电阻抗断层成像
肺电阻抗断层成像与围术肺保护
肺阻抗断层成像技术
▪ 量化肺水肿 肺电阻抗断层成像可以对患者肺水肿情况进行量化。 在一项于2016年发表在Crit Care的研究中，研究者通过肺电阻抗 断层成像比较基线和急性肺损伤期间的肺水比，量化肺水肿
▪ 优势 ▪ 肺电阻抗断层成像属于生物电阻抗成像的一种，可以实时监测患
者肺部通气状态，以动态图像形式反映患者肺部的通气状况（图 1）。
肺阻抗断层成像技术
肺阻抗断层成像技术
▪ 正常肺部通气主要分为三个域：过度通气区、中心通气区和肺不 张区。过度通气区和肺不张区气体交换很少，这些区域对患者很 重要，尤其在病理情况下，这些区域会发生变化，但一般的影像 学检查并没有阳性结果。
肺电阻抗断 层成像与围 术期保护
副标题
前言
▪ 常规的肺部影像学检查，如胸片、CT、核磁共振等，只能检测肺 部正常结构和异常病变，在病变没有引起肺结构改变之前的功能 变化，就无法观察。
▪ 临床常用的肺功能检查是对人体呼吸系统生理功能状态所进行的 客观、定量的评价，但是检查过程中需要患者配合操作者口令， 及时做出呼气和吸气ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ动作，存在一定的局限性。
▪ 评估肺复张效果 张野教授等人于2018年发表在《中华麻醉学杂 志》、题为“肺复张对腹腔镜胆囊切除术后早期肺通气的影响：电 阻抗成像法评价”的研究中，探讨了肺电阻抗断层成像法评价肺复 张对腹腔镜胆囊切除术后早期肺通气的影响，结果表明，肺复张 可缓解腹腔镜胆囊切除术后早期肺局部中心通气下降。
生物电阻抗断层成像技术的研究进展
摘要电阻抗断层成像是一种新的成像技术，在临床图象监护和功能成像方面有很好的应用前景（无创、简单、容易应用等）. 作者在生物电阻抗断层成像的基本原理的基础上，介绍目前研究的进展并提出了研究中的关键问题.1 生物电阻抗断层成像的基本原理电阻抗断层成像(electrical impedance tomography，EIT)是根据人体内不同组织具有不同的电阻抗这一物理原理，通过给人体注入小的安全电流,测量体表的电位来重建人体内部的电阻抗分布图像，是医学成像技术的一个新方向.电阻抗断层成像系统由数据测量系统（Data Measurement System, DMS）及图像重构软件两大部分组成. 数据测量系统的作用就是在正弦激励下从体表测量中解调出反映体内阻抗分布的电信号，经A/D及数据处理后为阻抗图像重构算法提供高精度的数据. EIT系统的总体结构如Fig 1所示.其中，激励源的作用是产生对人体安全的正弦激励并以一定的激励模式施加于激励电极上；测量系统的主要功能是从测量电极以一定测量模式获取正弦激励下的体表电信号，经高精度放大后采用解调技术提取反映成像目标内阻抗分布信息，供算法重构阻抗图像应用；控制电路作为计算机与激励源及测量电路间的接口电路，主要负责激励源及测量电路的参数及模式设置，以及校正和定标等功能；计算机主要进行总体控制、数据处理、图像重构、图像显示等功能.EIT技术具有很多优势. 既往研究表明某些人体组织的生理功能变化能引起组织阻抗的变化（如：组织充血和放电等），某些组织病理改变也能引起组织阻抗的变化（如癌变等）［1］，这些信息将会在EIT图像中体现出来. 所以EIT具有功能成像的性质. 该技术对人体无创无害，系统结构简单，测量简便，在对于患者长期的图像监护这方面具有广泛的应用前景，这些是目前多数临床成像手段难以做到的. 同时该技术造价低、费用低的特点也非常适合进行广泛的医疗普查. 虽然目前其图像分辨率不能与CT等成像技术相比，但它仍是一种有应用前景的新型成像技术，是对目前医学成像手段的一个有力的补充.2 生物电阻抗断层成像的研究概况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.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［2］，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(Perturbation Method)［3］修正的Newton-Raphson方法［4］双限定方法(Double Constraint Method)［5］敏感性方法（Sensitivity Method）［6］等位线反投影算法［7］. 谱展开法［8］M.Zadehkoochak算法［9］基于神经网络的重构算法［10］:广义逆法［11］等.英国Sheffield大学Brown等［12］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统（Adaptive Current Tomograph, ACT2)［14］. 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）［15］，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.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［16］. 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/voltage compound 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.上面介绍了几个有代表性的电流驱动的测量系统，在电压驱动的DMS中，美国Washington大学的Woo等在1986年建立了32电极、激励频率100 KHz的测量系统［18］；比利时Geeraerts等在1992年建立了基于物理模型的32电极14 bit 精度的电压激励电流测量系统［19］；英国Oxford Polytechnic的Zhu等［20］在上述ACT2，ACT3的基础上于1992年设计了有32个复合电极的自适应电压激励及电压测量系统.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［21］. 近三年来，电阻抗成像在二维和单频的基础上向三维［22］及多频［23］成像方面发展，也有学者从事感应电流（induced current）EIT的研究［24］.