生物组织复电阻抗频谱测量及电阻抗断层成像系统的研究
作者：付峰
单位：第四军医大学生理学教研室,陕西 西安 710032
关键词：电阻抗;频谱;测量;成像
心脏杂志000417摘 要:作者在离体时间对复阻抗频谱的影响、在体组织复阻抗频谱测量以及血细胞压积对血液复阻抗频谱的影响、静态电阻抗断层成像(EIT)重构算法、实时EIT系统及其成像等方面进行了探索性研究,通过以上研究进一步证实了阻抗方法在医学研究中的重要性,并得到了如下提示性结论:①在体动物组织缺血后短期内复阻抗频谱发生的变化主要原因可能在于缺血引起的细胞外液成分的变化;②离体动物组织复阻抗频谱随离体时间发生的变化主要可能是由于细胞膜活性的改变引起,其机制有待进一步深入研究;③血液中血细胞含量是血液复阻抗频谱特性变化的主要原因,血细胞含量越高,复阻抗实部越大,虚部最大值也越大;血液的特征频率与血细胞含量基本无关,从而提示这一特性与血细胞自身活性及状态有关;④EIT方法为一种观察微小阻抗分布扰动的敏感方法,初步的成像实验提示这一成像方法可以被用来诊断血流异常的病变,并能被用于长时间图像监护。
, 百拇医药
中图分类号:R445 文献标识码:A 文章编号：1005-3271(2000)04-0298-03
Bio-impedance spectra measurement and systematic research on electrical impedance tomography
FU Feng ZANG Yi-min DONG Xiu-zhen ZHU Miao-zhang
(Department of Physiology,Fourth Military University,Xi′an 710032,Shaanxi,China)
Abstract:Our main work focused on the bio-impedance spectra measurements and real-time EIT. The influences of excise time and haematocrit on impedance spectra were observed. A real-time electrical impedance tomography was implemented. Our research suggested that: ①The main reason of variations in impedance spectra of ischematic tissue in vivo is that,the content of extra-cellular suspension change arose by ischemia; ②The main reason of variation in impedance spectra of tissue in vitro is that,the activity of membrane of cell; ③The content of cell in blood is the main cause of blood impedance spectra,the more cells in blood the higher the real part and imaginary part of tissue impedance;The characteristic frequency have no relationship with the content of blood cell,this implied that this characteristic only concerned with the activity state of blood cells; ④EIT is a sensitive method to observe variation of impedance distribution . This method can be used to diagnosis abnormal of blood flow,and can also be used in long time tending.
, 百拇医药
Key words:electrical impedance;spectra;measurement;imaging
1 研究目的及意义
电阻抗断层成像(EIT)是对人体施加无伤害的电信号,通过体表测量其响应信号,根据驱动、响应信号的关系,用一定的重构算法得到人体内部的电阻抗或其变化的分布。EIT具有无损伤、低成本、功能成像等特点,这些特点对临床诊断极具吸引力。由于EIT技术含量高,目前国际上只有为数不多的几个研究组建立了自己的EIT实验系统[1],而在国内这一领域的研究才刚刚起步。本研究致力于实现国内首套实时EIT系统,利用这一系统进行有关物理模型、离体动物组织、器官的成像实验,进一步证实EIT技术在临床诊断中潜在的应用价值。
生物组织的复电阻抗随外加驱动电流的频率变化,它的实、虚部会发生相应变化,而对于不同的组织这种变化表现形式有较大的差异,这种特性被称之为复电阻抗频谱特性(Impedance spectra)[2]。生物组织电阻抗频谱特性的测量是EIT技术的基础。由于生物组织复阻抗频谱与其生理、病理状态密切相关,因而精确地测量这一特性不但能为EIT技术提供充分的理论依据,更重要的是有可能通过分析生物组织复阻抗频谱特性,进而了解被测组织的活性及状态。
