生物电阻抗断层成象研究的几个关键问题
作者：董秀珍
单位：第四军医大学生物医学工程系,陕西 西安 710032
关键词：电阻抗，生物；体层摄影术，电阻抗
心脏杂志000518摘 要 电阻抗断层成象是一种新的成象技术，在临床图象监护和功能成象方面有很好的应用前景(无创、简单、容易应用等)。本文作者在生物电阻抗断层成象基本原理的基础上，介绍目前研究中的一些关键问题，并进性了讨论。
中图分类号：R445 文献标识码：A
文章编号：1005-3271(2000)05-0392-03
1 概述
医学成像技术已成为一项重要的检查诊断手段，目前使用的成像技术有：X线CT、核磁共振、SPECT等，都为疾病的诊断提供了有效手段。但是目前应用的成像技术有的费用太昂贵，加重了社会的负担，有的应用范围有限，并对人体有一定的损害，因此探索价廉物美的医学成像技术是生物医学工程界的一个研究热点，电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography， EIT)就是其中之一。
, 百拇医药
EIT是根据人体内不同组织具有不同的电阻抗这一物理原理，通过给人体注入小的安全电流,测量体表的电位来重建人体内部的电阻抗分布图像。该技术具有很多优势。既往研究表明某些人体组织的生理功能变化能引起组织阻抗的变化(如：组织充血和放电等)，某些组织病理改变也能引起组织阻抗的变化(如癌变等)，这些信息将会在EIT图像中体现出来。所以EIT具有功能成象的性质。该技术对人体无创无害，系统结构简单，测量简便，在对于患者长期的图像监护这方面具有广泛的应用前景，这些是目前多数临床成像手段难以做到的。同时该设备造价低、检测费用也低的特点非常适合进行广泛的医疗普查，正是这些前景吸引了一批学者对其进行研究。 欧洲、北美、前苏联等地区有许多研究小组在进行这方面的工作。欧洲已建立了欧洲EIT统一行动组织来组织和协调EIT研究工作。EIT技术在国内起步较晚，重庆大学、中国医学科学院生物医学工程研究所、第四军医大学(从1993年起步)等单位在进行EIT方面的研究。
2 EIT研究的几个关键问题
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2.1 静态EIT与动态EIT及重构算法 目前，电阻抗断层成像技术主要可分为两种，一种以电阻抗分布的绝对值为成像目标，称为静态EIT；另一种是以电阻抗分布的相对值(差别)为成像目标，被称为动态EIT。 无论是静态EIT还是动态EIT，首先要对成像区域的阻抗分布信息进行测量。考虑到临床无创测量及安全的要求，目前均采用体表激励体表测量技术。如图1所示，在体表施加恒流交流激励，从体表不同测量电极上测到的电压信号幅值和相位与成像区域的等效阻抗有直接关系。采用解调技术可解调出被测信号中反映成像区域阻抗分布的部分信息。分别改变激励和测量电极的位置，可以得到一组这样的体表测量数据D1；在成像区域内的阻抗分布发生改变后，另外测得一组数据D2，则相对变化量数据组D =(D2-D1)/ D1在一定程度上反映了两次测量中阻抗分布的变化情况，对D进行图像重构便可得到成像区域内阻抗变化的图像，这是动态EIT的基本原理。
图1 EIT体表激励、测量示意图
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静态EIT，直接对D1或D2成像，得到反映成像区域阻抗绝对分布的图像。因它直接使用每组数据进行成像，故对每个测量数据的绝对精度要求苛刻，其成像结果受测量信号中的噪声、干扰、电路的失调及漂移、系统误差、电极绝对位置等诸多因素影响，所以静态EIT在实现上比较困难。相对而言，动态EIT对测量数据进行了相对化处理，只对测量数据的相对精度有一定要求，其成像结果仅对测量信号中的噪声、干扰、漂移等随机测量误差较为敏感，而这些因素较易从电路设计和数据采集方法上得到改善，因而动态EIT相对易于实现。