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［25］.3 EIT研究的关键及难点3.1 信息的质量、数量问题3.1.1 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.3.1.2 高精度、高信噪比的数据测量系统目前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［26］，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3%的阻抗变化在体表只能得到0.15%的改变. 由此看出，由生理特性决定EIT技术对DMS提出了具有高精度、高信噪比的要求. 另外，阻抗图像重构的算法中有大量矩阵运算或多次迭代运算，经测量系统得到的数据的信噪比大小将直接影响成像质量. 因此，为得到质量较好的重构图像，也要求DMS必须有高精度、高信噪比的基本特性.3.1.3 新的驱动检测原理技术研究由于测量电极的限制，每次只能得到非常有限的独立测量数据（N个电极能得到N（N-1）/2个数据），因此需对驱动检测方法做进一步的研究探讨，驱动检测技术包括向人体施加电能的原理（电流或电压等）研究；施加电能的方式（接触或感应等）研究；电极的尺寸、个数和排列方法研究等；电极的尺寸与断层截面的厚度、电极的数量与信息量的矛盾、电极固定位置与测量的稳定性的矛盾等问题的研究. 这些问题需有新的突破才能使阻抗断层成像技术上一个新台阶.3.2 关于重构算法问题由于EIT是非线性问题，在求解算法方面存在很多困难，虽然在动态及静态EIT技术都提出很多种算法，但是图像重构效果都不能令人满意. 这些算法基本上都是基于有限元方法，目前各种算法的主要问题在于收敛性能、抗噪能力较差，而且随着抛分规摸的增加计算量也大幅度增加,病态性程度也增加等.参考文献1 Seagar AD, Barber DC, Brown BH. Theoretical limits tosensitivity and resolution in impedance imaging. Clin Phys Physiol Meas,1987;8:13-312 Woo EJ, Hua P, Webster JG et al. Finite-element method in electrical impedance tomography. Med Bio Eng & Comput,1994;32(4):530-5363 Kim Y, Webster JG，Tompkins WJ. Electrical impedance imaging of the thorax. J Microwave Power, 1983;18:245-2574 Yorkey TJ, Webster JG，Tompkins WJ. Comparing recon-struction algrithms for electrical impedance tomography. IEEE Trans Biomed Eng,1987;34(11):843-8525 Wexler A, fry B and Neuman MR. Impedance-computed tomography algrithm and system. Applied Optics,1985;24(23):3985-39926 Murai T，Kagawa Y. Electrical impedance computed tomography based on a finite element model. IEEE Trans Biomed Eng, 1985;32(3)177-1847 Barber DC, Seagar AD. Fast reconstruction of resistive images. Clin Phys and Physiol Meas, 1987;8(supplement A):47-548 Meeson S, Killingback ALT, Blott BH. The de pendence of EIT images on the assumed inital conductivity distribution: a study of pelvic imaging. Phys Med Biol,1995; 40(5)：643-6579 Zadehkoochak M, Hames TK, Blott BH et al. A transputer implemented algorithm for electrical impedance tomography. Clin Phys Physiol Meas, 1990;11(3):223-23010 Andy Adler, Robert Guardo. A neural network image reconstruction technique for electrical impedance tomography. IEEE Trans on Med Imag, 1994; 13: 594-60011 汤梦星. 动态电阻抗断层成像算法的研：［硕士毕业论文］. 西安：第四军医大学，199712 Brown BH. Cardiac and respiratory related electrical impedance changes in the human thorax. IEEE Trans Biomed Eng,1994; 41(8):729-73313 Robert WM, Smith HJ. A real-time electrical impedance tomography system for clicinal use-design and preliminary results. IEEE Trans Biomed Eng, 1995;42(2) 133-14014 Newell JC. An Electric Current Tomograph. IEEE Trans Biomed Eng, 1988;35(10):828-83315 Saulnier GJ, Cook RD. A high-speed high-precision electrical impedance tomograph. 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电阻抗断层成像
