********** 分类号 学号 密级 公开Electrical impedancect imaging studies题 目 电阻抗断层成像研究学校代码 作者姓名 指导教师 学科门类 提交论文日期 专业名称 成绩评定 许开锦电子信息科学与技术张 辉电子医学类2011年5月3日摘要电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography——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1AbstractElectrical Impedance Tomography (EIT) is an imaging technique that based on the phenomena that the electrical conduction within different kinds of tissue of organism or the same tissue in different states is different. The objective of EIT is to reconstruct the internal conductivity distribution of an object from voltage (or current) measurements made at b ody surface, by driving with current (or voltage) on its surface. After that the main questions of EIT and corresponding solutions is analyzed. Finally , the typical applications of EIT in medicine and the trend of EIT are demonstrated.Key words：Electrical Impedance Tomography、reconstruction algorithm、Hardware design、clinical application目录摘要 (1)Abstract 01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 (4)1.4.电阻抗成像的生物医学基础 (7)1.5 本文研究的内容和目的 (9)2.电阻抗成像的数学描述 (9)2. 1 电阻抗成像的数学描述 (9)3. EIT的图像重构算法研究 (10)3.1 等位线反投影算法 (11)3.2 Landweber 迭代法 (11)3.3 Tikhonov正则化算法 (12)4.电阻抗成像硬件设计 (12)4.1EIT测量系统关键功能模块的简单介绍 (12)4.1.1电流源 (12)4.1.2电极 (13)4.1.3电压检测 (13)4 . 2 图像重构与显像 (14)5.EIT研究的关键及难点 (14)5.1电场在体内的分布的研究 (14)5.2高精度、高信噪比的数据测量系统 (14)5.3新的驱动检测原理技术研究 (15)5.4 电阻抗成像研究的难点 (15)6.电阻抗成像的发展趋势 (15)6.1肺梗塞的诊断 (16)6.2 乳腺肿瘤的诊断 (16)6.3 中枢神经系统的诊断 (17)6.4 心血管系统的诊断 (17)6.5 肌肉骨骼系统的诊断 (17)6.6 呼吸系统的诊断 (17)6.7消化系统的诊断 (18)6.8无创体温测量 (18)6.9其他应用 (18)7.结论与展望 (18)8.参考文献 (20)9.致谢 (21)I1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( Electrical Impedance Tomograp hy ,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。
E IT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。
2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(Applied Potential To2 mograp hy,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(Adap tive Current To mograp hy ,简称ACT)两类。
APT系统采用一个电流源,而AC T 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 E I T 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。
31.3.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（10 kHz－1 MHz），充分提取了成像目标内组织的阻抗频率特性，在此4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(Injected Current EIT )和感应电流式（Induced Current EIT). 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 （Mark I System），有16个激励及测量电极，采用相邻电极5 mA p-p 51 kHz恒流激励. 该系统有51 dB的信噪比，及每秒10幅图像数据获取速度.1995年Smith等［13］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个电极，使用20 kHz 5 mA p-p恒流激励，采用16通道并行测量、数字相敏检测（Digital Phase Sensitivity Detector，DPSD）等技术，使成像速度达到25帧/s，测量电路CMRR＞60 dB, SNR ＞60 dB，所测阻抗数据信噪比达到68 dB，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、50 kHz 1 mA(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＞80 dB、输入阻抗大于1 MΩ、噪声水平10 μV(50 kHz 时）. 该系统基于12 cm×12 cm的方形物理模型得到了初步成像结果. 1991年Hua等,基于直径30 cm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（Stainless current/voltage5compound electrode)，激励频率50 kHz，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)，测量系统有12 bit的幅值分辨率.该系统对位于模型中心、直径6 cm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Mark Ⅱ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（induced current）EIT的研究.美国纽约Rensselaer Polytechnic Institute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（Adaptive Current Tomograph, ACT2). 该系统采用32电极并行自适应电流15 kHz激励，单通道电压测量，电流幅值及电压测量有12 bit 分辨率，30 s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30 kHz，系统精度可达16 bit，在此精度下获取一幅图像数据需133 ms，若将测量精度降为13 bit，则获取一幅图像数据只需2 ms. 该系统对一直径8 mm的铜摆进行动态连续成像（铜摆在盛盐水的直径30 cm 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6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。