生物医学电阻抗成像技术

第一章绪论进入21世纪，生物医学工程迅猛发展，如何将先进的科学技术用于人体医学检查及各项机能测试，从而提高人类对疾病的早期预防和治疗，增强机体功能、提高健康水平一直是人们共同关心的问题。因此，人们对医学检测手段的要求越来越高，检测方式已从人工主观检测发展到现在的主客观相结合。特别是医学影像技术的出现，使疾病的诊断更加客观和准确。然而，通过医学实践可以发现单一形态影像诊断仪器不能满足疾病早期诊断的需要，形态和功能相结合的新型检测系统是医学发展的需要，形态和功能相结合的新型检测系统是医学发展的需要。向功能性检查和疾病的早期诊断发展，向疾病的康复和愈合评价延伸，正是现代医学发展所追求的目标。电阻抗成像（ElectricalImpedanceTomography,EIT）技术，是以生物体内电阻抗的分布或变化为成像目标的一种新型无损伤生物医学检测与成像技术。它通过对生物体外加一定的安全激励电流，测得生物体表面电压信号来重构生物体的阻抗分布。由于生物组织阻抗特性差别显著，因而电阻抗成像结果明显。利用EIT技术，可以显示生物体组织的阻抗分布图像、阻抗随频率变化的图像、生物体器官生理活动（如呼吸、心脏搏动）时阻抗变化图像。由于采用外加安全电流激励，是非侵入检测技术，且是功能成像技术，在研究人体生理功能和疾病诊断方面有重要的临床价值。它具有简便、无创廉价的优势，可作为对病人进行长期、连续监护的设备，对疾病的早期预防、诊断、治疗及医疗普查都具有十分重大的意义，一直受到众多研究者的关注。第一节医学影像技术概况医学影像技术是用各种成像装置采集人体内部解剖学、生理学、病理学和心理学的信息，并实现可视化的科学。医学影像技术涉及物理学、生物学、医学、电子信息技术等多科学领域，是典型的跨学科领域。医学图像是真是物体信息的反映，但还不是真实物体的镜像。到目前为止的所有成像设备只能采集人体的部分信息，某种特定的医学影像是经过数学方法的反演之后得到的被成像人的特定位置在某一时刻部分信息的可视化表达。人体影像确实是人体信息的一部分，含有被成像个体的特殊信息。但是，即时成像过程中没有夹带任何虚假的信息（伪影和噪音），在某种特定的成像装置上采集的图像也只是被成像个体在特定时间和空间内的很小一部分信息。无论对人体本身的研究，还是对人体疾病的判断或者治疗，只靠这部分信息作出的判断会有较大的误差。据统计，用医学影像技术进行的疾病诊断在世界范围内的准确率大约为85%，这是因为人体的情况太复杂，对疾病准确诊断所需要的数据还不够完善。目前，医院对病人采集的信息还需要进一步整合并及时完成在解剖学基础上的配准，生理学基础上的功能信息和解剖信息的集成，以及生化参数和影像的结合。尽管如此，医学影像能以非常直观的形式向人们展示人体内部的结构形态与脏器功能，是临床诊断中最重要的手段之一。1972年，第一台X射线计算机断层图像仪由英国学者G.N.Hounsfeild研制成功，引发了医学诊断史上的重大革命。随后，传统的显微成像、X射线成像和内窥镜成像技术得到不断发展。与计算机技术相结合的超声医学成像、磁共振成像和放射性核元素成像等也已得到迅速发展和普级应用。相继出现单光子发射CT（简称SPECT）、正电子发射CT（简称PECT）、超声CT（简称UCT）、微博CT（简称MCT）、核磁共振CT（简称NMRCT）等，形成了20世纪80年代后医学影像诊断的新科学。超声波、X射线、核医学、红外线和核磁共振成为当今五大医学影像技术。热成像、微波成像等技术亦在开发或研究之中，有的已形成产品。近年来新的成像方法不断出现，从平面到立体、从局部到整体、从静态到实时、从形态到功能等，已成为医学影像技术发展的趋势。目前，B型超声成像技术已经普及应用，彩色超声多普勒血流成像技术也已使用并日趋完善；X射线CT已发展到第五代，扫描速度有了很大提高；磁共振现象（MRI）的磁体重量不断减轻，并在血流成像和波谱分析方面取得显著进展；放射性核素成像可获得组织化学及功能性图像；应用计算机的显微图像技术已成为进行细胞和分子水平研究的重要手段。