0707024101 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日精品文档。
1欢迎下载摘 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AbstractElectrical 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 body 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精品文档。
肺电阻抗断层成像与围术肺保护
围术肺保护策略
术前评估
肺功能评估：了解患者肺功能状 况，预测术后肺损伤风险
胸部影像学检查：了解肺部病变 情况，评估手术风险
呼吸功能训练：提高患者呼吸功 能，降低术后肺部并发症风险
营养支持：改善患者营养状况， 提高术后恢复能力
术中监测
01
呼吸频率：监测 呼吸频率，确保
患者呼吸正常
02
血氧饱和度：监 测血氧饱和度， 确保患者氧气供
弛程度合适
10
手术部位：监测 手术部位，确保 手术部位无感染、
出血等并发症
术后处理
保持呼吸道通畅：及 时清除呼吸道分泌物，
防止气道阻塞
监测生命体征：密切 监测患者生命体征， 及时发现并处理并发
症
呼吸支持：根据患者 情况选择合适的呼吸 支持方式，如无创通
气、有创通气等
康复治疗：根据患者 情况制定个性化的康 复治疗计划，促进肺
辅助决策
临床应用拓展
1 肺部疾病诊断：提高诊断准确性，减少误诊率 2 肺部手术规划：辅助手术方案制定，提高手术成功率 3 肺部疾病治疗：实时监测治疗效果，调整治疗方案 4 肺部疾病预后评估：预测疾病发展，制定预防措施 5 肺部疾病研究：为研究提供新的方法和技术支持 6 肺部疾病远程医疗：实现远程诊断和治疗，提高医疗资源利用率
血风险
4
肺部肿瘤评估： 发现肺部肿瘤， 为手术方案提供
依据
术中实时监测
实时监 测肺通 气功能
实时监 测肺血 流量
实时监 测肺水 肿情况
实时监 测肺气 道压力
实时监 测肺顺 应性变 化
实时监 测肺功 能恢复 情况
01
02
03
04
05
06
肺电阻抗断层成像与围术肺保护
顺应性等
03
影像学检查：进行胸部X 线、CT等影像学检查，了 解肺部病变情况
04
心肺功能测试：进行心肺 功能测试，评估患者的心 肺储备功能和手术耐受性
术中管理
1
麻醉方式：选择合适的麻醉方式，如全身麻醉或局部麻醉
2
通气策略：采用合适的通气策略，如间歇正压通气或持续气道正压通气
3
体位管理：保持适当的体位，以减少肺不张和肺水肿的风险
复情况
3 肺电阻抗断层成
像可以评估术后 肺部并发症发生 情况
4
肺电阻抗断层成像与围术 肺保护的未来发展
技术优化
01 提高成像分辨率：提高图像质 量，提高诊断准确性
02 降低辐射剂量：减少辐射对患 者的影响，提高安全性
03 实时成像：实现实时监测，提 高手术效率和成功率
04 智能化分析：利用人工智能技 术，实现自动诊断和辅助决策
制定针对性治疗方案
小和范围，指导手术方案制定
04
肺部血管评估：评估肺部血管状况，
05
肺部感染评估：了解肺部感染情况，
预测术中出血风险
指导抗生素使用和手术时机选择
术中实时监测
实时监测肺通气情况，及时发 现肺不张、肺水肿等问题
实时监测肺血流情况，及时发 现肺栓塞、肺出血等问题
实时监测肺功能变化，及时调 整麻醉、通气等治疗方案
临床应用拓展
01
肺部疾病诊断：提高诊断准 确性，减少误诊率
02
肺部手术规划：辅助手术方 案制定，提高手术成功率
03
肺部疾病治疗：指导药物选 择，提高治疗效果
04
肺部疾病预后评估：预测疾 病发展，制定个性化治疗方
案
05
肺部疾病预防：早期发现肺 部疾病，降低发病率
EIT技术的应用领域及研究现状
EIT技术的应用领域及研究现状EIT（Electrical Impedance Tomography，电阻抗断层成像技术）是一种无创、无辐射的医学成像技术，广泛应用于医学诊断、生物学研究、材料检测等领域。
EIT通过测量电流注入对象并测量电压响应来推导出对象内部的电阻抗分布，从而获得对象内部的电阻抗图像。
在医学诊断方面，EIT技术可以用于肺部图像重建，可以监测呼吸机患者的气体分布情况，并可以诊断肺炎、肺水肿等肺部疾病。
此外，EIT还可以用于心脏电阻抗成骑及脑电阻抗成像，可以通过监测心脏和脑部电阻抗变化来诊断心脏疾病和脑部疾病。
在生物学研究中，EIT可以用于研究动植物器官的生理活动，如观察植物根系的水分吸收情况、监测动物心脏的电阻抗变化等。
此外，EIT还可以用于研究细胞培养中的生长和变化情况，对于细胞生物学研究具有重要意义。
在材料检测中，EIT可以用于检测材料中的缺陷、裂纹和内部结构等。
利用EIT技术可以对材料进行非破坏性检测，并能够检测出微小的结构变化，对于材料科学研究和工业生产具有重要意义。
目前，EIT技术在医学、生物学和材料检测等领域的应用研究已经取得了一些进展。
在医学领域，EIT技术已经应用于肺部图像重建和心脏电阻抗成像等方面，并在一些临床中得到了初步的验证。
在生物学研究领域，EIT技术已经被用于观察植物的根系水分吸收、动物心脏电阻抗成像等方面，并且对细胞生长和变化的研究也取得了一些成果。
在材料检测领域，EIT技术已经被应用于金属材料、陶瓷材料以及复合材料等的检测中，并且有相关的商业产品问世。
尽管EIT技术在上述领域有一定的应用，但还存在许多挑战和问题需要克服。
首先，EIT技术的成像分辨率还有待提高，特别是对于复杂的生物组织和材料结构，如肺部和大脑等。
其次，EIT技术需要解决电流注入和电极位置对成像结果的影响问题，以提高成像精度和可重复性。
此外，EIT技术在临床应用中还需要进一步的验证和严格的临床试验，以确保其安全性和准确性。
2023电阻抗断层扫描对危重患者肺灌注评价的临床应用进展
