人体胸部电阻抗成像建模方法研究

肺部三维EIT模型构建与图像重建研究陈晓艳;褚猛丽;常晓敏;章晓洁【摘要】肺部三维电阻抗图像重建是电阻抗成像技术的重要应用之一.利用3D光学云点技术对人体胸腔区域扫描,并融合X图像提供的肺部结构构建肺部三维EIT 仿真模型.根据肺部膨胀及收缩时的电导率先验知识,由COMSOL软件求解获得三维灵敏度矩阵,并在Matlab平台下由共轭梯度迭代算法重建肺部EIT断层图像,进行三维立体重构,获得3D EIT图像.为研究电流敏感场均匀性,设置4组不同电极层间距进行比较仿真实验,结果表明,对于33 cm胸腔区域,电极层间距为8 cm时,成像效果最佳,其最大相关系数为0.810 3,敏感场均匀性为1.869 6×103,结构相似度为0.482 5,灵敏场的均匀性明显改善,有利于图像重建质量的提高.【期刊名称】《中国生物医学工程学报》【年(卷),期】2017(036)005【总页数】5页(P622-626)【关键词】电阻抗成像;肺部三维;图像重建;共轭梯度迭代;先验信息【作者】陈晓艳;褚猛丽;常晓敏;章晓洁【作者单位】天津科技大学电子信息与自动化学院,天津300222;天津科技大学电子信息与自动化学院,天津300222;天津科技大学电子信息与自动化学院,天津300222;天津科技大学电子信息与自动化学院,天津300222【正文语种】中文【中图分类】R318.08EIT是一种新颖的无损成像技术，它根据物体内部组织电特性，对其表面施加安全电压/电流激励，通过测量物体边界电信号，重建物体内部电特性参数的分布及其变化情况［1-2］。

电阻抗成像技术在医学领域、工业领域的应用日趋广泛，尤其在医学领域［3］更为社会各界所关注，如在肺通气监测［4-5］、脑组织变化跟踪［6］、胃排空与收缩状态检测［7］等方面。

目前在国内肺部三维EIT成像研究中，天津大学王化祥小组采用人体胸腔轮廓，但仅局限于二维图像重建；河北工业大学徐桂芝小组利用4层电极在圆柱体边界模型下进行肺部成像，实现了动态肺呼吸过程图像重建［8］；国外的曼彻斯特大学EIT课题小组利用MR图像构建胸腔轮廓模型，并结合分割方法与信息相互计算进行肺部三维图像重建［9］。

生物电阻抗测量及成像生物电阻抗测量及成像一.引言生物电阻抗在医学上是一种非常简单的测量方法，根据它的原理，我们可以走出相关器材，而且它富有医学上许多的要求，而且测量结果准确，器材使用寿命高等优点，所以生物电阻抗在生物医学测量中有着不可或缺的作用。

本文阐述了生物电阻抗法生物医学检测的几个方面的应用，即电阻抗式呼吸监测、阻抗血流图、生物电阻抗法人体成分检测、电阻抗断层成像技术等。

二.生物电阻抗简介生物电阻抗测量（阻抗生物电阻抗测量）是一种利用生物组织和器官的电特性提取人体生理和病理条件的生物医学信息的检测技术三.起源与发展1.起源十八世纪末，意大利神经生理学家伽利米通过观察青蛙的神经肌肉收缩建立了生物电的理论，这可能是最早的生物电阻抗测量的应用。

