電阻抗成像

電阻抗成像注入電流電阻抗成像（ACEIT）

注入電流電阻抗成像（ACEIT）是最早提出的且研究歷史最長(zhǎng)的成像方法。許多早期的文獻(xiàn)將之稱(chēng)為電阻抗成像（EIT），后來(lái)隨著各種成像方法的提出，有些學(xué)者為了將它與其他激勵(lì)方式的電阻抗成像區(qū)分開(kāi)來(lái)，故將之命名為注入電流電阻抗成像（ACEIT）。后來(lái)EIT概念的外延增大，表示所有的電阻抗成像。相對(duì)于其他方式的電阻抗成像而言，ACEIT起步較早，研究得比較充分。

ACEIT的原理是，根據(jù)人體內(nèi)不同組織在不同生理、病理狀態(tài)下具有不同的電阻抗，通過(guò)電極給人體施加小的安全驅(qū)動(dòng)電流/電壓，在體外測(cè)量電壓/電流信號(hào)，并依據(jù)相應(yīng)的快速重組算法重建人體內(nèi)部的電阻抗分布或其變化的圖像。

不同的電流注入模式使成像區(qū)域內(nèi)部形成的電流分布不同，測(cè)量靈敏度不同，采集信號(hào)的信噪比不相同，最終成像質(zhì)量也不同。常見(jiàn)的注入電流模式主要包括：臨近驅(qū)動(dòng)模式（adjacent driven pattern）、交叉注入模式（cross method）、相反注入電流模式（opposite method）和自適應(yīng)注入電流模式（adaptive method）等。

電阻抗成像感應(yīng)電流電阻抗成像（ICEIT）

感應(yīng)電流電阻抗成像的原理是，它在被測(cè)目標(biāo)的外圍放置若干個(gè)激勵(lì)線(xiàn)圈，對(duì)其施加交變電流，在空間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，從而在被測(cè)目標(biāo)內(nèi)激勵(lì)出感應(yīng)電流。測(cè)量被測(cè)目標(biāo)表面電極間的電壓差，并用此數(shù)據(jù)重構(gòu)電導(dǎo)率擾動(dòng)的分布，從而進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域電導(dǎo)率的動(dòng)態(tài)成像。

電阻抗成像磁共振電阻抗成像（MREIT）

針對(duì)常規(guī)電阻抗成像方法只能測(cè)量成像目標(biāo)區(qū)域外周邊信息的問(wèn)題，加拿大多倫多大學(xué)的Zhang于1992在其題為“Electrical impedance tomography based on current density”的碩士論文中提出將EIT與磁共振電流密度成像（magnetic resonance current density image, MRCDI）結(jié)合的磁共振電阻抗成像方法。

磁共振電阻抗成像技術(shù)（MREIT）就是一種把磁共振成像技術(shù)（MRI）和EIT技術(shù)結(jié)合起來(lái)的新型阻抗成像技術(shù)。MREIT技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)在于磁共振能夠檢測(cè)注入電流激勵(lì)磁場(chǎng)沿磁共振主磁場(chǎng)方向的分量。利用這一原理，就能夠測(cè)量得到注入電流在成像目標(biāo)內(nèi)部激勵(lì)的磁場(chǎng)分布，進(jìn)而，由安培定律（Ampere’s Law）即 可以計(jì)算得到注入電流在成像目標(biāo)內(nèi)的電流密度分布，再結(jié)合成像目標(biāo)邊界電壓分布，利用特定算法就能夠重建成像目標(biāo)體的阻抗分布，這就是MREIT技術(shù)的基本思想。

2005年，Ozparlak等提出感應(yīng)電流磁共振電阻抗成像方法（induced current magnetic resonance-electrical impedance tomography, IC-MREIT），將非接觸概念引入磁共振電阻抗成像方法。采用外部非接觸線(xiàn)圈代替電極，將被測(cè)物放置于設(shè)計(jì)的幾何中心位置，線(xiàn)圈通電后被測(cè)物處于交流一次磁場(chǎng)中，該一次磁場(chǎng)在被測(cè)物內(nèi)部感應(yīng)生成渦流產(chǎn)生二次磁場(chǎng)。二次磁場(chǎng)可由MRI設(shè)備測(cè)得，其中包含足夠的信息用來(lái)重建圖像。