2023电阻抗断层扫描对危重患者肺灌注评价的临床应用进展摘要肺灌注监测能够提供危重患者肺部血流改变的准确信息，从而为临床诊疗提供证据。
但受限于患者转运等不便，传统的影像学检查无法满足实时监测肺灌注的需求。
因此寻找更便捷可靠的实时功能学成像技术，对优化危重患者心肺管理具有重要意义。
电阻抗断层扫描（EIT）作为一种无创、无辐射的新兴功能成像技术，可用于床边评估急性呼吸窘迫综合征、肺栓塞等患者的肺灌注，从而协助疾病诊断、调整机械通气策略等治疗方案以及评估疗效。
本文主要对肺电阻抗断层扫描技术用于危重患者肺灌注监测的研究进展进行综述。
基于局部通气和灌注密切的匹配，气体才能在肺部进行有效的交换，因此肺通气和肺灌注的评估对于危重患者的心肺管理具有重要的意义，并成为协助诊断和评估病情、调整呼吸机设置等治疗策略的重要标准［1］。
近年来，电阻抗断层扫描（electrical impedance tomography，EIT）作为一种新型的非侵入性无辐射的功能性成像方式，逐渐受到研究者们的关注［2］。
它使用单个外部电极环来对体内的阻抗变化进行成像，因其便携性可以快速实时地针对局部肺通气及肺灌注进行床边监测，尤其对危重患者产生了积极的意义［3］。
本综述旨在关注电阻抗断层扫描评估危重患者肺灌注的临床应用进展，并对其应用前景和局限性进行讨论。
一、原理EIT监测肺灌注主要通过两种方法实现，分别为基于区域电阻抗断层扫描信号搏动监测肺灌注和高渗盐水增强造影EIT肺灌注成像。
心跳引起的肺血流量改变和呼吸引起的肺内气体量改变都会引起胸腔电阻抗的变化，因此在EIT波形中，可以观察到区域电阻抗信号搏动，并通过分离心脏相关信号和通气相关信号来提取关于肺灌注的连续信息［4］。
但后续研究发现电阻抗搏动方法主要测量肺血容量的搏动变化而不是真正的前向血流，并且难以完全排除心脏区域的灌注，导致其可靠性受到质疑［5］。
高渗盐水造影EIT肺灌注技术基于造影剂首次通过成像原理，在呼吸暂停期间通过“弹丸”式注射高渗盐水引起胸腔电阻抗变化来反映区域肺灌注情况［3］。
肺电阻抗断层成像与围术肺保护护理课件
• 肺电阻抗断层成像技术介绍 • 围术期肺保护护理的重要性 • 肺电阻抗断层成像在围术肺保护
定义与原理
定义
原理
基于生物电学原理，通过测量人体呼 吸过程中肺部组织电阻抗的变化，利 用计算机断层扫描技术重建肺部组织 结构和功能图像。
技术特点与优势
特点 优势
成功案例二
在一名重症肺炎患者的治疗中，医生利用肺电阻抗断层成像技术实时监测患者肺 部情况，调整治疗方案，最终成功治愈。
பைடு நூலகம்
失败案例分析
失败案例一 失败案例二
经验教训与展望
经验教训
在应用肺电阻抗断层成像技术时，应严格掌握适应症和禁忌症，确保检查操作的规范性和准确性。同时，要加强 与临床医生的沟通与协作，提高诊断和治疗水平。
展望
随着技术的不断进步和研究的深入，肺电阻抗断层成像在围术肺保护护理中的应用前景将更加广阔。未来，该技 术有望与其他影像学检查手段相结合，为患者提供更加全面、精准的诊断和治疗服务。同时，需要加强相关培训 和教育，提高医护人员对肺电阻抗断层成像技术的认识和应用能力。
现场提问与回答
提问
回答
分组讨论与分享
根据电阻抗断层成像的监测结果，优 化围术期护理流程，提高护理效果和 患者的舒适度。
预防肺部并发症
通过电阻抗断层成像技术，及时发现 肺部异常情况，采取相应的护理措施， 预防肺部并发症的发生。
成功案例介 绍
成功案例一
某医院采用肺电阻抗断层成像技术成功诊断了一例早期肺癌，通过及时手术和术 后护理，患者康复良好。
感谢观看
应用领域与前景
应用领域
前景
围术期肺损伤的机制
01
02
关于电阻抗断层功能成像技术的发展
关于电阻抗断层功能成像技术的发展【关键词】电阻抗断层图像关键词: 电阻抗断层图像;功能成像;参数成像;频谱成像;三维成像摘要: 电阻抗断层图像技术是继形态、结构成像之后出现的新一代功能成像技术.在多个临床领域，阻抗断层成像与现有方法相比具有明显优势.作者综述功能成像，虚部成像、参数成像、频谱成像和三维成像等EIT技术的新发展.Keywords:electrical impedance tomography;functionalimaging;parametric imaging;spectroscopic imaging;3D imagingAbstract:Electrical impedance tomography is a new genera-tion of functional imaging developed in recent ten or more years after the morphology and structure imaging technolo-gy.It suggests that EIT could offer significant advantages over existing methods in the areas of clinical medicine.This paper reviews some new techniques including the functional imaging，the imaginary imaging，the parametric imaging，the spectroscopic imaging，and3D imaging.0 引言电阻抗断层图像技术（electrical impedance tomog-raphy，EIT）是当今生物医学工程学重大研究课题之一.它是继形态、结构成像之后，于近20a才出现的新一代更为有效的无损伤功能成像技术.EIT通过配置于人体体表的电极阵，提取与人体生理、病理状态相关的组织或器官的电特性信息，不但反映了解剖学结构，更重要的是可望给出功能性图像结果.这是CT、超声等其他成像技术无法与之相比的.EIT不使用核素或射线，对人体无害，可以多次测量，重复使用，可以成为对患者进行长期、连续监护而不会给患者造成损伤或带来不适的医院监护设备.加之其成本低廉，不要求特殊的工作环境等，因而是一种理想的、具有诱人应用前景的无损伤医学成像技术［1］ .1 功能成像当疾病发生时，相关组织与器官的功能性变化往往要先于器质性病变和其他临床症状.