在以人体阻抗的绝对值为成像目标的静态EIT方面，以Webster为首的美国Wisconson-Medison大学的EIT研究小组的工作具有代表性。七十年代末，该小组就开始进行这方面的初步研究。但由于算法的复杂性及对系统精度要求苛刻，实际成像困难，目前仅处于实验室研究阶段。静态EIT技术的重构算法主要有Yorkey提出的修正的Newton-Raphson法、Kin提出的扰动法、Wexler提出的双限定法以及Murai提出的敏感性法等。静态EIT技术的重构算法主要有Yorkey提出的修正的Newton-Raphson法、Kin提出的扰动法、Wexler提出的双限定法以及Murai提出的敏感性法等。由于动态 EIT 技术是对电阻(导)率分布的变化值成像，使用测量数据的差值，减少了测量的系统误差；而且，它所反映的阻抗变化是相对变化，而不需要确切的数值，降低了对整个系统的要求，使该技术更容易实现。如今所报道的成像系统主要包括英国、法国、德国、土耳其、加拿大、前苏联和日本等。其中以英国Sheffield大学Barber和Brown为首的研究工作最具代表性。他们在八十年代就开始了这方面的研究，建立了初步的EIT成像系统并进行不断的改进。1995年该小组成员Smith等报导了他们建立的最新动态EIT实时系统。系统采用16电极，成像速度25帧/s。该系统已在英国皇家Hallamshire医院进行临床应用研究，其功能成像和图像监护的特点已被证明。在胃酸分泌、脑血流变化等方面，EIT成像得到了初步的结果。在形态学方面，得到肺、心脏、胃、大脑等不同部位的EIT成像，但由于采集目标的信息量较少且动态范围大，采集和计算中又存在一定的误差，所得到的图像空间分辨率还不令人满意。动态EIT技术的重构算法主要有Barber等提出等位线反投影算法、Meeson等提出的谱展开法、Zadehkoochak提出的算法和我们小组提出的广义逆法。
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目前就动态EIT的研究进展较静态EIT研究进展快，但是由于其重构理论方面的缺陷(从算法上讲, 目前采用的动态EIT重构算法大都不是经过严格推导得出来的，它们原本在理论推导上就存在缺陷，自然难以保证结果的准确性。)，使成像质量不高，必须在动态成像重构理论及算法方面进一步研究提高理论上的准确性，才能使动态EIT研究向实用阶段迈进。静态EIT的图象重构算法虽然在理论上行得通，但由于对精度以及计算机资源要求太高，目前实际应用时难以实现，但随着电子技术、计算机技术的发展，也是有希望的。总之，研究一种严格、快速而实用的算法成为当前EIT研究领域主要的目标之一。
2.2 EIT的激励测量模式 一个完整的EIT成像系统由数据测量系统(Data Measurement System, DMS)及图像重构软件两大部分组成。数据测量系统的作用就是在正弦激励下从体表测量中解调出反映体内阻抗分布的电信号，经A/D及数据处理后为阻抗图像重构算法提供高精度的数据。EIT系统的总体结构如图2所示。其中，激励源的作用是产生对人体安全的正弦激励并以一定的激励模式施加于激励电极上；测量系统的测量电极以一定测量模式获取正弦激励下的体表电信号。而这种电极的数量与形状结构、电极与人体接触的方式、激励源与电极之间的连接方式、从电极上获得信号的方式等统称为激励测量模式。Sheffield大学Brown等采用临近驱动、临近测量模式，美国纽约Rensselaer Polytechnic Institute 的Cook及Newell等于1988年建立了基于物理模型的激励电流自适应硬件系统(Adaptive Current Tomography, ACT2)。32个电流源均可在计算机控制下产生任意极性及幅值在0～5 mA间的激励电流。激励模式从临近、对向、三角到自适应模式可任意设置，1991年Ping Hua, Webster等基于直径30cm圆柱形物理模型建立了32通道并行最优激励电流硬件系统，32通道激励电流在每次图像迭代重构后都重新计算及校正，以得到最优电流激励模式(Optimal Current Pattern)。近几年有学者从事感应电流(Induced-current EIT)激励模式的研究，即采用外围线圈交流激励、在体内产生感应电流、从体表测量感应电压的方式。这方面的研究以英国Sheffield大学的Anderson和Freeston及土耳其Ankara Middle East Technical 大学的Gencer为代表。从整体结构上，EIT的激励测量系统经历了三个阶段：由最初的串行激励、串行测量模式，发展到90年代初期的串行激励、并行测量模式，直至近几年的并行激励、并行测量模式，非接触的激励模式等。EIT的激励测量模式的研究是非常重要的，它决定获取的有效信息的数量与质量，关系到EIT技术能否过度到临床应用的关键问题，但是到目前为止对
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此问题进行研究的深度还不够，这是要引起注意的问题。
2.3 EIT的数据测量系统
