阻抗成像进展1课件

生物电阻抗及图像监护研究一.生物电阻抗技术的基本概念利用不同的生物组织与器官、正常组织与病变组织的阻抗特性提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术。体外（表）的系统向检测对象施加安全的电磁激励（电流、电压、电磁场），在体外（表）检测相应变化获，取相关的信息无创、无害，廉价、操作简单和功能信息丰富，医生和病人易于接受；特异性较差在传统研究的基础上不断开展新方法、新技术研究各种生物电阻抗技术研究和应用各种生物电逆问题研究电磁场的生物效应研究具有生物物理参数的虚拟（数字）人体研究1.生物组织电特性(ElectricalPropertiesofBiologicalTissues)1）意义：2）内容：测量方法：直流、穿透阻抗Hz-MHz、传输线-同轴电缆GHz、微波断层（非接触）、感应（非接触）19世纪末20世纪初开始各种组织在直流情况下的电阻率测量20世纪八十年代以后开始生物组织的多频电阻率的测量研究（几种有代表性的驱动频率点），针对自己研究的需要，选择动物和器官八十年代后期出现了阻抗频谱特性这一概念（实部、虚部，随频率的变化，各自研究方法、条件不规范、通用性差，在体参数难获得）细胞分子的电阻抗测量及其在电生理中的应用医学科学院生物医学工程研究所97年血液局部特性国内：我们课题组：97-现在：人血液、动物组织、乳腺国外：从20世纪80年代到现在美国、俄罗斯、法国、德国、日本、加拿大、荷兰大鼠、猫、犬、猪、绵羊等部分组织、个别的人体组织阻抗特性研究阻抗技术：直流到100MHz范围内，在体、离体，正常、病变组织的阻抗特性电磁场对生物组织的效应：在以上基础上扩展到微波在体电阻率的测量是一个难题，有重要意义国外一直在研究，国内目前就我们课题组，欢迎校内、系内感兴趣的加盟课题组2.阻抗血流图（ImpedancePlethysmography）根据在体测量得到的体内组织器官由于血液循环（生理、病理）引起的电阻抗变化的信息，确定容积变化的方法，历史长（20世纪30年代提出、60年代到临床应用）⑴阻抗心动图(impedanceardiography)如图测量跨胸阻抗，根据公式算出每搏输出量等心血管系统的参数1）意义：2）内容：⑵脑血流图（heoencephalography）测量额乳时电极放置与导线连接记录指标示意图⑶各种脏器的血流图（肺、呼吸、肝、肾、胃等）呼吸电极位置图一组实验呼吸波形图⑷外周血流图3.利用阻抗值监测组织器官的功能或病变脑组织水分的迁移与总量变化对脑的电阻抗分布具有重要影响，脑电阻抗是脑水肿灵敏的检测指标，如图示用10kHz-50kHz，1mA激励，双侧脑电阻抗值，可反映脑出血、缺血的变化1）利用脑阻抗值监测脑水肿的变化过程2）利用胃阻抗值监测胃排空变化AGiouvanoudi我国的脑水肿阻抗监测受到国际同行的重视国内有研究，我们、重医大5.探讨电阻抗测量在医学研究中的应用研究细胞膜的通透性、流变特性的测量RensselaerPolytechnicInstitute

国外已经起步，这是值得重视的领域测量红细胞在中粘悬浮液中的松弛过程杨跃平等细胞的鉴别E.Boser

以人体组织、器官的阻抗分布或阻抗变化为成像目标,通过给人体施加安全电激励、体外测量响应信号，来重建人体内部的电阻率或其变化分布的图像，是医学成像技术的一个新方向，当今国际生物医学工程学重大研究课题之一

1.电阻抗成像技术简介2.阻抗成像研究主要技术领域及进展阻抗成像接触式非接触式阻抗成像临床应用探索研究扫描成像EISI

断层成像EIT二维成像三维成像动态成像静态成像感应电流成像ICEIT磁感应阻抗成像MIT准静态成像核磁阻抗成像

MREIT通过配置于人体体表的电极系统，施加激励、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。

1）接触式生物电阻抗成像癌变组织与正常组织及良性肿瘤组织的电导（阻）率相比存在显著性差异，从而使得均匀分布在组织的外加电流或电压场产生畸变对感兴趣的区域施加小的电激励，根据组织电场分布特性,测量相应的电流或电压，根据多点、多频测量的结果进行成像。⑴电阻抗扫描成像（ElectricalImpedanceScanningImagingEISI）

阻抗均匀分布的电流场示意图阻抗分布扰动后的电流分布图主要应用在乳腺病变的诊断研究方面。也在探索对其他恶性肿瘤的检测（淋巴结）目前只有以色列Transcan公司拿出T-Scan初步产品，美国FDA批准进入临床实验。国内我们开展了这方面研究，并已经拿出样机。数据采集的驱动测量模式成像的数据采集系统图像重构算法②EIT关键技术：临床应用研究