在经过一定的功能代偿期或潜伏期后，发展成器质性病变，出现组织与器官结构性变化或其他临床症状.如能在疾病的潜伏期或功能代偿期，即在组织与器官结构性变化出现之前，及时检测和确认该组织与器官的功能性变化，对于相关疾病的普查，预防和早期诊断与治疗将是非常有利的.与疾病发生时的情况相对应，当疾病治愈、康复时，相关组织与器官的功能恢复也往往滞后于疾病的治愈.在疾病的康复期，监测和确认病愈组织与器官的功能恢复情况，对于疾病的康复指导和愈后评价是十分有效和重要的.向功能性检查和疾病的早期诊断发展，向疾病的康复和愈后评价延伸，这是现代医学发展所追求的目标.检测与评价人体组织与器官的功能性变化，正是EIT技术的优势.EIT所采用的生物阻抗技术，提取的是与组织和器官的功能变化相联系的电特性信息，对血液、气体、体液和不同组织成分及其变化等具有独特的鉴别力，对那些影响组织与器官电特性的因素，如血液的流动与分布，肺内气体容量变化，体内体液变化与移动等非常敏感.以此为基础，进行心、脑、肺循环系统的功能评价，血液动力学与流变学在体动态研究，肿瘤的早期发现与诊断以及人体组成成分分析等功能成像研究，是EIT显示优越性，展现其诱人应用前景的广阔天地［2］ .2 EIT图像1991年后，各种EIT方法不断涌现出来，但都以给出像素信息为特点.归纳起来，其图像信息可以是:在频率f1 处的导纳或阻抗绝对值（静态像）;频率f2 与参考频率f1 的相对导纳值（准静态像）;在频率f1 处的介电率绝对值（静态像）;频率f2 与参考频率f1 的相对介电率（准静态像）;频率f1 处导纳随时间的变化（动态像）;频率f1 处介电率随时间的变化（动态像）;频率f2 与参考频率f1的介电率相对值;频率f2 与参考频率f1 的导纳相对值;频率f1 处的相位;复导纳或复阻抗的Cole-Cole图.这种图上的像素可以是:特征频率 RC或SC或R/S或R或S或C的变化信息.3 虚部成像由于生物组织自身具有复阻抗特性，生物膜性质的改变、细胞内外液变化等特性与复阻抗的虚部成分关系非常密切.所以，随着研究的深入，研究者对虚部阻抗变化和多频率阻抗投入更多的关注［3，4］ .1987年，Griffiths等［5］通过计算机模拟证实了应用EIT信号中的实部和虚部测量结果进行介电率成像的可能性.1991年Griffiths等［6］报告了使用40.96kHz频率，测量的人体阻容模型和自愿者呼吸期间阻抗变化的复阻抗图像，其中实部像显示了清晰的肺部边界，虚部像的内容难以解读.Jossinet等使用精心设计的前级电路以降低杂散电容，进行了31.25kHz和250kHz双频率的测量，用信号的实部和虚部成分重建了容性阻抗目标图像.Blad［7］测量了16.7～100kHz频段上的实部和虚部电压信号，以50kHz的虚部信号做参考，50kHz与16.7kHz之间的容抗变化可显示呼气时的肺部图像.Osypka等描述了10～50kHz频段，16电极16通道并行信号处理的多频EIT系统，计算和存储实部和虚部的所有数据，频率为20kHz时，一幅图像的数据采集时间约56ms.迄今为止，可行的在体应用重建算法是差值算法，这种算法只能对异纳，或阻抗的变化进行成像.在绝对值成像中，以足够的精度解前向问题还存在难度，尽管已取得了一些进步［8，9］，但离解决问题看来还有相当的距离.前向问题原本就是三维的，这增加了计算规模，限制了成像目标形态的测量精度和电极构型.差值成像的另一个问题是在两组测量数据之间不能有运动发生，否则图像中会出现伪差.离体实验中获得的优于图像直径10%的分辨率，在体情况下很难实现.因为提高分辨率需要增加电极数，而电极数目的增加也同时提高了对运动和其他伪差的灵敏度.除非在技术上有大的突破，否则单频率EIT至少在医学应用方面已经几乎达到了它的性能极限.4 参数成像电阻抗谱断层成像（EITS），可生成组织阻抗随频率变化的图像，向静态成像发展［10］为了通过阻抗谱描述组织特征，必须在一个合适的阻抗模型中引入相关参数，Cole模型（RSC电路）是最基本的模型.若想用多频率数据来拟合一个Cole-Cole模型，则可用数据越多模型参数的确定性越好.Cole模型中阻抗取决于3个参数:R，S，C，而重建的像素信息可以是变量R，S，C，R/S，RC或SC，也可以是特征频率Fc=［2π（R+S）C］-1 .因为像素或体元的信息至少依赖于3个变量（R，S，C），更可能是4个变量（R，S，C和离散参数）.在1994-04法国土鲁斯举行的欧洲阻抗断层成像会议上，第一次出现了以R/S，SC，RC和特征频率为参数的肺在体图像.对12名正常人进行了临床应用实验，高特征频率和低SC，RC值区域与肺组织的解剖位置符合，还给出了肺和心脏区域的特征值.使用8个驱动电极和8个接收电极的Sheffield EITS系统监测了10名婴儿.用Cole公式求出了R/S，特征频率，RC和SC参数.将这组参数与在另一研究中收集的正常成人数据进行比较表明，取得新生儿肺的EITS参数像是可能的，成人组和新生儿组的Cole参数有区别［11］ .对屏息状态下的7名受试者，采用ECG控制的EITS进行肺部测量的结果提示，这项技术可测量由心搏引起的肺阻抗变化.多频率测量的潜力显而易见，在离体组织样品上测量到的，作为频率函数的各组织间复数电特性的明显差异，和这些数据的模拟成像表明，获得器官结构的参数像是可行的.使用Cole模型可使这些特性量化到相当精确的程度.差值方法将一频率范围的测量值与某个参考频率下的值相比较，形成这些电特性（例如组织的特征频率）图像，并表征绝对组织特性.这些图像不反映导纳的绝对值，它们是参数像，对与组织特性相关的特定变化敏感，包括与疾病相关的变化.图像重建中的一个重要问题是怎样将与频率相关的变化应用于图像重建，以及信号中的实部和虚部数据是否都需要.因为信号幅度变化通常小于差值成像的变化，所以差值成像的线性要求要更为满意.然而由于信号较小，主要是虚部成分，使这些系统的分辨率受到进一步的限制.5 三维成像为了进行三维电阻抗成像，必须对整个体积内的测量数据进行图像重建，但是要象X线成像那样获得一组彼此独立的二维图像是不可能的.在X线扫描中使用反投影进行图像重建相对容易，因为X线在人体中传播的离散率很低，衰减主要取决于其圆柱形传播路径上组织的吸收率.但电流成三维发散分布，其边界上的电位差因阻抗的三维分布而异.