德国科学家赫尔曼是第一个研究生物组织电阻抗的人。

在1871年，他用电流通过不同方向的骨骼肌时，发现了不同的阻力值。

这就是骨骼肌的阻力，经计算，横向阻力（沿骨骼肌方向）约为纵向阻力的4～9倍（沿骨骼肌的方向）。

1930年，SAPGENO首次首次使用交流电桥测量出生物组织的电容。

自那时以来，生物电阻抗技术正变得越来越实用。

人体成分分析技术、人体流程图和电阻抗断层成像技术开始成为各国学者研究的重点方向。

2.国外发展最早用来测量生物组织电阻抗的是电桥法，但是因为它很难调节桥梁的平衡，而且精度不高。

因此，在现实中，这种方法相对并不适用。

还有就是Geddes L. A提出了双电极测量技术。

由于其诸多缺点，四电极已经取代这种方法。

Warsaw 理工大学的T. Palko以及F.BiAlOKZ和其他学者已经开发了一种多频生物电阻抗测量系统来提取生物电阻抗的振幅。

印度科学家进行了山羊眼睛晶状体电阻抗的测量与建模，将眼部晶状体物质在不同刺激频率下的阻抗图进行描绘，其展现出完美的半圆弧图形。

3.国内发展早些时候发明了一套生物组织的四电极复合阻抗测量系统，其意义在于测量了生物组织的复阻抗频率特性。

0 引言电阻抗成像是基于生物体组织在不同的生理、病理状况下的电阻抗（电导率、电阻率）分布差别较大，通过贴放在被测生物体表面的电极在生物体表面施加微小的激励电流或电压，在生物体组织内部产生微弱的电场，利用在体表测得的电压信号配合一定的成像算法以实现生物体组织内部电阻抗分布图像重构。

电阻抗成像具有用途广泛，健康环保安全，经济可循环使用，快速便捷易用等优点。

国外在电阻抗成像技术领域相对比较成熟，已经从实验室转向了临床研究。

较著名研究团队有：Sheffield Group(英国），侧重肺部成像；Oxford Group(英国）,侧重重建算法和自适应断层扫描硬件；Barcelong Group(西班牙），侧重硬件测量和图像重构。

国内在电阻抗成像技术领域起步较晚，目前研究尚处于实验室研究阶段。

主要研究单位有：第四军医大学、重庆大学、天津大学、河北工业大学和中国医学科学院生物医学工程研究所等。

研究领域主要集中在数据获取系统以及图像重构算法方面。

1 EIT 系统EIT 系统主要有数据检测和重建算法两部分组成（如图1所示）。

EIT 系统的基本原理是通过多路开关向安装在被测生物体组织表面的电极注入安全激励信号，同时通过测量目标区域表面能够反映阻抗信息的电压信号，信号经过高精度的放大电路处理后，经相敏解调电路和A/D 转换器进行信号恢复和数字化处理，最后计算机通过图像重构算法得到能够反映被测区域生物体组织电阻抗变化的图像。

电阻抗数据检测系统的功能是采集生物体组织电阻抗及其变化的信息。

图像重建根据电阻抗数据检测系统提供的生物体组织的电阻抗及其变化信息，采用相应的重建算法对生物体组织的电阻抗及其变化信息实现图像重建与显示功能[1]。

2 EIT 系统激励模式外部电压激励，外部电流测量的电压激励模式、外部电流激励，外部电压测量的电流激励模式是电阻抗成像技术最早采用的两种激励模式。

由于生物体与贴放其表面的电极有电流通过时会产生接触阻抗这种固有的物理特性，外部电压激励，外部电流测量的电压激励模式无法克服这种固有的物理特性对电阻抗成像检测系统影响，另外生物体所能承受流经的激励电流是有安全边际的，即流经生物体的电流不能超过5mA,采用此模式时流经被测生物体的激励电流控制在5mA 的安全范围内难度较大，临床应用时是不安全的。

