电阻抗断层成像文档格式.doc
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电阻抗断层成像(ElectricalImpedanceTomography——EIT)是根据生物体内不同组织以及同一组织在不同状态下具有不同电导率的现象,通过在生物体表面施加安全电流(电压),测量表面电压(电流),重建生物体内部的电阻抗分布图的成像技术。
详细分析了EIT成像中遇到的关键问题以及现有的主要应对方法,列举EIT技术在临床医学上的应用现状,同时对EIT在技术和临床上的发展趋势进行了展望。
关键字:
电阻抗断层成像技术、重建算法、硬件设计、临床应用
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Abstract
ElectricalImpedanceTomography(EIT)isanimagingtechniquethatbasedonthephenomenathattheelectricalconductionwithindifferentkindsoftissueoforganismorthesametissueindifferentstatesisdifferent.TheobjectiveofEITistoreconstructtheinternalconductivitydistributionofanobjectfromvoltage(orcurrent)measurementsmadeatbodysurface,bydrivingwithcurrent(orvoltage)onitssurface.AfterthatthemainquestionsofEITandcorrespondingsolutionsisanalyzed.Finally,thetypicalapplicationsofEITinmedicineandthetrendofEITaredemonstrated.
Keywords:
ElectricalImpedanceTomography、reconstructionalgorithm、Hardwaredesign、clinicalapplication
目录
摘要 1
Abstract 0
1绪论 2
1.1引言 2
1.2电阻抗成像简介 2
1.3.电阻抗成像技术国内外研究现状 3
1.4.电阻抗成像的生物医学基础 6
1.5本文研究的内容和目的 8
2.电阻抗成像的数学描述 8
2.1电阻抗成像的数学描述 8
3.EIT的图像重构算法研究 9
3.1等位线反投影算法 9
3.2Landweber迭代法 10
3.3Tikhonov正则化算法 10
4.电阻抗成像硬件设计 11
4.1EIT测量系统关键功能模块的简单介绍 11
4.1.1电流源 11
4.1.2电极 12
4.1.3电压检测 12
4.2 图像重构与显像 12
5.EIT研究的关键及难点 12
5.1电场在体内的分布的研究 13
5.2高精度、高信噪比的数据测量系统 13
5.3新的驱动检测原理技术研究 13
5.4电阻抗成像研究的难点 14
6.电阻抗成像的发展趋势 14
6.1肺梗塞的诊断 14
6.2乳腺肿瘤的诊断 15
6.3中枢神经系统的诊断 15
6.4心血管系统的诊断 15
6.5肌肉骨骼系统的诊断 15
6.6呼吸系统的诊断 15
6.7消化系统的诊断 16
6.8无创体温测量 16
6.9 其他应用 16
7.结论与展望 16
8.参考文献 18
9.致谢 19
1绪论
1.1引言
电阻抗成像(EIT)技术是一项新的成像技术,它的实现一般是通过在物体表面设置一定数量的电极,在选定的电极上施加一定模式的电流,然后测量各电极的电压,再将这些测量的已知电压、电流数据,依据图像重建算法,构造出物体内部的未知阻抗图像。
电阻抗成像技术具有x射线计算机断层(CT)、核磁共振(MRI)等无法比拟的优点,即对人体检测无创、成像设备简单、操作方便等。
电阻抗成像已成为21世纪医学成像研究的热点,而且电阻抗成像在工业监测、无损探伤等方面也引起了工业界的极大关注。
根据成像目标不同,电阻抗成像分动态电阻抗成像和静态电阻抗成像两种方式。
动态电阻抗成像是对阻抗变化的相对值成像;
静态电阻抗成像是对阻抗分布的绝对值成像。
由于动态成像可以在测量过程中抑制其共同的噪声,而且人体阻抗的变化直接反映出人体生理过程和病理状况,因此对动态电阻抗成像的研究受到极大的关注。
1.2电阻抗成像简介
电阻抗成像技术(ElectricalImpedanceTomography,EIT)是一种较新的成像技术。
EIT通过体表电极,检测外加驱动信号(一般为电流源)后想要成像区域的电压(电流)分布,从中提取与人体相关的组织或器官的电阻抗特性,以此进行断层成像。