電阻抗成像磁感應(yīng)成像方法（MIT）

ICEIT采用電極測(cè)量成像目標(biāo)體表面電壓，依然存在因貼放大量電極而浪費(fèi)時(shí)間和處理極不方便等困難。為此，Korjenevsky等人提出激勵(lì)和測(cè)量全部采用線(xiàn)圈的非接觸方式，通過(guò)測(cè)得的表面磁場(chǎng)重建電導(dǎo)率分布的磁感應(yīng)成像方法（MIT）。應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的磁感應(yīng)成像方法的研究始于1993年，英國(guó)Swansea大學(xué)的Al-Zeibak等首次報(bào)道了用于醫(yī)學(xué)的MIT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠通過(guò)重構(gòu)圖像區(qū)分出脂肪與脫脂組織的輪廓和幾何尺寸。

MIT的基本原理是，激勵(lì)線(xiàn)圈產(chǎn)生頻率的交變磁通密度，將成像目標(biāo)體置于激勵(lì)磁場(chǎng)中，成像目標(biāo)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生渦旋電場(chǎng)，由于區(qū)域內(nèi)部包含導(dǎo)電介質(zhì)，因此產(chǎn)生渦旋感應(yīng)電流，該渦流同時(shí)會(huì)產(chǎn)生二次感應(yīng)磁通密度并能改變?cè)?lì)磁通密度的強(qiáng)弱和空間分布，在接收線(xiàn)圈上可以檢測(cè)到相應(yīng)的感應(yīng)電壓。通過(guò)檢測(cè)到的測(cè)量線(xiàn)圈的感應(yīng)電壓的變化可以間接地反映導(dǎo)體的電導(dǎo)率分布，進(jìn)行圖像重構(gòu)。由理論分析可知，二次感應(yīng)磁通密度的實(shí)部由位移電流引起，與導(dǎo)體的介電常數(shù)有關(guān)，虛部由渦旋電流感生，與導(dǎo)體的電導(dǎo)率近似成線(xiàn)性關(guān)系。

電阻抗成像電磁阻抗成像（EMIT）

Levy等人提出了一種成像技術(shù)叫電磁阻抗成像（EMIT），既測(cè)量EIT的邊界電壓，又通過(guò)線(xiàn)圈記錄外部磁場(chǎng)。他們通過(guò)數(shù)值模擬得出結(jié)論，附加的一小部分磁場(chǎng)的測(cè)量可以減小EIT問(wèn)題的條件數(shù)，即改善了問(wèn)題的病態(tài)性。

電阻抗成像電場(chǎng)電阻率成像（EFT）

還有另外一種完全非接觸電阻抗成像方法——電場(chǎng)電阻率成像（EFT）[90]。這種成像方法采用與成像體非接觸的電極激勵(lì)交變電場(chǎng)，激勵(lì)電極在成像目標(biāo)體近表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷，而在遠(yuǎn)離電極的一面產(chǎn)生相反電荷，使得測(cè)量電壓和激勵(lì)電壓之間的相移攜帶有成像目標(biāo)體電阻率特性信息，進(jìn)而可以建立相移與電阻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，據(jù)此重構(gòu)出成像體電阻率分布圖像。

電阻抗成像磁探測(cè)電阻抗成像（MDEIT）

磁探測(cè)電阻抗成像（MDEIT）通過(guò)貼在成像目標(biāo)體的成對(duì)電極，向成像目標(biāo)體注入一定頻率的交變電流，然后用某種形式的接收裝置，例如感應(yīng)線(xiàn)圈、超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）等，測(cè)量注入電流在成像目標(biāo)體外產(chǎn)生的磁場(chǎng)，根據(jù)表面磁場(chǎng)的反問(wèn)題求解獲得產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分布，進(jìn)而從電流分布重構(gòu)出電導(dǎo)率分布圖像。

綜上所述，電阻抗成像（EIT）主要包括注入電流電阻抗成像方法（ACEIT），感應(yīng)電流電阻抗成像方法（ICEIT），磁共振電阻抗成像方法（MREIT）和電磁阻抗成像（EMIT），磁感應(yīng)成像方法（MIT），電場(chǎng)電阻率成像方法（EFT）和磁探測(cè)電阻抗成像（MDEIT）。它們的激勵(lì)方式和傳感接收方式各不相同，見(jiàn)表1。

表1 EIT各種方法的激勵(lì)和傳感方式的比較

1. Brown B H, Seagar A D. The Sheffield data collection system[J].Clinical Physics and Physiological Measurement.1987,8(Supplement A):91–97.