胸阻抗法血流动力学胸阻抗法血流动力学胸阻抗法血流动力学是一种非侵入性的检测技术，可以用于对心脏和循环系统的功能进行评估，同时不会对患者进行任何危险的放射线辐射。

胸阻抗法血流动力学可以用于诊断许多心血管疾病，如心律失常、心肌缺血和心力衰竭等。

胸阻抗法血流动力学是一种测量胸部内部电阻的技术，它使用一组电极放置在患者胸部表面上，测量电流在胸部组织中的流动。

这些电极可以测量胸部内部的电流，并确定心脏在胸部内的位置，以及血流量。

这种技术可以帮助医生了解心脏和血液循环系统的状态，并指导疾病的治疗。

胸阻抗法血流动力学的应用胸阻抗法血流动力学广泛应用于心血管疾病的诊断和治疗。

例如，它可以用于评估患者心脏的大小和结构，确定心律失常的类型和程度，以及监测患者接受心脏手术或非手术治疗的效果。

此外，胸阻抗法血流动力学还可以用于监测心悸、呼吸困难和急性心肌梗塞等疾病的症状。

如果出现症状，医生可以使用胸阻抗法血流动力学来评估患者的心脏功能和血液循环状态，并根据评估结果调整治疗方案。

胸阻抗法血流动力学还可以检测心肌缺血。

当心肌缺血发生时，心脏的供血不足，导致心肌收缩力下降以及心跳节奏异常。

胸阻抗法血流动力学可以帮助医生监测心肌缺血的过程，并确定是否需要进行进一步的检查和治疗。

胸阻抗法血流动力学的实施胸阻抗法血流动力学需要将一组电极粘贴在患者的胸部表面。

这些电极可以测量胸部内部的电流，并定位心脏的位置。

胸阻抗法血流动力学也可以测量心脏的电活动，以确定心脏是否正常运作。

一旦电极放置完成，医生会将一小量电流通过它们，以测量胸部内部的电阻力。

根据电流的流动方向、强度和电极之间的距离，可以计算出心脏的位置以及血流速度和方向。

胸阻抗法血流动力学的优势胸阻抗法血流动力学具有多种优势。

首先，它是一种无创、无痛、非侵入性的检测技术，不会对患者造成任何危险和不适。

其次，它能够提供详细的心血管信息，包括心脏结构、功能和血流动力学，可以帮助医生更好地了解患者的病情，并制定更有效的治疗方案。

人体电阻抗功能医学人体电阻抗在功能医学中的应用功能医学是一种综合运用多种医学技术和方法，以评估人体功能状态和解决健康问题的医学领域。

而人体电阻抗是功能医学中常用的一种非侵入性生物电测量方法，它可以通过测量电流在人体内传播的速度和路径来评估人体的生理功能和健康状况。

人体电阻抗测量是基于人体组织对电流的阻碍程度而进行的。

人体组织中的水分和电解质是导电的，而脂肪和骨骼组织则是较差的导电体。

根据不同的电导率，电流在人体内部会遇到不同的阻力。

通过测量在人体内部传播电流的速度和路径，可以获得关于人体组织构成和生理状态的信息。

人体电阻抗测量通常使用双极或四极电极配置。

双极电极配置是最常见的，其中一个电极位于手脚等肢体上，另一个电极则位于相对应的肢体上。

而四极电极配置则使用两对电极，一对用来施加电流，另一对用来测量电压。

这种配置可以更准确地测量电阻值，从而提供更精确的数据。

人体电阻抗测量常用于评估人体的体脂含量和身体组成。

由于脂肪组织的电导率较低，而水分和肌肉组织的电导率较高，因此通过测量电阻值可以估计人体的体脂含量和肌肉质量。

这对于健身人士和肥胖人群来说尤为重要，可以帮助他们了解自己的身体组成，从而制定更合理的健身和减重计划。

除了评估体脂含量和身体组成外，人体电阻抗测量还可以用于评估人体的水分状态。

水分是人体健康的重要组成部分，水分不足或过多都会对身体产生负面影响。

通过测量电阻值，可以评估人体内部的水分含量和分布情况，从而为调节水分摄入和排出提供参考。

人体电阻抗测量还可以用于评估人体的细胞健康和代谢功能。

细胞的健康和代谢功能对于人体的正常运作至关重要。

通过测量电阻值，可以获得关于细胞的电导率和代谢水平的信息。

这对于研究疾病的发生和发展机制，以及评估治疗效果都具有重要意义。

人体电阻抗测量作为功能医学的一种工具，已经在临床实践中得到广泛应用。

它具有非侵入性、简单易行、无放射性等优点，可以为医生和患者提供有价值的生理信息。