SheffieldMark系统Mark1~Mark4系统：单频、16电极~多频64电极③国内外主要的实验系统连接到模型的SheffieldMARK3b

数据采集系统多频（9.6kHz到1.2MHz，0.25-2mAP-P），64电极、32个驱动电极和32个测量电极同步工作，可三维成像；16.7帧/秒PeterMetherall

静态成像被测体内电阻率（电导率）分布的绝对值技术要求：高精度的数据采集系统，需要精确的电极和目标的几何信息主要算法：迭代法、其他算法迭代法（修正的Newton-Raphson,Yorkey,Webster)-----------比较经典算法优点：重构误差小，收敛性较好，对初始值要求不高缺点：Jacobian矩阵和Hessian矩阵有严重的病态性，每步迭代的计算量都一样，不能减少，对存贮空间要求较大④图像重构算法迭代算法示意图具体可理解为寻求最优化电阻抗分布，使得误差（这里为重构模型计算边界电压与对目标实测边界电压之差）最小：选择电阻分布初始值根据求解正问题，即相应的边界电压（有限元），与实际电压值比较适当修正，重复上述过程。JaakkoMalmivuo以被测体内的电阻率（电导率）的变化的分布技术要求：

主要算法：

等位线反投影算法、其他算法使用测量数据的差值成像，减少了测量的系统误差，使该技术相对容易实现等位线反投影算法

动态成像整过等位线反投影法计算过程可以用下式表示：场域电导率分布设定场域等位线分布PeterMetherall沿等位线方向反投影图像重建形成过程PeterMetherall在国内我们首先实现了能实际成像的等位线反投影法谱展开法（S.Meeson）基于神经网络的重构算法（A.Adler）其他的算法滤波反投影重构算法（A.Adler）广义逆算法（四医大）算法研究是热点，各种算法的探讨多停留在仿真，真正能应用的算法不多目前没有新的突破

MREIT充分磁共振成像得到的内部电流密度数据的一种新的静态电阻成像韩国HyunSooKhang，EungJeWoo提出J-Substitution

算法MREIT用J-Substitution

算法，能有效地使用内部电流密度信息解决EIT中边界电压对内部电阻变化不敏感的问题SukHoonOh国内：浙江大学、中国科学院2004年启动对基础研究有较大意义，临床应用受限制2）非接触式生物电阻抗成像磁场中存在的容积导体内某一区域的电导率的扰动，会引起该区域涡流的改变，从而可以在导体外部感应出磁场的变化，根据此变化就可以重建目标导体内部的电导率变化的分布⑴感应电流成像（InducedCurrentEIT,ICEIT

）

线圈激励电极测量被测区域内部的电流密度不再受电极处电流密度的限制，有利于用更大的电流密度来提高信噪比。被测区域周围的电极只用来测量电压，不用来注入电流，功能单一，有利于提高测量的精度。独立测量数可通过增加激励线圈的个数来增加，不受电极数的限制。⑵磁感应成像（MagneticInductionTomographyMIT

）激励和测量不与人体接触将容积导体接近通有交流电的线圈（EXC），因电磁感应作用使导体产生涡流，该涡流同时会感生出磁场ΔB并能改变原激励磁场的强弱，在测量线圈（REC）上可以检测到ΔB。当导体的电导率σ发生变化时，会影响到涡流的强度和分布，进而使得REC的电压也发生改变，测得ΔB1。非接触、无创，便于连续监护；系统测量模式为检测感应涡流，可以反映目标电导率分布；微弱的感应涡流信号，不易测量；还没有一个比较成熟的MIT成像算法。研究动态：俄罗斯、美国、英国、德国都在近年来启动初步获得了基于物理模型的二维电导率图像，其结果能够区分不同电导率的物体。关于动物或人体方面的研究未见报道目前MIT研究中存在的主要问题是对弱磁场的检测精度不高，重构算法尚不成熟，易受干扰国内我们研究组研究，中国科学院电工所去年启动⑴胸部阻抗成像用于呼吸等功能监测①加拿大Adler探索用阻抗成像监测肺部气体和液体容积（犬）左边表示电导率幅度变化（高度）右边灰度增加图像表示电导率的变化A整个容积为500ml时电导率B灌注100ml到右下方时的电导率变化C在背电极皮下注射10ml盐水电导率变化3）临床应用实验探索研究②纽约Rensselaer工学院探索对肺（气体、血液引起的阻抗变化）的检测这是人体动态图像，（第一幅数据是心室收缩时，第二幅数据是心室舒张时，用两组数据差相减），肺的区域表明电导率增加，心室区表明电导率减小，表明血液从心室流动到肺。③国内我们课题组---天津大学③俄罗斯科学院无线电与电子工程研究院研究组④国内我们课题组---天津大学1：脊柱2、3：右肺、左肺4：心脏⑵乳腺肿瘤的检测①美国Hartov等研制32通道，多频（DC到1MHz）EIT系统②美国TCI的三维乳腺EIT系统(a)电极盘和参考电极(b)使用1－－256电极,2－－电极线③国内：上海科技大学⑶脑功能研究ABA视