与X-CT超声成像等技术相比,EIT获得的不是高质量的解剖图像,而是人体的结构与功能图像。
EIT是一种无损伤检测技术,可以实现临床上的长期监护和检测,且其价格低廉、成像设备简单、便于携带。
因此EIT是实现功能成像的一种前景十分好的成像技术。
1978年Henderson和Webser首次获得电阻抗图像这种图像类似X线胸片的投射图像但这还不是断层图像。
1983-1984年间,外加电位断层成像技术(AppliedPotentialTo2mography,简称APT)诞生,并由此获得单一电导率分布图像,此后EIT以其无损伤低成本的功能图像吸引了众多的研究者。
1990-1993年间,Griffiths、Dijktra等人根据他们的研究对EIT成像技术、成像原理及临床应用前景作了综合评述,实时EIT系统的设计也开始起步,相断出现了一些精度高、速度快的EIT系统。
目前的EIT成像系统,按照其使用的电源数目分成APT和自适应电流断层成像技术(AdaptiveCurrentTomography,简称ACT)两类。
APT系统采用一个电流源,而ACT系统采用多个电流源。
按照显像情况EIT成像系统,正处于实验室仿真阶段。
动态EIT反映人体内部电阻率分布的变化情况,相对于静态EIT,动态EIT利用差值成像,可以减少一些测量误差,因而已使用在临床应用研究方面。
EIT系统几乎可在应用于临床各个学科上,国内外研究人员已使用EIT在中枢神经系统、心血管系统、肌肉骨骼系统、呼吸系统、消化系统等领域进行了尝试性研究。
尽管EIT的出现只有十几年的时间,且目前EIT技术还处于实验室研究阶段还没有实现真正意义上的临床应用,但随着生物阻抗全信息检测技术的不但发展和完善,EIT技术在临床上的普及应用将不再是梦想。
正因为如此电阻抗断层成像技术已成为当今生物医学工程学重大研究课题之一。
1.3.电阻抗成像技术国内外研究现状
EIT是一种新颖的图像重建技术,最早在二十世纪20-30年代。
就有地质学家尝试把电流注入到地层,然后测量地表的电压,试图确定接近地表的不同地层的导电特性,进而确定矿藏的分布。
EIT成像在医学领域的研究是在最近三十年才发展起来的。
目前,国外阻抗图像重建工作主要研究以有效提高重建图像的空间分辨率和减小计算量。
国内在生物阻抗图像重建方面的工作开展较晚,现在还处于研究的初级阶段,同时研究的重点一般放在血流图的改善与提高(中国医学科学院生物医学工程研究所)和阻抗测量中硬件系统的改进方面(第四军医大学生物工程研究所)。
其它研究机构在电阻抗成像方面的研究一般侧重于理论方面,如EIT成像重构算法的改进、生物阻抗测量原理及方法的基础性研究等。
重庆医科大学生物医学工程研究室、清华大学电机系生物工程研究所和北京航空航天大学电子工程系都在此方面都取得了一些阶段性的研究成果。
电阻抗断层成像是国外近些年的一个研究热点,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(CAIT)来组织和协调EIT研究工作.
目前,根据成像的区别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.
从激励频率上可将EIT分为单频及多频EIT,单频EIT只采用单一频率激励成像目标,而多频EIT采用多个激励频率(10kHz-1MHz),充分提取了成像目标内组织的阻抗频率特性,在此基础上还可得到组织的特征参数图像,为进一步鉴别和区分组织打下了基础,因而多频及参数成像越来越受到人们的重视.
从激励方式上可将EIT分为注入电流式(InjectedCurrentEIT)和感应电流式(InducedCurrentEIT).前者就是采用驱动及测量电极从成像目标表面激励及获取信息,而后者是近三年才提出的采用激励线圈及体表测量电极获取成像目标内感应电流场的分布信息,这种技术因成像精度相对不高,目前仅处于实验阶段.
英国Sheffield大学Brown等1987年建立了第一个完整的DMS(MarkISystem),有16个激励及测量电极,采用相邻电极5mAp-p51kHz恒流激励.该系统有51dB的信噪比,及每秒10幅图像数据获取速度.1995年Smith等[13]在MarkI的基础上建立了第一个实时的供临床基础研究用的MarkⅡ系统,有16个电极,使用20kHz5mAp-p恒流激励,采用16通道并行测量、数字相敏检测(DigitalPhaseSensitivityDetector,DPSD)等技术,使成像速度达到25帧/s,测量电路CMRR>60dB,SNR>60dB,所测阻抗数据信噪比达到68dB,该系统用于人体胸腔得到了初步成像结果,并已用于临床基础研究.
