三层电极电阻抗断层成像胃排空检测模拟实验研究

王磊 赵舒 邓娟 王妍 沙洪

300192天津，中国医学科学院 北京协和医学院生物医学工程研究所

三层电极电阻抗断层成像胃排空检测模拟实验研究

王磊 赵舒 邓娟 王妍 沙洪

300192天津，中国医学科学院 北京协和医学院生物医学工程研究所

目的 采用三层电阻抗断层成像（EIT）系统进行胃排空检测模拟实验，验证多层EIT胃排空检测方法的有效性。 方法 设计、构建三层EIT系统和胃排空检测模拟实验装置，重建模拟胃排空过程的电阻抗变化图像，设置电特性变化兴趣区，连续记录每一层上兴趣区域在每一帧图像上的相对阻抗变化率值，以形成排空曲线，计算胃排空时间。 结果 三层图像兴趣区阻抗随时间变化曲线的形态差异明显，各层图像的胃排空时间与过程也不相同。提示胃排空过程中，不同层面胃区的电阻抗图像所反映的食物到达和经过的情况是不一样的；同时，验证了本研究的三层EIT方法用于胃排空检测的必要性和可行性。 结论 三层EIT胃排空检测方法可提供更为丰富的与胃排空病理和生理状态相联系的胃动力功能信息，可望为胃排空和胃动力检测与评价研究提供一种方便有效的无创图像检查手段。

电阻抗断层成像； 三层图像； 胃排空； 模拟实验

0 引 言

胃排空功能下降是多种疾病的上消化道表现或疾病发生前生理功能衰退的表现[1]。研究表明，近半数的功能性消化不良患者存在胃排空延迟。对于消化不良[2]，因为胃排空延迟的患者对胃动力药的治疗反应明显优于胃排空正常的患者，所以胃排空值具有一定的治疗指导和预后判断的价值。胃-食管反流性疾病往往与整个上消化道的动力异常有关[3]，因此了解胃排空情况对病因的诊断和治疗的选择均会有帮助。胃轻瘫综合征，简称胃轻瘫，是以胃排空延迟为特征的症状群，大量国外资料显示，大多数的糖尿病患者有胃排空延迟[4-6]，故及时了解和掌握胃排空情况，并诊断和治疗糖尿病胃轻瘫，将有助于血糖的控制。胃排空检测的另一重要应用是检测食管和胃手术前、后的动力变化，其可帮助确立诊断和选择合理的手术方式，以及制定进一步的治疗方案[7]。胃动力药物的发展也促进了胃排空检测的临床需求[8]，已有许多不同机制的胃动力药可供临床选择。采用胃排空检测判断药物疗效更具优势，可用于筛选胃动力异常的治疗药物。

目前临床常用的胃排空检测为核素测定方法，是将放射性核素标记的药物混匀于标准试餐内，口服后经伽玛照相机在胃区进行连续照相，根据胃内食物放射性核素的量的变化来评价胃排空的时间，也是目前胃排空测定的金标准[9]。但是核素具有放射性，不适合孕妇和婴幼儿，且设备较昂贵，需要专门的技术人员。超声检查可清楚地显示胃窦的形态与结构及胃腔有无异常扩张及狭窄[10]。通过实时超声可观察到胃收缩、舒张、胃壁蠕动及液体通过幽门等情况，观察胃排空与核素显像方法具有良好的相关性。但是超声检查要用于消化过程的长时间检查，在操作技术上还存在不少困难，而且仅限于测定液体排空，不适合测定固体排空，因为腔内气体较多时会影响检测结果。

电阻抗断层成像（electrical impedance tomography,EIT）技术以人体组织、器官的电阻抗特性及其变化为依据，通过配置于人体体表的电极阵列，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，给出反映组织、器官功能状态及其变化规律的功能性图像结果[11]。其主要优势在于实现无损伤功能性成像和图像监护，可以实时图像的方式直接显示体内胃体的容积变化情况，具有准确、经济、重复性好、容易操作、非侵入性、无辐射作用及液体固体食物均适用的特点，非常适合胃排空检测[12]。

胃是消化管中最膨大的部分，大部分位于腹部上区，小部分在左季肋部和脐部。如图1所示，胃可分为贲门、胃底、胃体、胃窦和幽门5个部分。胃的入口处称为贲门，与食管相连接；胃底是胃-食管连接处水平以上的部分；胃体介于胃底和胃窦之间，面积最大；胃窦是胃的远端部分；胃的出口处称为幽门，与十二指肠壶腹部相连接。食物通过食管进入胃到排出幽门的过程中，胃底、胃体和胃窦起着不同的作用。

