun(v 35,n 7,p 102-104,July,

One-dimensional index extraction based on electrical impedance tomography system

LIU Meng1,DAI Meng2,XU Can-hua2,YANG Bin2,SHI Xue-tao2,DONG Xiu-zhen2,FU Feng2
(1.Department of Medical Engineering,the 323rd Hospital of the PLA,Xi'an 710032,China; 2.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)

ObjectiveTo extract the one-dimensional index from electrical impedance tomography(EIT)raw data in order to reflect the tendency of impedance changes of the measured tissues.MethodsThe process of EIT was analyzed,and the one-dimensional index was established with the data sensitive to the changes of EIT,and the simulation experiments, physical model tests and clinical trials were carried out.ResultsThe one-dimensional index was proved to have a correlation with the electrical impedance of the biological tissue,and thus could be used for the real-time monitoring of the changes of electrical impedance.ConclusionThe extracted EIT one-dimensional index has a high sensitivity to the changes of electrical impedance,and can be combined with the two-dimensional dynamic image for the monitoring of biological tissue electrical impedance.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（7）：9-12]

biological electrical impedance tomography;1D index of EIT;Geselowitz sensitivity relationship;extraction

R318；TH722.2

A

1003-8868（2015）07-0009-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.07.009

国家自然科学基金项目（51477176）

刘 蒙(1984—)，男，技师，主要从事医疗器械检修方面的研究工作，E-mail：liumeng3062001@126.com。

710054西安，解放军323医院医学工程科（刘 蒙）；710032西安，第四军医大学生物医学工程学院（代 萌，徐灿华，杨 滨，史学涛，董秀珍，付 峰）

付 峰，E-mail：fengfu@fmmu.edu.cn