美国Wisconsin-Madison大学的SaKamoto等1987年建立了基于物理模型的测量系统.该系统采用16个条形电极、50kHz1mA(峰峰值)的恒流激励及模拟解调技术,测量最大误差3%,放大器CMRR>80dB、输入阻抗大于1MΩ、噪声水平10μV(50kHz时).该系统基于12cm×
12cm的方形物理模型得到了初步成像结果.1991年Hua等,基于直径30cm圆柱形物理模型建立了32通道优化电流激励测量系统[17],采用32个外圈电流驱动、内部电压测量的不锈钢复合电极(Stainlesscurrent/voltagecompoundelectrode),激励频率50kHz,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(OptimalCurrentPattern),测量系统有12bit的幅值分辨率.该系统对位于模型中心、直径6cm的绝缘体等进行了成像,经10次迭代后得到了较清楚的图像.上述研究小组的数据测量系统大部分仅限于对物理模型的测量,只有Sheffield大学的Smith等在MarkⅡ测量系统的基础上结合等位线反投影图像重构算法,在英国皇家Hallamshire医院建立了第一个供临床基础研究用的动态EIT实时系统,用于人体肺、胃、大脑、食管等不同部位的成像,证明其具有功能成像的特点.近三年来,电阻抗成像在二维和单频的基础上向三维及多频成像方面发展,也有学者从事感应电流(inducedcurrent)EIT的研究.
美国纽约RensselaerPolytechnicInstitute的Cook等于1988年建立了基于物理模型的自适应电流激励成像系(AdaptiveCurrentTomograph,ACT2).该系统采用32电极并行自适应电流15kHz激励,单通道电压测量,电流幅值及电压测量有12bit分辨率,30s获取一组测量数据.1991年Saulnier等在ACT2的基础上建立了32电极并行激励、并行测量、并行校正及补偿的高精度、高速度DMS(ACT3),激励频率30kHz,系统精度可达16bit,在此精度下获取一幅图像数据需133ms,若将测量精度降为13bit,则获取一幅图像数据只需2ms.该系统对一直径8mm的铜摆进行动态连续成像(铜摆在盛盐水的直径30cm的容器中摆动),成像结果较好,能对铜摆在不同时相的位置定位,但铜摆图像模糊,且明显大于实际尺寸.
我国在EIT领域的研究起步较晚,重庆大学、中国医学科学院、第四军医大学有研究小组在进行电阻抗成像系统的研究,这方面的工作才刚刚起步,目前完整的EIT数据测量系统国内未见报道.
几年来,该技术又有了许多新的发展,出现了以人体三维阻抗分布为成像目标的三维EIT技术,以外围线圈激励的感应EIT以及多频激励测量进行复阻抗成像的多频EIT,这些研究都得到了初步的实验结果.
1.4.电阻抗成像的生物医学基础
医学研究表明,生物组织是由大量不同形状的细胞和细胞之间的液体组成的,其中细胞又由细胞膜和细胞质组成,不同的组织与器官有不同的阻抗特性,人体不同的组织器官具有不同的电特性,且对于同一组织,电流沿不同的方向流入时,电阻值也有很大的差别。
所以由体表测得的生物电信号包含与组织和器官功能相关的信息。
那么由测得的电信号,可以进一步了解组织细胞的生理、病理状态。
表1给出了部分人体组织的电导率:
表1部分人体组织的电导率
从上表也可以看出,组织含水量越大,电导率就越高。
另一方面,一些病理和生理现象也会引起组织电特性的变化。
EIT提取的就是与组织和器官的功能变化相关的电特性信息,并对携带丰富生理和病理信息的生物组织阻抗进行图像重建。
由于人体就是一个大的生物导电体,其组织和器官对电流均有一定的阻抗,而且这种阻抗因组织与器官的部位和生理活性的不同而不同。
EIT成像方法就是通过在被测体表面布置一定数量的电极,并施加一定的电流,然后通过电压电极测量被测体内部各组织、器官在电流场作用下所呈现的电压分布,由测量到的电压,根据一定的图像重建算法可以得到被测体内部的阻抗分布。
其成像的实质是利用边界电压测量求解物体内部的阻抗分布函数。
1.5本文研究的内容和目的