采用单层EIT进行胃排空检测的方法与应用研究已显示出良好的临床应用前景[13]。但是单层EIT胃排空检测所获得的图像只反映电极阵列层面位置的电特性信息，很难完整表达胃部不同区域及在排空过程中，胃的整体运动与胃内食物的动态变化。本研究提出一种三层EIT胃排空检测方法，设计、构建了胃排空模拟实验检测装置，以研究三层EIT胃排空检测方法的有效性。

图1 胃的解剖示意图

1 检测系统与实验装置

1.1 三层电阻抗断层成像实验检测系统

本研究设计的三层EIT系统（中国医学科学院生物医学工程研究所研制）包括3层电极阵列（每层8个电极）、激励电流源、阻抗信息检测模块、基于现场可编程门阵列（field programmable gate array, FPGA）的系统控制与数据采集模块及计算机图像重建和信号处理等部分（图2）。激励电流源包含直接数字频率合成（DDS）信号发生器和电压电流转换电路，三层检测系统共用一个激励电流源，通过激励选通开关控制电流注入电极，激励频率为100 kHz，电流大小为2 mA（p-p）。单层电阻抗信息检测包含8路信号检测，3层共24路，对于单层成像来说，一次激励的有效信号为5个（需去除与激励电极对相关的3个信号），完成一层图像重建需要循环激励8次共40个有效信号；然后切换到下一层电极进行激励和检测，完成3层电阻抗图像的信息检测共120个有效数据。每一路电阻抗信息检测包含屏蔽驱动电路、前置放大电路、程控放大电路、二次放大滤波电路、交直流解调电路和8通道24位同步AD采样电路。激励电流源的控制和数据采集的控制通过主控FPGA芯片完成，并将数据采集的结果通过USB上传到计算机，以进行图像重建。根据图像重建结果选取电特性变化兴趣区域，连续记录每一副图像中兴趣区域的相对阻抗变化率以形成胃排空曲线。

图2 三层电阻抗断层成像系统框图

1.2 胃排空检测模拟实验装置

胃排空模拟装置包括盐水槽、三层环状电极、支架、电机系统、传动系统、丝杆和食物模型（图3）。盐水槽为内径25 cm、高30 cm的有机玻璃圆柱桶，用于模拟人体上腹部胃部区域；三层环状电极均匀分布在盐水槽内壁上（自下而上为第1层、第2层和第3层），层间距为5 cm，每层均匀分布16个锰钛合金电极（可用于8电极或16电极EIT模拟检测），电极片高2 cm、宽1.5 cm、厚0.1 cm；盐水槽顶端为一个有机玻璃材料制成的长25.6 cm、宽10 cm、高10 cm、壁厚1.5 cm的板凳支架；电机和传动系统固定在支架的平面板上，传动系统由一个齿轮和皮带轮组成，电机旋转通过齿轮带动丝杆上下运动，食物模型为亚克力圆型扁柱体，固定于丝杆的底部，随丝杆同步运动。以食物模型从盐水槽底部位置逐步上升并浮出盐水槽水面来模拟食物进入胃底到排出幽门的过程。采用三层EIT系统采集盐水槽边界电特性信息进行三层图像重建，其输出速率为5次/s，每次3帧。在每一层重建图像中选取与食物模型对应的区域为兴趣区（ROI），连续记录每一兴趣区阻抗的相对变化率随时间的变化情况，以形成排空曲线。根据三层图像兴趣区阻抗的变化可计算食物在胃部不同区域的排空和整体排空时间。