考虑平面外电流，设目标为对称圆柱或平面以外区域为均匀的修正二维算法，已有初步结果［12］ .Sheffield研究组使用三维电极阵进行全三维成像［13］ .系统采用64电极数据采集装置和专用矩阵技术.32独立电流驱动和32电压测量通道环绕被测对象.重建算法将被测区域分成4608个四面体单元，每层576个单元共8层.与二维算法一样，使用Geselowitz关于电导幅值的微小变化引起物体边界上电位差改变的灵敏度理论，建立了3136×4608元素的灵敏度矩阵.应用Moore-Penrose伪逆技术进行矩阵的逆运算.尽管所发表的图像在横截面上的分辨率只有直径的10%，而轴向截面上的分辨率只有12.5%，却显示了有希望的前景，为新的发展开辟了道路.作者使用该三维系统进行临床试研究其在探测肺栓子方面的可行性.为了改善EIT的分辨率，降低噪声，很多人探索新的重建算法和误差修正方法.Mengxing等［12］报道了一种称为严格EIT重建算法改进的通用求逆算法（MGIA）.通过减少前向矩阵F的条件数和改进的有限元方案来降低噪声，此MGIA可适合更大的有限元模型（248元）.计算机模拟证明MGIA较之GIA的重建图像具有更低的误差率.Taktak等［13］研究了针对某一通道由于电极脱落等原因引起的数据采集失败情况下的数据恢复算法，并使用盐水池模拟单通道数据采集失败的图像重建检验该算法，结果明显地改善了图像质量，估计会对婴儿的EIT监护的数据恢复有所帮助.Vauhkonen等［14］提出一种生成Tikhonov调整矩阵的方法:近似子空间逼近先验阻抗分布假设法，模拟实验证实，生成的调整矩阵在先验信息正确时，较其他方法得到的重建图像更准确，先验信息错误时，生成的调整矩阵也能较好地重建图像.参考文献:［1］ Ren Cs，Wang H，An Y.Development of electrical bioimpedance technology in the future 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用于肺监测的电阻抗断层扫描（EIT）
用于肺监测的电阻抗断层扫描（EIT）什么是EIT？电阻抗断层成像(EIT，也称为应用电位断层扫描)是一种成像技术，它利用解剖结构内的电学特性，通过对结构表面的测量得出该结构的电学特性。
EIT是一种无创、非电离、实时、无不良副作用的功能性成像技术。
EIT适用于任何年龄的患者，可以在床边连续进行，无需镇静。
EIT可以实时生成肺通气、灌注和V/Q比值图-呼吸对呼吸和心跳对心跳的图像。
与计算机化x射线断层扫描和正电子发射断层扫描等技术相比，EIT大约便宜1000倍，小1000倍，不需要电离辐射。
此外，EIT原则上每秒可以产生数千个图像。
其主要局限性是其空间分辨率低，并且-在医学领域-受试者之间的图像变异性大。
通常使用一组电极将电流施加到受试身体或系统，并测量其他电极之间产生的电压，进行记录。
为了获得合理的图像（至少一百张，最好是几千张），必须进行此类测量。
在医学领域，EIT研究最多的应用是胃排空和肺功能的测量（上图）。
在工业领域，典型的应用是成像管道中的油和水的分布，以及成像混合容器中物质的流动。
在某些方面，工业应用对EIT更有利，因为通常可以使用刚性的固定电极阵列。
电极在人体上的固定是医学EIT 面临的遗留问题之一。
物理原理EIT产生组织内阻碍（或更常见的电阻率）分布或其随时间或频率变化的图像。
体内广泛的组织类型之间存在较大的电阻率对比（高达约200:1）。
因此，应该可以利用电阻率形成解剖图像。
此外，正常组织和病理组织之间通常存在显著对比。
例如，Grant(1923)发现，在1 kHz时，脑胶质瘤的电阻率约为正常组织的一半。
为了测量电阻率或阻抗，电流必须在组织中流动，并测量产生的电压。
该施加电流将被称为激励电流（低于电流路径）。
在实践中，几乎所有的EIT系统都使用恒流源，并测量相邻电极对之间的电压差。
为了获得具有良好空间分辨率的图像，需要进行多次此类测量。
这可以通过对身体施加不同的电流分布，并重复电压测量来实现。
生物电阻抗断层成像技术的研究进展(一)
生物电阻抗断层成像技术的研究进展(一)摘要电阻抗断层成像是一种新的成像技术，在临床图象监护和功能成像方面有很好的应用前景（无创、简单、容易应用等）.作者在生物电阻抗断层成像的基本原理的基础上，介绍目前研究的进展并提出了研究中的关键问题.1生物电阻抗断层成像的基本原理电阻抗断层成像(electricalimpedancetomography，EIT)是根据人体内不同组织具有不同的电阻抗这一物理原理，通过给人体注入小的安全电流,测量体表的电位来重建人体内部的电阻抗分布图像，是医学成像技术的一个新方向.电阻抗断层成像系统由数据测量系统（DataMeasurementSystem,DMS）及图像重构软件两大部分组成.数据测量系统的作用就是在正弦激励下从体表测量中解调出反映体内阻抗分布的电信号，经A/D及数据处理后为阻抗图像重构算法提供高精度的数据.EIT系统的总体结构如Fig1所示.其中，激励源的作用是产生对人体安全的正弦激励并以一定的激励模式施加于激励电极上；测量系统的主要功能是从测量电极以一定测量模式获取正弦激励下的体表电信号，经高精度放大后采用解调技术提取反映成像目标内阻抗分布信息，供算法重构阻抗图像应用；控制电路作为计算机与激励源及测量电路间的接口电路，主要负责激励源及测量电路的参数及模式设置，以及校正和定标等功能；计算机主要进行总体控制、数据处理、图像重构、图像显示等功能.EIT技术具有很多优势.既往研究表明某些人体组织的生理功能变化能引起组织阻抗的变化（如：组织充血和放电等），某些组织病理改变也能引起组织阻抗的变化（如癌变等）〔1〕，这些信息将会在EIT图像中体现出来.所以EIT具有功能成像的性质.该技术对人体无创无害，系统结构简单，测量简便，在对于患者长期的图像监护这方面具有广泛的应用前景，这些是目前多数临床成像手段难以做到的.同时该技术造价低、费用低的特点也非常适合进行广泛的医疗普查.虽然目前其图像分辨率不能与CT等成像技术相比，但它仍是一种有应用前景的新型成像技术，是对目前医学成像手段的一个有力的补充.2生物电阻抗断层成像的研究概况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.