X射线CT仍是目前医学影像技术中体层摄影最为完善、应用最多的技术。但是，这些医学成像技术价格昂贵，并且绝大部分会对人体造成一定的伤害，不适于连续、长期的观测。对于正电子发射成像（PECT）、单光子发射层析成像（SPECT）和功能性磁共振成像（fMRI）等功能成像，尽管空间分辨率较高，但时间常数较大，不能满足某些病理或神经科学中毫秒级时间分辨率的要求。研究表明，生物组织的电学特性非常显著，如可以通过体表电极检测到生物体的脑电信号、心电信号、肌电信号等，这些都反映了生物体具有电学特性，其中主要是它的电阻抗特性。生物体的电阻抗特性主要表现为：1.不同生物组织间存在较大的阻抗差异例如，胸腔内周围组织的电阻率约为3Ωˑm，心脏约为1.5Ωˑm，肺约为12Ωˑm，脊椎约为20Ωˑm。人体组织的电阻率在外加激励信号频率为20~100kHz时差别显著，从最小值脑脊髓液的0.65Ωˑm到最大值骨组织的166Ωˑm，上下限之比达到250:1，软组织之间电阻率的最大值与最小值之比也达到了35:1。2.同一生物组织在不同的生理状态下阻抗也不相同例如，组织温度改变1℃，阻抗变化2%；组织内血液的流动和充盈情况也直接影响其阻抗大小，如脑组织缺血时，阻抗可增大近一倍；由于心脏的周期活动。身体各部分组织的阻抗也发生周期性的变化，脏器体积的变化也对其阻抗产生很大的影响，胃内食物的成分及胃的充满和排空使胃阻抗发生很大的变化；在呼吸过程中，肺阻抗大小与吸入的空气量紧密相关，肺组织膨胀和收缩时阻抗发生数倍的变化。不论在自然或人工控制的被动呼吸状态，肺内空气量同局部胸部阻抗有很好的线性关系。3.生物组织在发生病变时与正常时的阻抗变化十分显著例如，脑肿瘤异变组织约为正常组织的13倍；脑震荡或脑肌肉萎缩组织约为正常组织的2倍；脑出血异变组织约为正常组织的1/4；肺部疾病患者的阻抗值会发生显著改变，用阻抗值可以检测出肺部组织液体异常变化的肺部病变。4.生物组织阻抗特性与频率有关，即不同测量频率下的阻抗特性各异另外，某些生物组织的阻抗还具有各向异性的特点，即沿组织不同方向测量时的阻抗值各不相同。因此，生物组织阻抗携带着丰富的病理和生理信息，在医学影像研究中备受关注。近三十年发展起来的生物医学电阻抗成像（EIT）技术就是基于生物体的电学特性，通过配置人体体表电极，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，再通过图像重构算法也就是逆问题求解，得到生物体内的阻抗分布图像。它不但反映了解剖学结构，更重要的是利用EIT技术还可以得到反映生物组织活性及生理状态短时变化的功能图像。EIT的装置简单便携、响应快速、成本低廉且运行安全，而且它不使用放射元素或射线，无辐射、对病人无创无害，可以多次测量、重复使用，应用对象与时间也不受限制，可对病人进行长期连续监护，在研究人体生理功能和临床疾病诊断方面，具有重要的潜在价值和广泛的应用前景，是继形态、结构成像之后。新一代无损伤的功能成像技术。第二节主要的医学成像技术介绍一、计算机断层成像技术1972年，英国工程师G.N.Hounsfield研制成功首台计算机断层成像（ComputerTomography,CT）机，并应用于临床的颅脑CT，为此该工程师获得1979年诺贝尔生理和医学奖。X射线CT是一种对穿透射线（X射线）所经过的物质的断面进行扫描，通过检测器来测量透过该层人体X射线强度，再通过计算机加工处理，计算出该层内各个点X射线吸收系数，重构该层面结构的装置。CT机是目前技术最成熟，应用最多、临床经验也是最丰富的检查方法，对肿瘤的定位与定量诊断相当迅速和准确，定性诊断价值也很大。对脑出血、脑梗塞、颅内水肿、脑挫伤的诊断和鉴别也很有效。尽管目前X射线CT射线的指标已达到相当理想的阶段，但X射线对人体的组织会造成一定的损伤，因而X射线CT不宜长期使用，在很多情况下（如对胎儿和孕妇）根本不能使用。