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3. Freeston I L, Tozer R C. Impedance imaging using induced currents[J].Physiological Measurement.1995,16(Supplement 3A):257–266.

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5. Ozparlak L，Ider YZ．Induced curent magnetic resonance—electrical impedance tomography[J]．Phys Meas，2005，26：289—305．

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10. Levy S, Adam D, Bresler Y. Electromagnetic impedance tomography (EMIT): a new method for impedance imaging[J].IEEE Transactions on Medical Imaging.2002,21(6):676–687.

11. Korjenevsky, A V 2004 Electric field tomography for contactless imaging of resistivity in biomedical applications Physiol. Meas. 25 391–401

12. 劉國(guó)強(qiáng).醫(yī)學(xué)電磁成像[M].北京：科學(xué)出版社,2006

13. 何為, 羅辭勇, 李征.電阻抗成像原理[M].北京：科學(xué)出版社,2009

14. 徐桂芝, 李穎.生物醫(yī)學(xué)電阻抗成像技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010

電阻抗成像（Electrical Impedance Tomography, EIT）是醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的一個(gè)新方向，它的基本原理是根據(jù)人體內(nèi)不同組織在不同的生理、病理狀態(tài)下具有不同的電阻/電導(dǎo)率，采用各種方法給人體施加小的安全驅(qū)動(dòng)電流/電壓，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流或電壓在人體的測(cè)量響應(yīng)信息，重建人體內(nèi)部的電阻率分布或其變化的圖像。

電阻抗成像（EIT）的起源可追溯到上個(gè)世紀(jì)20年代，地質(zhì)學(xué)研究者提出了線(xiàn)性電極陣列的斷層電阻率成像（Resistivity Imaging）技術(shù)，即通過(guò)把電流注入地層，測(cè)得地表電壓來(lái)重構(gòu)不同地層的導(dǎo)電特性，從而確定礦藏的分布。70年代，生物醫(yī)學(xué)研究者提出了圓形電極陣列的斷層電阻率測(cè)量技術(shù)（Tomographic Resistivity Measurement Technique）。第一幅電阻抗圖像是由Henderson和Webster于1978年報(bào)道的，他們得到了可以顯示人體肺和心臟的圖像，但這還不是斷層圖像，而是類(lèi)似X胸片的透視圖像。1984年英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的Barber研究組報(bào)道了電導(dǎo)率斷層成像的實(shí)驗(yàn)，獲得了電導(dǎo)率分布圖像，開(kāi)辟了電阻抗層析成像技術(shù)這一新的研究領(lǐng)域。目前美國(guó)、英國(guó)和中國(guó)等有30多個(gè)研究組在進(jìn)行電阻抗成像的研究。電阻抗成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面有廣泛的應(yīng)用，關(guān)于EIT在檢測(cè)中風(fēng)、肺氣腫、心肌萎縮、膀胱疾病、乳腺癌等方面均有醫(yī)學(xué)報(bào)導(dǎo)。

醫(yī)學(xué)電阻抗成像方法按照激勵(lì)器和測(cè)量器是否與成像目標(biāo)體接觸來(lái)劃分，可以分為接觸式、不完全接觸式和非接觸式三類(lèi)。接觸式電阻抗成像采用電極激勵(lì)、電極和非接觸形式共同接受的方式，提取與人體生理、病理相關(guān)的電特性信號(hào)，包括注入電流電阻抗成像方法（applied current electrical impedance tomography，ACEIT），磁共振電阻抗成像方法（magnetic resonance electrical impedance tomography, MREIT）和電磁阻抗成像（electro-magnetic impedance tomography, EMIT）等；不完全接觸式電阻抗成像采用線(xiàn)圈激勵(lì)和電極接收的方式，或者采用電極激勵(lì)和線(xiàn)圈接收的方式，包括感應(yīng)電流電阻抗成像方法（induced current electrical impedance tomography，ICEIT）和磁探測(cè)電阻抗成像（magnetic detection electrical impedance tomography，MDEIT）；非接觸式電阻抗成像的激勵(lì)器和接收器都不與成像體接觸，主要包括磁感應(yīng)成像方法（magnetic induction tomography，MIT）和電場(chǎng)電阻率成像方法（electrical field tomography，EFT）。