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〔2〕，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)〔3〕修正的Newton-Raphson方法〔4〕双限定方法(DoubleConstraintMethod)〔5〕敏感性方法（SensitivityMethod）〔6〕等位线反投影算法〔7〕.谱展开法〔8〕M.Zadehkoochak算法〔9〕基于神经网络的重构算法〔10〕:广义逆法〔11〕等.英国Sheffield大学Brown等〔12〕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统（AdaptiveCurrentTomograph,ACT2)〔14〕.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）〔15〕，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. 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〔16〕.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.上面介绍了几个有代表性的电流驱动的测量系统，在电压驱动的DMS中，美国Washington 大学的Woo等在1986年建立了32电极、激励频率100KHz的测量系统〔18〕；比利时Geeraerts 等在1992年建立了基于物理模型的32电极14bit精度的电压激励电流测量系统〔19〕；英国OxfordPolytechnic的Zhu等〔20〕在上述ACT2，ACT3的基础上于1992年设计了有32个复合电极的自适应电压激励及电压测量系统.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〔21〕.近三年来，电阻抗成像在二维和单频的基础上向三维〔22〕及多频〔23〕成像方面发展，也有学者从事感应电流（inducedcurrent）EIT的研究〔24〕.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〔25〕.3EIT研究的关键及难点3.1信息的质量、数量问题3.1.1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.3.1.2高精度、高信噪比的数据测量系统目前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〔26〕，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3%的阻抗变化在体表只能得到0.15%的改变.由此看出，由生理特性决定EIT技术对DMS提出了具有高精度、高信噪比的要求.另外，阻抗图像重构的算法中有大量矩阵运算或多次迭代运算，经测量系统得到的数据的信噪比大小将直接影响成像质量.因此，为得到质量较好的重构图像，也要求DMS必须有高精度、高信噪比的基本特性.3.1.3新的驱动检测原理技术研究由于测量电极的限制，每次只能得到非常有限的独立测量数据（N个电极能得到N（N-1）/2个数据），因此需对驱动检测方法做进一步的研究探讨，驱动检测技术包括向人体施加电能的原理（电流或电压等）研究；施加电能的方式（接触或感应等）研究；电极的尺寸、个数和排列方法研究等；电极的尺寸与断层截面的厚度、电极的数量与信息量的矛盾、电极固定位置与测量的稳定性的矛盾等问题的研究.这些问题需有新的突破才能使阻抗断层成像技术上一个新台阶.3.2关于重构算法问题由于EIT是非线性问题，在求解算法方面存在很多困难，虽然在动态及静态EIT技术都提出很多种算法，但是图像重构效果都不能令人满意.这些算法基本上都是基于有限元方法，目前各种算法的主要问题在于收敛性能、抗噪能力较差，而且随着抛分规摸的增加计算量也大幅度增加,病态性程度也增加等.。
电阻抗断层成像ppt课件.ppt
机体与外磁场的相互作用
感应电动势： 生物（带电）体在磁场中运动所致。 分子极化——电荷再分布； 带电粒子迁移——传导电流；
洛仑兹力：磁场中，带电粒子改变原来的运动方 向。化学物质内部再分布。
磁化：具有固有磁矩的永磁偶极子、磁性微粒、 正负离子、自由基等受磁场力矩作用产生磁化。 沿外磁场取向（离子转动、改变分子键角）
基于生物电阻抗技术的体成分测量原理： 人体的电阻抗特性与体成分之间存在统计 关系。（例如：非脂肪组织具有比脂肪组 织更小的电阻抗。）
人体成分分析
1）全身测量
在全身阻抗测量中，多采用四电极法，以减少 接触阻抗的影响，以其他参考方法，如皮褶计 法，水下称重法，双能X 射线吸收法，CT法等测 量人体成分作为对照， 即可得到基于阻抗分析 法的人体成分预测公式。
胃运动的频率约为3次/分，对检测系统的实时性 要求不高。采用普通阻抗方法，灵敏地提取这种 电特性变化信息已有初步临床应用。
如采用代表阻抗技术的发展方向阻抗断层成像方 法，以图像形式给出检测结果，无论在灵敏度或 获取信息的数量与质量上都将更好。
人体成分分析
与同位素稀释法、总体钾法、双能x线吸收 法以及皮褶厚度法等方法相比，生物电阻 抗法测量人体成分简单、快速和准确，是 体成分测量的理想手段。
EIT还处于实验室研究阶段，但是应用前景 广阔，已成为当今生物医学工程学重大研 究课题之一。
5.3 生物磁现象
生物材料的磁性
人体中所含元素：碳、氢、氧、氮、硫、磷、 氯、钠、钾、钙、镁、铁等和一些微量元素。 其中多数有顺磁性（3d 或 4d 族的过渡离子）。 蛋白质、酶和自由基均为顺磁性
占人体70%的水具有弱抗磁性 极少数材料为铁磁性
生物电阻抗断层成像申报
生物电阻抗断层成像申报生物电阻抗断层成像（Bioimpedance Tomography，BIT）是一种无创、无辐射的成像技术，通过测量生物体内组织对电流的阻抗来重建组织的电阻率分布，以实现对人体组织结构和功能的诊断和监测。