激励测量模式确定之后，数据测量系统就是提高信息质量的关键技术问题。测量系统主要由高稳定性的交流激励源、高精度的测量电路、相应控制电路及计算机系统组成。其中，激励源的作用是产生对人体安全的正弦激励并以一定的激励模式施加于激励电极上；测量系统的主要功能是从测量电极以一定测量模式获取正弦激励下的体表电信号，经高精度放大后采用解调技术提取反映成像目标内阻抗分布信息，供算法重构阻抗图像应用；控制电路作为计算机与激励源及测量电路间的接口电路，主要负责激励源及测量电路的参数及模式设置，以及校正和定标等功能；计算机主要进行总体控制、数据处理、图像重构、图像显示等功能。
图 2 EIT系统框图
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英国Sheffield大学Brown等与1987年首先建立并报道了第一个完整的EIT硬件系统(Mark I)。激励源采用直接数字合成(DDS)及V/I变换技术实现恒流正弦激励，相敏模拟解调后由归一化定标电路对信号进行动态压缩，最后经12位AD转换得到反映阻抗实部信息的104个独立测量数据，用于图像重构。该系统采用了变压器隔离、屏蔽驱动、动态范围压缩等技术，使系统达到0.29%的精度及每秒10组数据的测量速度。1995年Smith及Brown等在Mark I的基础上建立了第一个实时的供临床基础研究用的Mark II 系统，有16个Ag-AgCl电极，采用20 KHz 5 mA p-p恒流激励、16通道并行测量、程控增益放大、数值相敏检测(DPSD)、共模负反馈、数据校正等措施，使系统成像速度达到25帧/s、测量精度优于0.1%，测量电路CMRR>60 dB, SNR>60 dB。以此硬件系统为基础，该研究小组采用等位线反投影图像重构算法，以阻抗的相对变化量为成像目标，建立了实时的动态EIT成像系统，用于人体胸腔得到了实时成像结果，并已在英国皇家Hallamshire医院用于临床基础研究。我们研究小组也建立了基于物理模型的32电极测量系统。
随着微电子技术的迅速发展，只要EIT技术的图象重构理论以及激励测量模式研究解决的比较好，那么数据测量系统不会是影响EIT技术发展的主要因素。总之，EIT的重构理论和算法、激励测量模式、数据测量系统是研究EIT技术的关键问题。
(收稿 1999-11-24), 百拇医药
单位：第四军医大学生物医学工程系,陕西 西安 710032
关键词：电阻抗，生物；体层摄影术，电阻抗
心脏杂志000518摘 要 电阻抗断层成象是一种新的成象技术，在临床图象监护和功能成象方面有很好的应用前景(无创、简单、容易应用等)。本文作者在生物电阻抗断层成象基本原理的基础上，介绍目前研究中的一些关键问题，并进性了讨论。
中图分类号：R445 文献标识码：A
文章编号：1005-3271(2000)05-0392-03
1 概述
医学成像技术已成为一项重要的检查诊断手段，目前使用的成像技术有：X线CT、核磁共振、SPECT等，都为疾病的诊断提供了有效手段。但是目前应用的成像技术有的费用太昂贵，加重了社会的负担，有的应用范围有限，并对人体有一定的损害，因此探索价廉物美的医学成像技术是生物医学工程界的一个研究热点，电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography， EIT)就是其中之一。
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EIT是根据人体内不同组织具有不同的电阻抗这一物理原理，通过给人体注入小的安全电流,测量体表的电位来重建人体内部的电阻抗分布图像。该技术具有很多优势。既往研究表明某些人体组织的生理功能变化能引起组织阻抗的变化(如：组织充血和放电等)，某些组织病理改变也能引起组织阻抗的变化(如癌变等)，这些信息将会在EIT图像中体现出来。所以EIT具有功能成象的性质。该技术对人体无创无害，系统结构简单，测量简便，在对于患者长期的图像监护这方面具有广泛的应用前景，这些是目前多数临床成像手段难以做到的。同时该设备造价低、检测费用也低的特点非常适合进行广泛的医疗普查，正是这些前景吸引了一批学者对其进行研究。 欧洲、北美、前苏联等地区有许多研究小组在进行这方面的工作。欧洲已建立了欧洲EIT统一行动组织来组织和协调EIT研究工作。EIT技术在国内起步较晚，重庆大学、中国医学科学院生物医学工程研究所、第四军医大学(从1993年起步)等单位在进行EIT方面的研究。
2 EIT研究的几个关键问题
