电阻抗成像激励测量方式和成像方法研究

郑皓楠

(西北工业大学，陕西西安，710100)

0 引言

电阻抗成像是基于生物体组织在不同的生理、病理状况下的电阻抗（电导率、电阻率）分布差别较大，通过贴放在被测生物体表面的电极在生物体表面施加微小的激励电流或电压，在生物体组织内部产生微弱的电场，利用在体表测得的电压信号配合一定的成像算法以实现生物体组织内部电阻抗分布图像重构。电阻抗成像具有用途广泛，健康环保安全，经济可循环使用，快速便捷易用等优点。

国外在电阻抗成像技术领域相对比较成熟，已经从实验室转向了临床研究。较著名研究团队有：Sheffield Group(英国），侧重肺部成像；Oxford Group(英国）,侧重重建算法和自适应断层扫描硬件；Barcelong Group(西班牙），侧重硬件测量和图像重构。

国内在电阻抗成像技术领域起步较晚，目前研究尚处于实验室研究阶段。主要研究单位有：第四军医大学、重庆大学、天津大学、河北工业大学和中国医学科学院生物医学工程研究所等。研究领域主要集中在数据获取系统以及图像重构算法方面。

1 EIT系统

EIT系统主要有数据检测和重建算法两部分组成（如图1所示）。

图1 EIT系统构成

EIT系统的基本原理是通过多路开关向安装在被测生物体组织表面的电极注入安全激励信号，同时通过测量目标区域表面能够反映阻抗信息的电压信号，信号经过高精度的放大电路处理后，经相敏解调电路和A/D转换器进行信号恢复和数字化处理，最后计算机通过图像重构算法得到能够反映被测区域生物体组织电阻抗变化的图像。电阻抗数据检测系统的功能是采集生物体组织电阻抗及其变化的信息。图像重建根据电阻抗数据检测系统提供的生物体组织的电阻抗及其变化信息，采用相应的重建算法对生物体组织的电阻抗及其变化信息实现图像重建与显示功能[1]。

2 EIT系统激励模式

外部电压激励，外部电流测量的电压激励模式、外部电流激励，外部电压测量的电流激励模式是电阻抗成像技术最早采用的两种激励模式。由于生物体与贴放其表面的电极有电流通过时会产生接触阻抗这种固有的物理特性，外部电压激励，外部电流测量的电压激励模式无法克服这种固有的物理特性对电阻抗成像检测系统影响，另外生物体所能承受流经的激励电流是有安全边际的，即流经生物体的电流不能超过5mA,采用此模式时流经被测生物体的激励电流控制在5mA的安全范围内难度较大，临床应用时是不安全的。故电压激励模式在实际应用时有局限性。目前电阻抗成像检测系统多采用电流激励模式。因为此方式能很好地去除生物体与贴放于其表的电极产生的接触阻抗这一物理特性对电阻抗成像检测系统的影响，且重建生物体组织的电导率分布过程简单。此外流经生物体的电流控制在5mA的安全范围内相对容易。继上述两种激励模式之后，国外科研工作者开始探索利用感应电流激励模式的可行性。1993年，purvis首次提出了感应电流电阻抗成像（ICEIT)[2]。此成像技术就是利用感应电流激励模式，即在被测生物体组织的外围环绕数个导体线圈，注入电流后导体线圈周围会产生磁场，生物体组织內部由于磁场的激励而产生感应电流。测量生物体表面相临电极的电压差，并用此数据进行目标区域电导率图像重建[3]。所以感应电流激励模式与电压和电流激励模式在本质上有区别，是一种不完全接触式激励模式。优点是其电极仅测量输出电压，不用于电流驱动，在优化电极设计，提高信噪比上有很大优势[4]。缺点是测量导线受到磁场干扰而影响测量数据精度，但可通过调整激励导体线圈和测量导线位置去减小影响。

3 EIT系统测量方式

EIT系统中测量时电极对施加电流与电极对进行电压测量的方式称为激励测量方式，激励方式按激励信号输入电极的相对位置可分为相领激励方式、相间激励方式、相对激励方式[5]。如下图2所示以16电极为例分述测量方式相领激励测量方式（如图2a）：第一步，选择电极1和2作为施加激励的电极对向被测生物体区域内组织施加确保生物体安全的激励电流或电压，测量剩余13个电极对两两电极间13组电压数据。第二步，施加激励的电极对按顺时针方向移动到2和3，施加确保生物体安全的激励电流或电压，测量除施加激励电流的电极对外剩余13个电极对两两电极间13组电压数据。以此推算，完成一次测量能够获取208个电压数据，其中独立数据个数是104个。

图2 激励测量方式

相对激励测量方式(如图2b)：选择施加激励电流的电极对相差180°。第一步，选择电极1和9作为施加激励的电极对施加确保被测生物体安全的激励电流或电压，测量剩余12个电极对两两电极间12组电压数据。第二步，激励电极对按顺时针方向移动到2和10，施加激励电流，测量除施加激励电流的电极对以外的剩余12个电极对两两间12组电压数据。以此推算，完成一次测量能够获取192个电压数据，其中相互独立的数据只有一半。

相间激励测量方式（如图2c)选择施加激励电流的电极对测量剩余其它电极对两两间电压数据的方法与相对激励测量方式相同，不同的是相对激励测量方式选择施加激励电流的电极对在空间分布上是相对的（相差180°），而相间激励测量方式选择施加激励电流的电极在空间分布上是交叉的，这是两者的区别。

