生物醫學電阻抗成像技術[生物醫學成像技術]

生物電阻抗成像技術是繼形態、結構成像之後的新一代更為有效的無損傷功能成像技術，是醫學成像技術的一個新方向，是當今生物醫學工程學的重要研究課題之一。

背景

生物醫學電阻抗成像（BEII）

生物醫學電阻抗成像 （biological electricalimpedance imaging ,BEII）是一種無創的以人體內部的電阻率分布為目標的重建體內組織圖象的技術。人體是一個大的生物電導體，各組織、器官均有一定的阻抗，當人體表面加入一定的電流或電壓時，體內不同的阻抗分布就會在體表測量到不同的電壓或電流。所以，電阻抗成像技術實際上就是：通過人體特定部位注入已知電壓來測量在體表所引起的電流，或者注入一已知電流來測量在體表所引起的電壓，利用所測量的電流電壓值，依照一定的重建算法，計算出人體內部各組織、器官在電場作用下所呈現的阻抗分布，利用計算機產生斷層成像。

產生歷史

美國 Henderson 和 Webster1978 年報導的“阻抗相機”是國際上最早進行的生物阻抗成像研究。1983 年英國 Sheffield 大學 Barber 和 Brown 領導的小組開始了電阻抗斷層成像研究。由於電阻抗成像技術不使用核素或射線 ，對人體無害，且可以多次測量 ，重複使用，成像速度快、具有功能成像等特點，加之成本低廉，不要求特殊的工作環境等，其作為一種潛在的理想並具有誘人套用前景的無損傷醫學成像技術，迅速成為研究熱點。

基本原理

生物電阻抗成像技術的基本原理 是根據人體內不同組織在不同的生理、病理狀態下具有不同的電阻 (導)率 ,通過各種方法給人體施加小的安全驅動電流(電壓) ,在體外測量回響電壓(電流) 信號以重建人體內部的電阻率分布或其變化的圖像。

研究分類

近三十年來，有關 BEII 的研究 迅速，包 括：

電阻抗斷層成像

電 阻抗斷層成像( electrical impedance tomography， EIT)是將電極排列在目標的某一層面周圍，對相應層面的電阻率或電阻率變化進行圖像重構的技術；

電阻抗掃描成像

電阻抗掃描成像(electrical impedance scanning imaging， EISI)，其基本原理是利用均勻介質中的電阻率變異使均勻分布在組織的外加電流或電壓場所產生的畸變。通過對感興趣的區域施加小的電激勵，根據組織電場分布特性、測量相應的電流或電壓，進行多點、多頻測量結果的成像；

磁感應電阻抗成像

磁感應電阻抗成像(magnetic induction tomography ，MIT)是利用電磁感應原理 ，通過測量生物組織的感應磁場，根據重構算法來表現被測組織電阻(導) 率分布的成像方法；

核磁電阻抗成像

核磁電阻抗成像( magnetic resonance electrical impedance tomography , MREIT)是將電流密度成像 (current density imaging ,CDI) 與 EIT 相結合，是一種無創靜態電阻抗成像的新方法能夠獲得具有較高解析度和精確性的生物電阻抗圖像；

人體組織器官的電阻抗頻譜特性的測量

人體組織器官的電阻抗頻譜特性的測量( electrical impedance spectroscopy ,EIS)測量人體組織在不同頻率不同電流時的復阻抗特性，這是所有生物電阻抗及電阻抗成像研究的基礎。

在以上幾個方面的研究中，EIT 的研究歷史較長，MIT 和 MEEIT 均處於起步階段。

套用現狀

EIT研究

在EIT中，有限元模型的剖分可以將特殊邊界條件的場域做近似線性化處理，目的是為了解決外加電場在人體內引起的電流分布的非線性和非均勻性，實質上是利用數值方法求解具有特殊定解的一組偏微分方程。因為逆問題的病態性使成像結果隨數據誤差變化敏感，所以 EIT 的研究始終圍繞著這類基本問題在探索中前進。雖然到目前為止還沒有理想的根本解決的辦法，但是 EIT的研究在不斷向前推進，並且開始臨床套用基礎研究，向臨床套用過渡。

EISI研究

EISI的研究主要針對生物體表淺器官 (如乳房 ,淋巴結 ,甲狀腺等) 的電阻抗成像，採用陣列式檢測電極覆蓋於被測物體表面，通過提取檢測電極陣列上的電流參數 ，並經過成像算法得到被測區域內的電阻抗二維分布圖像。

EIS研究

最早開始 EIS 研究的是德國科學家 Rlermamr , 1871 年成功地測量了骨骼肌的電阻。最初研究的是生物組織在直流狀態下電阻率特性，20 個世紀40 年代，頻率回響分析方法被引入到生物電阻抗測量中，20 世紀 80 年代後期，出現了阻抗頻譜的概念。

套用挑戰

在所有 BEII 研究中 EIT 是相對成熟的，把 EIT推向臨床套用面對的挑戰 是多方面的。

EIT研究的第一個挑戰是臨床套用的切入點的選擇和定位。任何生物醫學工程研究都應是以生物醫學的需求為出發點，以生物醫學的套用為最終目標。EIT研究的初衷就是因為其不僅具有功能成像，而且無創、無射線損害、成本低、能反覆套用等特點。但是因為非線性問題使得圖像的解析度不高。

EIT研究的第二個挑戰是針對明確的臨床套用目的，研究能夠實際套用的數據採集技術、圖像重構技術和圖像處理技術。

EIT研究的第三個挑戰是定性、定量的動物模型成像研究。由

EIT研究的第四個挑戰是臨床套用研究。在動物實驗模型 EIT 成像實驗研究的基礎上，進入臨床病人的 EIT套用研究是將 EIT 過渡到真正的臨床套用的最重要、最關鍵的一個環節。

EIT研究的第五個挑戰是能否組織起真正的臨床醫學和工程有機交叉結合的研究隊伍。

總結與展望

隨著科學技術的不斷進步，越來越先進的生物阻抗成像系統 被研發出來，提供了越來越準確的數據，為生物阻抗成像的發展堅定了堅實的基礎，為生物阻抗成像技術向臨床監護方向的推廣提供了可能。 當然，作為一種發展中的技術，生物阻抗成像方法與系統仍然存在技術上的不足。 相信隨著生物阻抗成像方法與系統研究的深入和進步，一種廉價的、無損傷功能成像技術的廣泛社會效益和巨大經濟效益將展現在人們面前。