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2 主要研究方法与内容
①建立基于4电极阻抗测量方法的动物组织复阻抗实验频谱测量系统,该系统能在100 Hz到10 MHz频段内准确测量动物组织复阻抗频谱特性,测量频率点50个,从100 Hz以对数均匀递增,每组测量时间30～50 s。②测量离体骨骼肌、肝、肾、脾、肺、心肌等组织从100 Hz～10 MHz的复阻抗频谱特性。③测量在体骨骼肌、肝组织从100 Hz～10 MHz的复阻抗频谱特性,并观察了两种组织缺血前后复阻抗频谱的变化。④测量血液从100 Hz～10 MHz的复阻抗频谱,并采用自身血浆稀释的方法配制得到血细胞压积不同的血液(血浆与原血液比分别为2/8,2.5/7.5,3/7,4/6,5/5),并分别测量它们的复阻抗频谱特性。⑤对上述测量结果进行特征参数计算,结合Cole-Cole模型分析各组织复阻抗频谱的特点及影响因素。⑥EIT算法的研究,结合EIT问题的电场理论基础、EIT的正向问题求解、修正的Newton-Raphson阻抗重构算法,建立了静态EIT算法软件模拟系统,着重分析，讨论EIT的有关基础理论和静态EIT重构算法的性能。⑦建立基于32电极的实时EIT系统。⑧利用上述EIT系统进行物理模型成像,分析、评价系统性能。⑨利用上述EIT系统进行离体器官成像,建立离体心脏充盈模型用以进行动态EIT成像,建立离体胃充盈模型用以动态EIT成像。
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3 主要研究结果
①在国内首次建立了一套动物组织复阻抗频谱特性的测量方法及测量系统,该方法能在100 Hz～10 MHz频段内精确测量部分离体组织、在体组织及血液的复阻抗频谱特性,在30～45 s内可以得到被测量组织复阻抗的实部、虚部、相位等参数随驱动电流频率变化而发生的改变。这一方法的实现为今后进一步研究生物组织电特性打下了一个很好的基础。②测量结果表明,动物组织复阻抗随驱动电流频率的变化发生显著的改变:动物组织复阻抗随驱动电流频率的增加,其实部从低频电阻R0,降低至高频电阻R∞,在中频段10～100 kHz变化最为显著;复阻抗的虚部经历了从零到最大值又到零的过程,虚部在低频段几kHz以下几乎不表现出来,从几kHz起虚部值开始增大,达到其最大值后开始减小,在1 MHz处开始趋近于零。③不同的组织,其复阻抗频谱特性表现出较大的差异,被测离体组织,除心肌和肾脏组织的复阻抗频谱较为接近外，其它各组织间均有显著性差异，这种差别可以由它们复阻抗频谱的Cole-Cole图直接观察到。组织间的差别也反映在它们复阻抗持征参数中,可以计算得到不同离体组织的特征频率(fc)、低频电阻(R0，Ω)、高频电阻(R∞，Ω)。离体40 min时,犬的骨骼肌fc约为100 kHz,R0为160.0±21.4,R∞为14.0±4.6;犬的肝组织fc约为20 kHz,R0为570.0±92.7,R∞为15.0±5.7;犬的脾组织fc约为31.6 kHz,R0为468.0±76.1,R∞为9.0±3.5;犬的肾组织fc约为39.8 kHz,R0为370.0±43.2,R∞为7.0±2.5;犬的心肌fc约为25.1 kHz,R0为384.0±51.0,R∞为5.7±2.0;犬的肺组织fc约为31.6 kHz,R0为390.0±97.9,R∞为2.4±1.3。④分别在离体5,15,30,60和90 min时,测量动物组织的复组织频谱。结果表明:随离体时间延长,低频电阻显著增加;复阻抗虚部值增大;特征频率向高频段移动。⑤分别观察了部分在体组织(骨骼肌、肝、脾)在缺血前后复阻抗频谱的变化。结果表明:缺血后,在体组织复阻抗实部显著增大;虚部在中、低频段(10～100 kHz)显著增加;特征频率降低,但并不显著。造成这一系列变化的主要原因是缺血引起的细胞外液成分发生了改变。⑥血液复阻抗测量结果显示:血液复阻抗的实部在低于100 kHz的中、低频段基本稳定不变,在100 kHz以上实部开始衰减,并逐步接近血浆的纯电阻值(直流情况下的电阻抗);虚部在低频段接近于0,在中、高频段变化显著,先经历一个逐步增大的过程,在500 kHz左右达到最大值,随后开始衰减,在3 MHz以上基本不表现;血液复阻抗频谱特性与血液中血细胞含量密切相关,血液中血细胞含量的多少决定着复阻抗实、虚部的大小,血细胞含量越高,复阻抗虚部值越大,实部值也越大。⑦静态EIT成像算法研究表明Newton-Raphson算法为一种高精度、高阻抗分辨率并具有良好抗噪性能的EIT阻抗重构算法,但这一算法对初始阻抗分布非常敏感,算法复杂,重构时间较长,目前尚不具备利用这一算法进行实时EIT成像的可能性。⑧在国内首次建立实时EIT系统,该系统基于32电极,重构算法采用动态EIT算法中的加权等电位线反投影法。系统采用单驱动电流、多路开关转换。测量部分采用实部解调,前级使用PGA降低被测信号的动态范围,信号采集使用12位的高速A/D以DMA方式采集。软件部分基于32 位Windows,提供实时数据采集、监控接口,显示部分提供灰阶调整功能,便于观察EIT图像中的感兴趣区。初步成像结果显示:该系统可达5 mm的分辨率,对阻抗分布的变化非常敏感,在目前的硬件系统上,成像速度可达到0.3帧/s,而这一速度会随着测量系统的改进得到显著提高。⑨点滴生理盐水成像结果表明,本系统对阻抗分布的扰动非常敏感;对离体心脏充盈模型和胃充盈模型的成像结果充分表明EIT技术可以被用于动态观察腔体器官的充盈、排空情况。
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参考文献:
[1] Barber DC,Seagar AD. Fast reconstruction of resistance images[J]. Clin Phys Physiol Meas,1987,8(Suppl A):47.
[2] Panescu D,Cohen KP,Webster JG,et al. The mosaic electrical characteristics of the skin,IEEE TRans[J]. BME,1993,40(5):434.
[3] McAdams ET,Jossinet J. Tissue impedance:a historical overview[J]. Physiol Meas,1995,16(Suppl 3A):A1.
[4] Goovaerts HG,Faes TJC,Roo GWV. Extra-cellular volume estimation by electrical impedancephase measurement or curve fitting:a comparative study[J]. Physiol Meas,1998,19(4):517.
(收稿 1999-06-19), 百拇医药
单位：第四军医大学生理学教研室,陕西 西安 710032
关键词：电阻抗;频谱;测量;成像
心脏杂志000417摘 要:作者在离体时间对复阻抗频谱的影响、在体组织复阻抗频谱测量以及血细胞压积对血液复阻抗频谱的影响、静态电阻抗断层成像(EIT)重构算法、实时EIT系统及其成像等方面进行了探索性研究,通过以上研究进一步证实了阻抗方法在医学研究中的重要性,并得到了如下提示性结论:①在体动物组织缺血后短期内复阻抗频谱发生的变化主要原因可能在于缺血引起的细胞外液成分的变化;②离体动物组织复阻抗频谱随离体时间发生的变化主要可能是由于细胞膜活性的改变引起,其机制有待进一步深入研究;③血液中血细胞含量是血液复阻抗频谱特性变化的主要原因,血细胞含量越高,复阻抗实部越大,虚部最大值也越大;血液的特征频率与血细胞含量基本无关,从而提示这一特性与血细胞自身活性及状态有关;④EIT方法为一种观察微小阻抗分布扰动的敏感方法,初步的成像实验提示这一成像方法可以被用来诊断血流异常的病变,并能被用于长时间图像监护。
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中图分类号:R445 文献标识码:A 文章编号：1005-3271(2000)04-0298-03
Bio-impedance spectra measurement and systematic research on electrical impedance tomography
FU Feng ZANG Yi-min DONG Xiu-zhen ZHU Miao-zhang
(Department of Physiology,Fourth Military University,Xi′an 710032,Shaanxi,China)
Abstract:Our main work focused on the bio-impedance spectra measurements and real-time EIT. The influences of excise time and haematocrit on impedance spectra were observed. A real-time electrical impedance tomography was implemented. Our research suggested that: ①The main reason of variations in impedance spectra of ischematic tissue in vivo is that,the content of extra-cellular suspension change arose by ischemia; ②The main reason of variation in impedance spectra of tissue in vitro is that,the activity of membrane of cell; ③The content of cell in blood is the main cause of blood impedance spectra,the more cells in blood the higher the real part and imaginary part of tissue impedance;The characteristic frequency have no relationship with the content of blood cell,this implied that this characteristic only concerned with the activity state of blood cells; ④EIT is a sensitive method to observe variation of impedance distribution . This method can be used to diagnosis abnormal of blood flow,and can also be used in long time tending.