图3 三层电阻抗断层成像胃排空模拟装置

2 结 果

在本研究设计的三层EIT胃排空模拟实验装置中，背景（盐水）电导率设为0.5 S/m，模拟胃内组织电特性环境；以空场时3个电极层面的图像作为参考图像，模拟空腹时的情况；食物模型从盐水槽底部按照设定的速度逐步上升，直至浮出水面，以模拟其在胃内的运动和排空过程。食物模型从盐水槽底部到浮出水面的过程用时220 s，按5帧/s图像计算，每一层总计采集1 100帧图像。图4A、4B、4C分别代表食物模型上升到盐水槽不同位置时，第1、2、3层的同步重建图像。A1～A6、B1～B6、C1～C6分别为胃排空过程中第1、2、3电极层阻抗的相对变化，每幅图像间隔200帧。图4中的3层图像清楚表明，食物模型运动过程中到达盐水槽不同位置时引起各电极层的电特性状况改变，反映了食物模型运动导致的电特性及其变化，有效模拟了食物在胃内的运动和排空过程。提取每一层图像兴趣区阻抗变化信息可得到3层胃排空图像的电特性随时间的动态变化曲线（图5），图中的蓝、红、绿线分别代表食物模型排空过程中第1、2、3电极层图像兴趣区的相对阻抗变化情况，其中蓝色、红色和绿色圆点分别代表食物模型排空过程中各层图像兴趣区相对阻抗变化的最大值。依据图5曲线可计算第1电极层位置从蓝色圆点处到相对阻抗变化率值为零的时间为190 s，第2层为118 s，第3层为46 s。食物从第1电极层运动到第2电极层的时间与从第2电极层运动到第3电极层的时间相等（72 s），这一结果与电极层的等距离设定相吻合。三层图像从相对阻抗变化率最大值（圆点处）下降到零的时间各不相同，以及其兴趣区阻抗随时间的变化曲线的形态差异提示了胃排空过程中，胃区不同位置的图像结果所反映的食物到达和经过的情况是不一样的。表明本研究的三层EIT方法用于胃排空检测，可提供更为丰富的胃内食物的运动信息，更有效地反映食物在胃内不同部位的运动状态和较完整的排空过程。验证了本研究采用三层EIT胃排空检测方法的必要性与可行性，表明多层面胃兴趣区域的阻抗变化可为胃排空和胃动力研究与临床评价提供信息更为丰富的检测手段。

3 结论

研究表明，超过半数的胃肠疾病患者存在胃动力异常，胃部疾病一般从胃动力失调开始，向恶性化方向发展，并一直伴随胃动力异常，其是胃肠疾病的源头之一。有些胃动力失调患者就是因为未及时去医院就医而耽误了最佳治疗时间，进而演变成胃炎、胃溃疡甚至胃癌。明确胃动力障碍症状、检查表现、病理生理机制及治疗方法选择之间的关系，始终是胃肠病学专家努力的方向。胃排空过缓和过速是胃动力异常的主要临床表现。对于各种类型的胃动力异常，尽管胃排空值只能提示而不能诊断某种疾病，但在排除器质性原因之后，明确外在症状和内在胃动力异常的关系对临床成功进行诊断和治疗均有很大帮助。食物从食道进入胃底到排出幽门是一个缓慢和复杂的过程，其间很容易受到各种因素的影响。单层电阻抗断层成像（EIT）方法用于胃排空检测提取的是胃部某一个层面的电特性信息，很难完整表达不同胃区在排空过程中的情况。本研究的三层EIT技术用于胃排空过程检测，可望提取食物排空过程中，胃不同部位的电特性变化规律，以获取更加丰富的与胃排空病理和生理状态相联系的胃动力功能信息。三层EIT胃排空测量可望为胃排空和胃动力检测与评价研究提供一种方便有效的无创图像检查手段，具有良好的应用前景。

利益冲突 无

（图4、5见插页2-4）

[1]Tang DM,Friedenberg FK.Gastroparesis:approach,diagnostic evaluation,and management[J].Dis Mon,2011,57(2):74-101.DOI: 10.1016/j.disamonth.2010.12.007.

[2]Marzio L,Falcucci M,Ciccaglione AF,et al.Relationship between gastric and gallbladder emptying and refilling in normal subjects and patientswith H-pylori-positiveand -negativeidiopathic dyspepsia and correlation with symptoms[J].Dig Dis Sci,1996,41(1): 26-31.DOI:10.1007/BF02208580.

[3]Ke MY,Sun XH,Wang ZF.Effects of three test-meal on transient lower esophageal sphincter relaxation(TLESR)in healthy subjects and mechanism of gastroesophageal reflux[J].Gastroenterology,2002, 122:A580.

[4]Aljarallah BM.Management of diabetic gastroparesis[J].Saudi J Gastroenterol,2011,17(2):97-104.DOI:10.4103/1319-3767.77237.