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2.1 静态EIT与动态EIT及重构算法 目前，电阻抗断层成像技术主要可分为两种，一种以电阻抗分布的绝对值为成像目标，称为静态EIT；另一种是以电阻抗分布的相对值(差别)为成像目标，被称为动态EIT。 无论是静态EIT还是动态EIT，首先要对成像区域的阻抗分布信息进行测量。考虑到临床无创测量及安全的要求，目前均采用体表激励体表测量技术。如图1所示，在体表施加恒流交流激励，从体表不同测量电极上测到的电压信号幅值和相位与成像区域的等效阻抗有直接关系。采用解调技术可解调出被测信号中反映成像区域阻抗分布的部分信息。分别改变激励和测量电极的位置，可以得到一组这样的体表测量数据D1；在成像区域内的阻抗分布发生改变后，另外测得一组数据D2，则相对变化量数据组D =(D2-D1)/ D1在一定程度上反映了两次测量中阻抗分布的变化情况，对D进行图像重构便可得到成像区域内阻抗变化的图像，这是动态EIT的基本原理。
图1 EIT体表激励、测量示意图
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静态EIT，直接对D1或D2成像，得到反映成像区域阻抗绝对分布的图像。因它直接使用每组数据进行成像，故对每个测量数据的绝对精度要求苛刻，其成像结果受测量信号中的噪声、干扰、电路的失调及漂移、系统误差、电极绝对位置等诸多因素影响，所以静态EIT在实现上比较困难。相对而言，动态EIT对测量数据进行了相对化处理，只对测量数据的相对精度有一定要求，其成像结果仅对测量信号中的噪声、干扰、漂移等随机测量误差较为敏感，而这些因素较易从电路设计和数据采集方法上得到改善，因而动态EIT相对易于实现。
在以人体阻抗的绝对值为成像目标的静态EIT方面，以Webster为首的美国Wisconson-Medison大学的EIT研究小组的工作具有代表性。七十年代末，该小组就开始进行这方面的初步研究。但由于算法的复杂性及对系统精度要求苛刻，实际成像困难，目前仅处于实验室研究阶段。静态EIT技术的重构算法主要有Yorkey提出的修正的Newton-Raphson法、Kin提出的扰动法、Wexler提出的双限定法以及Murai提出的敏感性法等。静态EIT技术的重构算法主要有Yorkey提出的修正的Newton-Raphson法、Kin提出的扰动法、Wexler提出的双限定法以及Murai提出的敏感性法等。由于动态 EIT 技术是对电阻(导)率分布的变化值成像，使用测量数据的差值，减少了测量的系统误差；而且，它所反映的阻抗变化是相对变化，而不需要确切的数值，降低了对整个系统的要求，使该技术更容易实现。如今所报道的成像系统主要包括英国、法国、德国、土耳其、加拿大、前苏联和日本等。其中以英国Sheffield大学Barber和Brown为首的研究工作最具代表性。他们在八十年代就开始了这方面的研究，建立了初步的EIT成像系统并进行不断的改进。1995年该小组成员Smith等报导了他们建立的最新动态EIT实时系统。系统采用16电极，成像速度25帧/s。该系统已在英国皇家Hallamshire医院进行临床应用研究，其功能成像和图像监护的特点已被证明。在胃酸分泌、脑血流变化等方面，EIT成像得到了初步的结果。在形态学方面，得到肺、心脏、胃、大脑等不同部位的EIT成像，但由于采集目标的信息量较少且动态范围大，采集和计算中又存在一定的误差，所得到的图像空间分辨率还不令人满意。动态EIT技术的重构算法主要有Barber等提出等位线反投影算法、Meeson等提出的谱展开法、Zadehkoochak提出的算法和我们小组提出的广义逆法。
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目前就动态EIT的研究进展较静态EIT研究进展快，但是由于其重构理论方面的缺陷(从算法上讲, 目前采用的动态EIT重构算法大都不是经过严格推导得出来的，它们原本在理论推导上就存在缺陷，自然难以保证结果的准确性。)，使成像质量不高，必须在动态成像重构理论及算法方面进一步研究提高理论上的准确性，才能使动态EIT研究向实用阶段迈进。静态EIT的图象重构算法虽然在理论上行得通，但由于对精度以及计算机资源要求太高，目前实际应用时难以实现，但随着电子技术、计算机技术的发展，也是有希望的。总之，研究一种严格、快速而实用的算法成为当前EIT研究领域主要的目标之一。