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Key words:electrical impedance;spectra;measurement;imaging
1 研究目的及意义
电阻抗断层成像(EIT)是对人体施加无伤害的电信号,通过体表测量其响应信号,根据驱动、响应信号的关系,用一定的重构算法得到人体内部的电阻抗或其变化的分布。EIT具有无损伤、低成本、功能成像等特点,这些特点对临床诊断极具吸引力。由于EIT技术含量高,目前国际上只有为数不多的几个研究组建立了自己的EIT实验系统[1],而在国内这一领域的研究才刚刚起步。本研究致力于实现国内首套实时EIT系统,利用这一系统进行有关物理模型、离体动物组织、器官的成像实验,进一步证实EIT技术在临床诊断中潜在的应用价值。
生物组织的复电阻抗随外加驱动电流的频率变化,它的实、虚部会发生相应变化,而对于不同的组织这种变化表现形式有较大的差异,这种特性被称之为复电阻抗频谱特性(Impedance spectra)[2]。生物组织电阻抗频谱特性的测量是EIT技术的基础。由于生物组织复阻抗频谱与其生理、病理状态密切相关,因而精确地测量这一特性不但能为EIT技术提供充分的理论依据,更重要的是有可能通过分析生物组织复阻抗频谱特性,进而了解被测组织的活性及状态。
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2 主要研究方法与内容
①建立基于4电极阻抗测量方法的动物组织复阻抗实验频谱测量系统,该系统能在100 Hz到10 MHz频段内准确测量动物组织复阻抗频谱特性,测量频率点50个,从100 Hz以对数均匀递增,每组测量时间30～50 s。②测量离体骨骼肌、肝、肾、脾、肺、心肌等组织从100 Hz～10 MHz的复阻抗频谱特性。③测量在体骨骼肌、肝组织从100 Hz～10 MHz的复阻抗频谱特性,并观察了两种组织缺血前后复阻抗频谱的变化。④测量血液从100 Hz～10 MHz的复阻抗频谱,并采用自身血浆稀释的方法配制得到血细胞压积不同的血液(血浆与原血液比分别为2/8,2.5/7.5,3/7,4/6,5/5),并分别测量它们的复阻抗频谱特性。⑤对上述测量结果进行特征参数计算,结合Cole-Cole模型分析各组织复阻抗频谱的特点及影响因素。⑥EIT算法的研究,结合EIT问题的电场理论基础、EIT的正向问题求解、修正的Newton-Raphson阻抗重构算法,建立了静态EIT算法软件模拟系统,着重分析，讨论EIT的有关基础理论和静态EIT重构算法的性能。⑦建立基于32电极的实时EIT系统。⑧利用上述EIT系统进行物理模型成像,分析、评价系统性能。⑨利用上述EIT系统进行离体器官成像,建立离体心脏充盈模型用以进行动态EIT成像,建立离体胃充盈模型用以动态EIT成像。
, 百拇医药
3 主要研究结果
①在国内首次建立了一套动物组织复阻抗频谱特性的测量方法及测量系统,该方法能在100 Hz～10 MHz频段内精确测量部分离体组织、在体组织及血液的复阻抗频谱特性,在30～45 s内可以得到被测量组织复阻抗的实部、虚部、相位等参数随驱动电流频率变化而发生的改变。这一方法的实现为今后进一步研究生物组织电特性打下了一个很好的基础。②测量结果表明,动物组织复阻抗随驱动电流频率的变化发生显著的改变:动物组织复阻抗随驱动电流频率的增加,其实部从低频电阻R0,降低至高频电阻R∞,在中频段10～100 kHz变化最为显著;复阻抗的虚部经历了从零到最大值又到零的过程,虚部在低频段几kHz以下几乎不表现出来,从几kHz起虚部值开始增大,达到其最大值后开始减小,在1 MHz处开始趋近于零。③不同的组织,其复阻抗频谱特性表现出较大的差异,被测离体组织,除心肌和肾脏组织的复阻抗频谱较为接近外，其它各组织间均有显著性差异，这种差别可以由它们复阻抗频谱的Cole-Cole图直接观察到。组织间的差别也反映在它们复阻抗持征参数中,可以计算得到不同离体组织的特征频率(fc)、低频电阻(R0，Ω)、高频电阻(R∞，Ω)。