EIT技術(shù)具有很多優(yōu)勢(shì)，如對(duì)人體無(wú)創(chuàng)，無(wú)電離和輻射危險(xiǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量簡(jiǎn)便，可以用于快速的便攜式成像，并且在對(duì)于人體心血管、食道、胃部等生理活動(dòng)進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)的圖像監(jiān)護(hù)方面具有廣泛的應(yīng)用前景，這些是目前多數(shù)臨床成像手段難以做到的。同時(shí)該設(shè)備造價(jià)低廉、檢測(cè)費(fèi)用低的特點(diǎn)非常適合進(jìn)行廣泛的醫(yī)療普查。利用EIT技術(shù)，既可以得到解剖學(xué)影像，又可以得到人體器官生理活動(dòng)（如呼吸、心臟搏動(dòng)）的功能性圖像。解剖影像是利用組織阻抗的頻率依賴(lài)性對(duì)體內(nèi)的阻抗分布進(jìn)行成像。既往研究表明某些人體組織的生理功能變化能引起組織阻抗的變化（如組織充血和放電等），某些組織病理改變也能引起組織阻抗的變化（如癌變等），這些信息將會(huì)在EIT圖像中體現(xiàn)出來(lái)，所以EIT具有功能成像的性質(zhì)。

EIS技術(shù)基于平行電流場(chǎng)擾動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)，三維簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 三維簡(jiǎn)化的EIS仿真模型

（1：均勻介質(zhì)，2：擾動(dòng)目標(biāo)，3：測(cè)量電極陣列，4：保護(hù)環(huán)，5：參考電極）

圖2二維電場(chǎng)內(nèi)電流分布示意圖

圖2是EIS檢測(cè)技術(shù)的二維電流場(chǎng)分布模型， 通過(guò)建立兩個(gè)平行的導(dǎo)電面A和B，在平行的導(dǎo)體面A和B之間設(shè)立阻抗均勻分布的場(chǎng)域，將導(dǎo)體面A接地即電位為零，導(dǎo)體面B接電壓為V，則在導(dǎo)體面A和導(dǎo)體面B之間建立均勻電流場(chǎng)，導(dǎo)體面B上的電流密度分布也為恒定值I₀；當(dāng)場(chǎng)域中某一區(qū)域阻抗發(fā)生變化時(shí)，即當(dāng)阻抗由均勻分布變?yōu)?，其中；?dāng)阻抗分布不均勻時(shí)，電流場(chǎng)發(fā)生顯著擾動(dòng)時(shí)，原來(lái)導(dǎo)體面B均勻分布的電流密度，會(huì)在阻抗擾動(dòng)區(qū)域的垂直投影位置產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng)，電流分布存將在I₀的基礎(chǔ)上擾動(dòng)形成一個(gè)峰值I_max；因而可以根據(jù)導(dǎo)體面B上均勻電流分布的擾動(dòng)來(lái)判斷場(chǎng)域中阻抗分布的擾動(dòng)。電阻抗分布均勻的電流分布圖如圖2（A）所示，若電極陣列下方的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)存在電阻抗異常擾動(dòng)包塊，則會(huì)使均勻電流場(chǎng)發(fā)生擾動(dòng)（如圖2B所示），體表電極陣列上探測(cè)到的電流值也發(fā)生擾動(dòng)。包塊正上方電極單元上測(cè)得的電流值顯著增大，而其他電極上測(cè)得的電流值基本不變；由于電壓恒定，探頭電極陣列各電極上檢測(cè)到得的電流值與其所覆蓋的組織電阻抗成反比線(xiàn)性關(guān)系，因而乳房表面電極陣列上電流的分布代表了從平行板電場(chǎng)間的電阻抗分布；擾動(dòng)目標(biāo)體的可探測(cè)性與其深度、大小及病變與周?chē)橘|(zhì)電導(dǎo)率的比值有關(guān)。EIS可檢測(cè)到響應(yīng)電流的幅值和相位信息，并按照電極陣列的位置形成二維信號(hào)分布，并以灰度圖像顯示。EIS圖像不是解剖圖像，其實(shí)質(zhì)是經(jīng)導(dǎo)納的“映射”。