[5]李霞.糖尿病胃轻瘫的临床研究现状[J].辽东学院学报:自然科学版,2015,22(1):61-65.DOI:10.14168/j.issn.1673-4939.2015.01.14. Li X.Clinical research status of diabetic gastroparesis[J].Journal of Eastern Liaoning University:Natural Sciences,2015,22(1):61-65. DOI:10.14168/j.issn.1673-4939.2015.01.14.

[6]周晓颖,苏静,张国新.糖尿病胃肠动力障碍机制研究进展[J].国际消化病杂志,2013,33(6):373-375.DOI:10.3969/j.issn.1673-534X. 2013.06.005. Zhou XY,Su J,Zhang GX.Research progress of diabetes gastrointestinal barrier mechanism[J].Int J Dig Dis,2013,33(6): 373-375.DOI:10.3969/j.issn.1673-534X.2013.06.005.

[7]Miedema BW,Kelly KA,Camilleri M,et al.Human gastric and jejunal transit and motility afterRouxgastrojejunostomy[J]. Gastroenterology,1992,103(4):1133-1143.

[8]Parkman HP,Miller MA,Fisher RS.Role of nuclear medicine in evaluating patients with suspected gastrointestinal motility disorders [J].Semin Nucl Med,1995,25(4):289-305.DOI:10.1016/S0001-2998(95)80003-4.

[9]Szarka LA,Camilleri M.Methods for measurement of gastric motility [J].AmJPhysiolGastrointestLiverPhysiol,2009,296(3):G461-G475. DOI:10.1152/ajpgi.90467.2008.

[10]Jacoby J,Smith G,Eberhardt M,et al.Bedside ultrasound to determine prandial status[J].Am J Emerg Med,2003,21(3):216-219. DOI:10.1016/S0735-6757(02)42243-7.

[11]Huerta-Franco MR,Vargas-Luna M,Montes-Frausto JB,et al. Electrical bioimpedance and other techniques for gastric emptying and motility evaluation[J].World J Gastrointest Pathophysiol,2012, 3(1):10-18.DOI:10.4291/wjgp.v3.i1.10.

[12]任超世,王妍,赵舒.电阻抗断层成像与胃排空和胃动力检测[J].世界华人消化杂志,2008,16(8):799-805.DOI:10.3969/j.issn.1009-3079.2008.08.001. Ren CS,Wang Y,Zhao S.Electrical impedance tomography measuring gastric emptying and gastric motility[J].World Chin J Dig, 2008,16(8):799-805.DOI:10.3969/j.issn.1009-3079.2008.08.001.

[13]Holder DS.Electrical impedance tomography:methods,history and applications[M].London:IOP Publishing Ltd,2005.

Simulation research on gastric emptying measurement experiment by electrical impedance tomography with three-layer electrodes

Wang Lei,Zhao Shu,Deng Juan,Wang Yan,Sha Hong
Institute of Biomedical Engineering,Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College,Tianjin 300192,China Corresponding author:Sha Hong,Email:shahong2000@163.com

Objective To verify the effectiveness of electrical impedance tomography(EIT)with multi-layer electrodes in gastric emptying measurement by simulation experiments using EIT with three-layer electrodes. Methods Firstly,EIT system with three-layer electrodes and gastric emptying measurement simulation equipment was designed and constructed to simulate gastric emptying process and obtain EIT reconstruction images.Secondly, the region where the electrical characteristic of gastric changes was selected as region of interest.Finally,the relative impedance change rate in region of interest for every image obtained from all three layers was consecutively recorded, then the gastric emptying curve was formed and gastric emptying time was calculated.Results There are obvious differences among the sharp of impedance change curves of interested region for three layers,and the gastric emptying time and process of each layer is also different from one another.It is suggested that the passing path and emptying manner of food in gastric emptying process reflected by EIT images varied from layer to layer.Therefore,the necessity and feasibility of using EIT with three-layer electrodes in gastric emptying measurement study is verified. Conclusions EIT with three-layer electrodes can provide more abundant information of gastric motility function associated with gastric emptying pathology and physiology state.It is likely to be a noninvasive,convenient and effective imaging method for the detection and evaluation research on gastric emptying and gastric motility.

Electrical impedance tomography; Three-layer imaging; Gastric emptying; Simulation experiments

National Natural Science Foundation of China(81301288)

沙洪，Email：shahong2000@163.com

10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．02．009

国家自然科学基金（81301288）

2016-01-30）