离体40 min时,犬的骨骼肌fc约为100 kHz,R0为160.0±21.4,R∞为14.0±4.6;犬的肝组织fc约为20 kHz,R0为570.0±92.7,R∞为15.0±5.7;犬的脾组织fc约为31.6 kHz,R0为468.0±76.1,R∞为9.0±3.5;犬的肾组织fc约为39.8 kHz,R0为370.0±43.2,R∞为7.0±2.5;犬的心肌fc约为25.1 kHz,R0为384.0±51.0,R∞为5.7±2.0;犬的肺组织fc约为31.6 kHz,R0为390.0±97.9,R∞为2.4±1.3。④分别在离体5,15,30,60和90 min时,测量动物组织的复组织频谱。结果表明:随离体时间延长,低频电阻显著增加;复阻抗虚部值增大;特征频率向高频段移动。⑤分别观察了部分在体组织(骨骼肌、肝、脾)在缺血前后复阻抗频谱的变化。结果表明:缺血后,在体组织复阻抗实部显著增大;虚部在中、低频段(10～100 kHz)显著增加;特征频率降低,但并不显著。造成这一系列变化的主要原因是缺血引起的细胞外液成分发生了改变。⑥血液复阻抗测量结果显示:血液复阻抗的实部在低于100 kHz的中、低频段基本稳定不变,在100 kHz以上实部开始衰减,并逐步接近血浆的纯电阻值(直流情况下的电阻抗);虚部在低频段接近于0,在中、高频段变化显著,先经历一个逐步增大的过程,在500 kHz左右达到最大值,随后开始衰减,在3 MHz以上基本不表现;血液复阻抗频谱特性与血液中血细胞含量密切相关,血液中血细胞含量的多少决定着复阻抗实、虚部的大小,血细胞含量越高,复阻抗虚部值越大,实部值也越大。⑦静态EIT成像算法研究表明Newton-Raphson算法为一种高精度、高阻抗分辨率并具有良好抗噪性能的EIT阻抗重构算法,但这一算法对初始阻抗分布非常敏感,算法复杂,重构时间较长,目前尚不具备利用这一算法进行实时EIT成像的可能性。⑧在国内首次建立实时EIT系统,该系统基于32电极,重构算法采用动态EIT算法中的加权等电位线反投影法。系统采用单驱动电流、多路开关转换。测量部分采用实部解调,前级使用PGA降低被测信号的动态范围,信号采集使用12位的高速A/D以DMA方式采集。软件部分基于32 位Windows,提供实时数据采集、监控接口,显示部分提供灰阶调整功能,便于观察EIT图像中的感兴趣区。初步成像结果显示:该系统可达5 mm的分辨率,对阻抗分布的变化非常敏感,在目前的硬件系统上,成像速度可达到0.3帧/s,而这一速度会随着测量系统的改进得到显著提高。⑨点滴生理盐水成像结果表明,本系统对阻抗分布的扰动非常敏感;对离体心脏充盈模型和胃充盈模型的成像结果充分表明EIT技术可以被用于动态观察腔体器官的充盈、排空情况。
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参考文献:
[1] Barber DC,Seagar AD. Fast reconstruction of resistance images[J]. Clin Phys Physiol Meas,1987,8(Suppl A):47.
[2] Panescu D,Cohen KP,Webster JG,et al. The mosaic electrical characteristics of the skin,IEEE TRans[J]. BME,1993,40(5):434.
[3] McAdams ET,Jossinet J. Tissue impedance:a historical overview[J]. Physiol Meas,1995,16(Suppl 3A):A1.
[4] Goovaerts HG,Faes TJC,Roo GWV. Extra-cellular volume estimation by electrical impedancephase measurement or curve fitting:a comparative study[J]. Physiol Meas,1998,19(4):517.
(收稿 1999-06-19), 百拇医药