2.2 EIT的激励测量模式 一个完整的EIT成像系统由数据测量系统(Data Measurement System, DMS)及图像重构软件两大部分组成。数据测量系统的作用就是在正弦激励下从体表测量中解调出反映体内阻抗分布的电信号，经A/D及数据处理后为阻抗图像重构算法提供高精度的数据。EIT系统的总体结构如图2所示。其中，激励源的作用是产生对人体安全的正弦激励并以一定的激励模式施加于激励电极上；测量系统的测量电极以一定测量模式获取正弦激励下的体表电信号。而这种电极的数量与形状结构、电极与人体接触的方式、激励源与电极之间的连接方式、从电极上获得信号的方式等统称为激励测量模式。Sheffield大学Brown等采用临近驱动、临近测量模式，美国纽约Rensselaer Polytechnic Institute 的Cook及Newell等于1988年建立了基于物理模型的激励电流自适应硬件系统(Adaptive Current Tomography, ACT2)。32个电流源均可在计算机控制下产生任意极性及幅值在0～5 mA间的激励电流。激励模式从临近、对向、三角到自适应模式可任意设置，1991年Ping Hua, Webster等基于直径30cm圆柱形物理模型建立了32通道并行最优激励电流硬件系统，32通道激励电流在每次图像迭代重构后都重新计算及校正，以得到最优电流激励模式(Optimal Current Pattern)。近几年有学者从事感应电流(Induced-current EIT)激励模式的研究，即采用外围线圈交流激励、在体内产生感应电流、从体表测量感应电压的方式。这方面的研究以英国Sheffield大学的Anderson和Freeston及土耳其Ankara Middle East Technical 大学的Gencer为代表。从整体结构上，EIT的激励测量系统经历了三个阶段：由最初的串行激励、串行测量模式，发展到90年代初期的串行激励、并行测量模式，直至近几年的并行激励、并行测量模式，非接触的激励模式等。EIT的激励测量模式的研究是非常重要的，它决定获取的有效信息的数量与质量，关系到EIT技术能否过度到临床应用的关键问题，但是到目前为止对
, 百拇医药
此问题进行研究的深度还不够，这是要引起注意的问题。
2.3 EIT的数据测量系统
激励测量模式确定之后，数据测量系统就是提高信息质量的关键技术问题。测量系统主要由高稳定性的交流激励源、高精度的测量电路、相应控制电路及计算机系统组成。其中，激励源的作用是产生对人体安全的正弦激励并以一定的激励模式施加于激励电极上；测量系统的主要功能是从测量电极以一定测量模式获取正弦激励下的体表电信号，经高精度放大后采用解调技术提取反映成像目标内阻抗分布信息，供算法重构阻抗图像应用；控制电路作为计算机与激励源及测量电路间的接口电路，主要负责激励源及测量电路的参数及模式设置，以及校正和定标等功能；计算机主要进行总体控制、数据处理、图像重构、图像显示等功能。
图 2 EIT系统框图
, http://www.100md.com
英国Sheffield大学Brown等与1987年首先建立并报道了第一个完整的EIT硬件系统(Mark I)。激励源采用直接数字合成(DDS)及V/I变换技术实现恒流正弦激励，相敏模拟解调后由归一化定标电路对信号进行动态压缩，最后经12位AD转换得到反映阻抗实部信息的104个独立测量数据，用于图像重构。该系统采用了变压器隔离、屏蔽驱动、动态范围压缩等技术，使系统达到0.29%的精度及每秒10组数据的测量速度。1995年Smith及Brown等在Mark I的基础上建立了第一个实时的供临床基础研究用的Mark II 系统，有16个Ag-AgCl电极，采用20 KHz 5 mA p-p恒流激励、16通道并行测量、程控增益放大、数值相敏检测(DPSD)、共模负反馈、数据校正等措施，使系统成像速度达到25帧/s、测量精度优于0.1%，测量电路CMRR>60 dB, SNR>60 dB。以此硬件系统为基础，该研究小组采用等位线反投影图像重构算法，以阻抗的相对变化量为成像目标，建立了实时的动态EIT成像系统，用于人体胸腔得到了实时成像结果，并已在英国皇家Hallamshire医院用于临床基础研究。我们研究小组也建立了基于物理模型的32电极测量系统。
随着微电子技术的迅速发展，只要EIT技术的图象重构理论以及激励测量模式研究解决的比较好，那么数据测量系统不会是影响EIT技术发展的主要因素。总之，EIT的重构理论和算法、激励测量模式、数据测量系统是研究EIT技术的关键问题。
(收稿 1999-11-24), 百拇医药