本文通过系统的介绍电阻抗成像的概念、电阻抗成像的生物医学基础、物理基础、图像重建算法及成像系统等让我们对电阻抗成像技术有一个深入的理解和全面的认识。
2.电阻抗成像的数学描述
2.1电阻抗成像的数学描述
EIT图象重建的过程,实际上就是利用边界测量数据求解物体内部电阻率分布函数Θ的过程。
其数学模型可由下述椭圆方程边值问题进行描述:
其中,
V—边界电压分布;
J—边界电流密度分布;
Θ—为待求电阻率分布函数;
方程
(1)是一个非常复杂的微分方程,对任意的边界条件一般不可能获得解析解、
(1)、(3)式为熟知的Neuman问题,
(1)、
(2)为熟知的Dirichlet问题,在Θ已知的情况下他们的解都是适定的,两者都为EIT的正问题;
当已知电压分布求Θ则称为EIT的逆问题,它是不适定的,求解难度较大。
EIT逆问题就可以归结为一个非线性最小二乘问题
3.EIT的图像重构算法研究
EIT的图像重构算法是EIT成像系统的重要环节.EIT图像重建中的正问题和逆问题是其图像重建中两个关键性过程.由模型的阻抗分布及驱动信号,求其内部的电压和电流分布,这在电磁场分析中被称为正问题,即由ρ求Φ;
阻抗成像被认为是一个逆问题,被定义为:
给出边界电流和边界电压的测量值,求模型内的阻抗分布,即,由和v求ρ.正问题的求解可以利用求解拉普拉斯方程得出区域内部节点电压,进而利用给定边界条件和阻抗分布模型计算其内部电流密度达到全面分析这一电场的目的.
逆问题求解比正问题要复杂的多,就目前来说可借助于数值方法通过多次迭代修正阻抗分布的估计值来实现.在迭代过程中要调用正问题求解过程,利用正问题的解不断修正阻抗分布模型,以使之最接近真实阻抗分布.
有限元方法(FEM)是常用的求解电磁场的数值方法,在EIT中这一方法被广泛用于正问题过程的求解,其基本思想是通过泛函求极值来为非线性方程求解.为EIT构造FEM模型,其主要目的是通过将这一特殊边界条件的电场或场域边界作线性化近似,以解决人体外加电场在人体内引起的电流分布的非线性和非均匀性,其实质上是利用数值方法求解具有特殊定解条件的一组偏微分方程.
图像重构算法也是EIT研究的热点,目前研究的算法主要有扰动法(PerturbationMethod)、修正的Newton-Raphson方法、双限定方法(DoubleConstraintMethod)、敏感性方法(SensitivityMethod)、等位线反投影算法、谱展开法M.Zadehkoochak算法基于神经网络的重构算法、广义逆法等.在这里我们主要对等位线反投影算法,landweber预迭代算法、Tikhonov正则化算法的原理及成像结果进行分析讨论
3.1等位线反投影算法
等位线反投影算法是目前应用最为广泛的EIT图像重建算法。
它建立在硬场假设的基础上,即假设电导率变化很小时,敏感场分布的变化比较小,可以按照硬场特性沿着投影域把测量结果反投影回去,是一种定性的图像重建算法。
它借鉴了X-CT的重建原理,虽然没有严格的理论推导,但以其计算量小、计算时间短、适应性强和抗噪性强等优势在EIT图像重建,尤其是实测数据的重建中得到广泛应用。
等位线逆投影法是较多采用的方法,它利用阻抗变化的相对值成像,速度快、抗噪声能力强,实现简单,但成像精度不高。
等位线反投影法在反投影过程中只涉及一个矩阵的算法,所以尽管在理论上不如其它算法完善,但它的成像速度是最快的。
然而由于得到的只是电阻率分布的变化值,所以它不能实现静态成像。
3.2Landweber迭代法
目前有很多的EIT图像重建算法都是基于灵敏度理论的Landweber迭代法便是其中一种。
从原理上讲,Landweber迭代法是最速下降法的一种变形、由于灵敏度系数矩阵S往往不是方阵且具有病态性,求解通常很困难,需要对S矩阵进行改进。
Landweber法以迭代的方法逼近S的逆阵S-1,采用最速下降方向作为其搜索方向,较好地解决了S矩阵病态性问题。
预迭代算法是为了提高图像重建的实时性而对Landwe-ber迭代法进行的一种改进,它能够减少迭代次数,获得更高的收敛速度。
3.3Tikhonov正则化算法