另外，X射线CT只能显示人体断层分布的几何特性，因而显示人体的人体的生物化学信息则无能为力。超声波CT是利用超声波完成扫描过程，从而避免了X射线CT对人体的射线影响，是目前最安全的一种成像系统，可用于包括妇产科在内的临床检查，但是超声波的传播受湿度、温度等多方面的影响，建立不同器官、不用密度和不同形状的超声波传播特性的数学模式非常困难。目前的超声波成像方法都忽略了超声波和生物组织之间的相互作用，因而不能得到理想的定量结果。二、磁共振成像技术磁共振成像（MagneticResonanceImaging,MRI）系统是基于物理学中的和磁共振现象设计的。人体中存在大量的氢原子核，它们具有固定的磁特性，当人体位于强磁场时，体内氢原子便按磁场方向进行排列。如果用一个频率很高的电信号形成附加磁场，则可使氢原子核偏离原来的排列方向。若突然切断该信号，那么氢原子核又趋于原来的排列方向，同时发出一种很弱的、具有特征频率的信号，MRI便利用此信号蕴含的信息进行图像重构。MRI有其独特的优点：可重构三维图像，且可以从各种不同角度重构断面、冠状面、矢状面和任何斜面的切面图像；对软组织分辨率比X-CT高，对骨骼不产生伪影，且对软骨、骨骼结构有较高的分辨率；能分辨脑灰质、白质、脑干、垂体等；能反映出器官的生化结构的变化，并以此作出早期诊断等。所以不足之处是结构复杂、设备庞大、价格昂贵。三、功能性磁共振成像技术MRI提供的优秀解剖图像早已被人们所接受。近几年来，MRI对组织磁化高度敏感的特点又被用来研究人脑的功能，特别是大脑各功能区的划分。这一新技术就是功能性磁共振成像（functionalMRI,fMRI）。它主要基于以下两点：首先，人脑是可以划分为许多精细功能区域的，这使得人们能够设计各种激发方案来对它们分别进行研究；其次，在生理性的脑活动与脑血流、脑血流容积和能量代谢之间有着直接的联系。fMRI就是通过检测上述神经活动的伴随现象来建立脑功能图像的。它突破了过去对人脑仅从生理学或病理学角度实施研究和评价的状态，打开了从语言、记忆、认知等领域进行研究的大门。fMRI方法有不使用同位素示踪剂、无创、可反复检测、空间分辨率高等优点，因此是脑功能成像的主要手段。但是，与MRI不同，fMRI仍然是一种处于发展阶段的研究性功能成像方法，无论是在刺激的设计和序列的应用方面，还是图像的后处理及可视化等方面，还有相当多的技术问题需要解决。四、正电子发射断层成像技术正电子发射断层成像（PositronEmissionTomography,PET）是最早用来研究脑功能的成像技术。它利用放射性示踪物探测活动区域中血流量的增加情况，其成像速度慢，每次成像时间需要1min。因此，研究人员可用PET进行“区域测试”。受试者首先进行一些简单的作业，使大脑重复同样的思维活动以采集数据。它可用于对脑的视觉活动、认知反映、神经功能等方面的功能成像。但是，由于需要注射放射性示踪剂、成像速度慢、分辨率低，以及需备加速器，使其成本较高。另外，动脉血流的测量需要采样，因此是侵入性的测量。正是由于这些不足，使得PET不如fMRI应用广泛。五、脑电图技术脑电图（Electroencephalography,EEG）是一种应用最广的将脑电信息进行采集与记录的方法。其基本原理是通过放置在头皮表面的电极，记录头皮上各神经元产生的电位信号，这些信号是由许多神经元共同协作而产生的。临床上用的电极按照解剖结构的固定点均匀地放在头皮表面上。EEG可以应用于许多方面，最常用的是通过记录被测试者在睡眠和苏醒情况下大脑内部的电生理活动产生的电信号，来诊断癫痫病是否发生。EEG的空间分辨率比较低，但它可以检测脑电活动在毫秒级情况下发生的变化，具有很高的时间分辨率，是一种非侵入性的且方便的检测手段，且检测设备价格便宜，是深受临床接受的诊断设备。EEG同样可以记录由外部刺激所产生的电信号，用于研究大脑对视觉、声音、嗅觉等刺激的反映，进行脑功能和认知科学方面的研究。六、脑磁图技术脑电图用于检测由于大脑神经元活