根据以上数据对比，相领激励测量方式在电极数量相同的条件下能够获得较多有效的相互独立的被测生物体组织內部的电压数据。目前电阻抗成像系统多采用此方式。缺点是对电极施加的激励电流在被测生物体组织上分布不均匀，被测生物体组织边缘电流密度大于中心密度，从而造成分辨率高低不一，边缘高，中间低，边缘灵敏度高于中间灵敏度。

相对激励测量方式优点是对电极施加的激励电流能更好的流经被测生物体组织中间位置，被测生物体组织中间比边缘成像效果好。缺点是该方式在电极数量相同的条件下能采集到生物体组织內部有效的电压测量数据较少。

相间激励测量方式在电阻抗成像应用方面研究不多，是否最优尚无结论。但是研究表明，不同的激励方式使用对象不同，对数据采集质量有影响，例如对肺部与脑部电阻抗成像做对比，相临激励方式更适合肺部成像，相间或相对激励方式较适合头部成像。

4 EIT成像方式

电阻抗成像本质就是求解逆问题，即已知边界电压求得被测生物体组织区域内电导率的分布。EIT图像重建算法采用数值法利用测量系统获得边界电压测量值，并将测量值与计算值经过反复迭代修正电导率，最终得到阻抗分布的近似值。电阻抗成像主要有动态式和静态式成像两种方式。

动态成像是利用采集到的被测生物体组织区域内当前时刻的电导率的数据与前一时刻采集到电导率数据相减差值来重建出一幅生物体组织两个时刻电导率差值分布，从而重建出一幅差分图像。动态电阻抗成像是利用采集到的当前时刻与前一时刻数据相减差值进行成像，这样电阻抗成像检测系统产生的干扰信号和噪声信号以及数据测量误差在相减时被去除，使得成像效果受上述因素影响不大。但临床应用时被测生物体组织的前一时刻数据无法获取，或获取到的当前时刻与前一时刻电导率信息数据一样，则它不能成像。其算法主要是反投影型算法[6]。众多动态成像算法中其最具特色。

静态成像是利用采集到的被测生物体组织内某时刻电导率的绝对值来重建出被测生物体组织该时刻电导率分布，从而重构出一幅绝对值图像。故静态成像重建的图像是以被测生物体组织电导率的绝对值为成像对象。静态成像在反问题的重建过程中存在严重不稳定性，这种不稳定性存在造成图像重建算法对测量数据中的噪声以及计算中的舍入误差特别敏感，因而有必要改进算法使数值的稳定性提高[7]。其算法主要是Newton类算法及其改进型[8]。

动态成像和静态成像技术特点对比如下:

（1）成像目标不同。动态电阻抗成像技术是对被测生物体组织前后时刻电导率变化成像，静态成像是对被测生物体组织当前时刻电导率的绝对值成像。

（2）成像算法不同。动态电阻抗成像仅需当前时刻相对前一时刻电导率信息变化量，因此所采集的信息数据量少，用相对简单线性求解即可，大大缩短了求解过程所用时间，能对被测生物体组织即时成像。

静态电阻抗成像技术反映被测生物体组织当前时刻电导率绝对值，所需获取信息数量较多，求解过程非常复杂，需采用非线性算法或者转化为多次迭代的线性重建算法，耗时较长，不能对被测生物体组织即时成像。

（3）成像质量不同。动态成像对被测生物体组织形态和测量电极安放没有特殊要求，从而减少由于数据采集误差对成象重构造成影响，成像质量稳定，但成像质量不高。

静态成像对被测生物体组织形态、测量电极安放、数据采集误差和干扰信号以及噪声信号、数学模型的构建都很敏感，因此成像分辨率不稳定，但成像效果好。

（4）检测系统要求不同。动态电阻抗成像信息获取系统与静态电阻抗成像信息获取系统在构成上没有太大差别，但要求不同。动态成像是利用当前时刻相对前一时刻电导率数据之差成像，对信息获取系统要求没有静态成像那样高。静态成像是对当前时刻电导率绝对值成像，对信息获取系统要求苛刻，要求高精度信息获取系统。

（5）使用范围不同。原则上被测生物体所有部位都适合静态成像，但动态成像仅适合被测生物体某些部位成像，使用范围有较大局限性。

5 总结

EIT技术是将被测生物体组织区域內部电导率分布作为成像目标，通过贴放于被测生物体表面若干数量的电极选用相应的激励测量方式向被测生物体组织施加激励电压或电流测量获取被测生物体组织內部数据信息，最后计算机通过成像算法得到能够反映被测区域生物体组织电导率变化的图像。

所以相应的激励测量方式，较高被测生物体组织区域的分辨率和抗干扰性能，能够获取更多有效的相互独立的信息分布获取系统对电阻抗成像系统非常重要。反过来，成像重构算法对电阻抗成像信息获取系统具有制约，不同的算法对信息获取系统有不同的要求且对电阻抗成像系统的抗干扰性和空间成像分辨率以及成效效果好坏有不同程度的影响。总之电阻抗成像系统必须具有高的检测灵敏度和性噪比，有足够的空间分辨率和阻抗分辨率[9]。

因此精度高、速度快且能最大程度减少干扰信号和噪声信号影响实现即时成像的电阻抗成像系统是当前科研努力的方向，相信在国内广大科研工作者的努力下，电阻抗成像技术由实验室到临床应用不会遥远。