由于EIT逆问题的求解具有不适定性,为得到逆问题的有效解,经常需要一些额外的先验知识以及对解的一些附加约束条件,从而将不适定性问题转化为适定性问题,获得稳定的近似解。
求解逆问题的稳定近似解的过程称为正则化。
Tikhonov正则化是一种应用最普遍的解决病态问题的方法。
它的基本思想是将目标函数最小化,它的特点是重建的速度快。
正则化因子的选择反映正则化的质量,在理论上我们可以看到存在最优的最则因子,但就现在研究水平而言我们还是主要通过经验来选择,随着目标的不同,选取不同的正则因子。
所以我们说Tikhonov正则化具有一定的主观性。
4.电阻抗成像硬件设计
EIT系统的硬件部分包括三个单元,各单元之间由微机控制处理。
其基本关系有下图所示:
测量系统
图像重构
显像
4.1EIT测量系统关键功能模块的简单介绍
EIT系统主要由电流源、电极、电压检测(电压源、电极、电流检测)组成,并辅以多路传输器、D/A、A/D转换、调制/解调器等。
完成数据采集功能。
4.1.1电流源
APT系统工作时使用一个电流源。
先将电流源加在一对相邻电极上,然后测量其它电极对上的电压。
测完后再将它加到另外一对相邻电极上,再测电压,直到所有电极都加完一次电流源为止。
独立测量次数由电极数目决定。
APT使用的电流源波形多为余弦和正弦,电流值为1.8mA。
ACT系统同时将多个电流源加到每一个电极上并测量所有电极上的电压。
每一个电流源的电流值常为0.5mA,电流波形没有限制。
EIT成像的频率范围在10-1000KH,目前成像多采用单一频率。
未来EIT的发展方向是同时采用多种频率进行测量,一个同时采用8种频率的APT系统的研制已近尾声。
4.1.2电极
在EIT系统中,电极是提取信号的关键器件,其性能的优劣直接影响采集数据的精度,关系到重建图像的成败。
它必须具备如下的特点:
(1)有利于电流的注入和电压的提取,其灵敏度要高;
(2)与皮肤表面的接触阻抗要小;
(3)电极的形状要规格化,易于匹配;
(4)对皮肤无毒性。
EIT系统使用的电极数目多在16-64之间。
APT系统一般是16个电极,ACT系统多为32个电极,也有少数APT用32个电极,ACT用64个电极。
电极设计方面,有由电流电极和电压检测电极共同构成的组合电极,有根据身体特殊部位对电极进行不同的排列而设计的特殊形状的电极等。
此外,在电极的宽窄、材料等方面也需做进一步研究。
4.1.3电压检测
EIT系统将获得的模拟信号稍作处理,进行A/D转换,并在A/D转换前设有增益选择以保证电压检测的分辨力。
然后将数据放大、解调送往图像重构单元。
ATP、ACT系统都带有匹配滤波器以获得高速、灵敏、窄带的解调结果。
为保证成像质量,要求测量系统采集数据的时间短,在精度方面,动态EIT是差动成像,对精度的要求低于静态EIT。
4.2 图像重构与显像
采用何种重构算法对数据进行处理直接影响到成像的质量。
尽管目前理论上提出的
算法很多,但多数APT系统(动态)只能采用速度快的等位线反投影法。
有些ACT系统(静态)部分地采用了牛顿-拉菲逊算法。
等位线反投影法理论上不太精确,图像分辨力不太高影响了EIT系统在临床的普及,但它毕竟有速度快等优势,故能实现实际成像。
5.EIT研究的关键及难点
和其他学科的研究一样,EIT的研究也是一门综合性很强的研究,它不仅有涉及电场分布问题、算法研究、硬件设计,驱动检测、软件编程,因此研究EIT我们要着重研究以下几点:
5.1电场在体内的分布的研究
电场在人体内的分布是非线性的,而人体的结构又是非常复杂的,对其进行深刻的研究掌握其在各种组织各种体液中的分布规律对研究驱动测量技术、图象重构算法有重大意义.因此电场在人体内发布的研究直接关系到EIT成像水平的发展。
是EIT成像研究关键所在。
5.2高精度、高信噪比的数据测量系统的研究
目前EIT因采用体表弱电流激励及体表测量技术,使内部阻抗信息在体表测量中表现为弱信号、大动态范围.有文献报道,在一个心动周期中血流入肺而导致肺组织的阻抗变化为3%,从体表仅能测量到这种变化的1/20,即内部
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- 阻抗 断层 成像