生物电阻抗断层成像技术基于生物体组织对电流的导电特性进行测量和分析。
当电流通过生物体时，组织对电流的通过会产生阻抗。
不同类型的组织具有不同的电阻率，因此通过测量组织对电流的阻抗变化可以获得组织的电阻率信息。
利用这些信息，可以对组织的结构和功能进行成像。
生物电阻抗断层成像的基本原理是通过在生物体表面施加电流，并测量电流的流动以及电压的变化，进而计算组织的电阻率分布。
这一过程需要使用电极将电流引入体内，并通过另外的电极测量电流和电压的变化。
通过不同位置的电极组合，可以得到不同位置的电阻率信息，从而实现对生物体内部结构的成像。
生物电阻抗断层成像可以用于多种医学应用。
例如，在肿瘤诊断中，生物电阻抗断层成像可以帮助医生确定肿瘤的位置、大小和形状，从而指导手术治疗。
此外，生物电阻抗断层成像还可以用于脑功能研究、骨骼疾病诊断、心血管监测等领域。
生物电阻抗断层成像技术的发展受到了一些限制。
首先，生物体内不同组织的电阻率差异较小，因此需要高灵敏度的仪器来测量电流和电压的变化。
其次，电极的位置和质量对成像结果有重要影响，因此需要精确安装和校准电极。
此外，生物体内的电导率分布会受到生理和病理状态的影响，因此在应用生物电阻抗断层成像技术时需要对这些因素进行考虑和修正。
尽管存在一些挑战，生物电阻抗断层成像技术在医学领域的应用前景广阔。
随着仪器设备的不断改进和算法的优化，生物电阻抗断层成像技术将能够提供更准确、更可靠的成像结果，为医生提供更好的诊断和治疗指导。
同时，生物电阻抗断层成像技术还具有无创、无辐射的特点，可以减少对患者的伤害和不适感，提高医疗质量和患者体验。
生物电阻抗断层成像技术是一种有潜力的成像技术，可以用于人体组织的结构和功能的诊断和监测。
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人体成分分析
2)分段测量
从理论上来说，分段阻抗测量要优于全身阻抗测量法，尤 其对于人体成分不均匀分布的人群（胖、瘦、高、矮等） 更是如此。
人体成分分析
3）多频率测量
采用多频率测量技术不仅可以提供更准确的阻 抗测量，而且还从简单的测量脂肪与非脂肪， 向多参数，如细胞外液体积，全身含水量，非 脂肪物质，蛋白质，骨矿质， K，Ca，Na离子 等测量方向发展。
生物电产生机制
细胞膜——磷脂双分子层
静息电位
细胞静息状态下存在于细胞膜内外两侧的电位 差。（内负外正）
生物电产生机制
1.静息时，细胞内的K+浓度远 高于细胞外。 2.静息状态时，细胞膜主要对 有通透性。 当3.因跨此膜，的胞浓内度的差K（+驱顺动浓K度+梯外度流） 和扩电散位到差细（胞阻外止，K形+外成流电）位达差到。 平衡时，膜内外电位差就稳定 在某一水平。
多频率和阻抗谱的测量包含更为丰富的阻抗和 人体成分信息，有望从中得到人体成分分析更 为全面而准确的结果。
电阻抗成像技术
阻抗成像
接触式
扫描成像 EISI 断层成像 EIT
感应电流成像 ICEIT
非接触式 磁感应阻抗成像 MIT
功能成像
阻抗成像：
以人体组织、器官的阻抗分布或阻抗变化为研 究对象，通过配置于人体体表的电极系统，提 取与人体生理、病理状态相关的组织或器官的 电特性信息，给出反映组织、器官功能状态及 其变化规律的功能性图像结果。
90.0
人体电阻抗与电流频率的关系
人体可看成是一个电解质电容器和电阻的并联电 路。 直流在细胞间隙流过；交流可通过细胞间隙 和细胞。
人体肌肉组织电阻率与频率的关系
频率 0 电阻率 90
100Hz 10kHz 10MHz 10GHz
9.1 7.7
2.0
0.8
生物电阻抗测量技术
通常是借助置于体表的电极系统向检测对 象送入一微小的交流测量电流或电压，检 测相应的电阻抗及其变化，然后根据不同 的应用目的，获取相关的生理和病理信息。
复极相：
Na+ 通透性的消失，并伴随出现电压门控性K+ 通道的开放
后电位：
Na+ - K+泵将Na+ 、 K+分布复原，保持细胞的 兴奋性。
典型生物电信号
生物电参数 心电图(ECG)
正常值 0.5~4 mV
频率/Hz 0.1~100
脑电图(EEG) 肌电图(EMG)
5~300 µV 0.1~5 mV
胃动力学检测
原理：在胃的活动期，由于其形态及其内容物组 成情况与容积的改变较大，其电特性变化非常明 显，变化规律与胃动力学状况相对应。
胃运动的频率约为3次/分，对检测系统的实时性 要求不高。采用普通阻抗方法，灵敏地提取这种 电特性变化信息已有初步临床应用。
如采用代表阻抗技术的发展方向阻抗断层成像方 法，以图像形式给出检测结果，无论在灵敏度或 获取信息的数量与质量上都将更好。
生物阻抗技术应用
阻抗血流图 胃动力学检测 人体成分分析 电阻抗成像技术
阻抗血流图
根据体表测量的电阻抗变化的信息来确定
体内组织器官由于血液循环引起的（生理、 病理）容积变化的方法。
简化模型
一般使用20k~100kHz频 率的恒流（恒压）源， 测量计算被测部分阻抗Z、50 20~8000
眼电图(EOG) 50~350 µV 0.2~15 胃电图(EGG) 10~1000 µV dc~1 皮肤电阻抗(GSR) 0.5~500 MΩ 0.1~150
5.2 生物电阻抗测量技术
生物电阻抗测量（Electrical Bioimpedance Measurement），或简称阻抗技术，是一种 利用生物组织与器官的电特性及其变化规 律提取与人体生理、病理状况相关的生物 医学信息的检测技术。
单根血管与组织阻抗并联模型
阻抗血流图
是生物阻抗技术应用最广泛的领域之一， 促进了血流图临床应用的进一步发展。
主要领域：
阻抗心动图：利用四电极法测量跨胸阻抗及其 微分图（或导纳），然后计算每搏输出量。
脑阻抗血流图：应用于脑动脉硬化、闭塞性脑 血管病及血管性头痛。
肺循环阻抗图：反映随着每个心动周期肺循环 容积变化的曲线图。
Nernst公式： EKR ZF Tln[[K K ]]o i 59.5log[[K K ]]o i
生物电产生机制
动作电位
细胞接受刺激后，膜电位在原有静息电位基础 上出现迅速的倒转和恢复的电位波动。
1.静息 2.去极化 3.复极化 4.后电位：负后电位
正后电位
生物电产生机制
去极相:
在受到刺激时出 现了膜对Na+通透 性的突然增大
特点：无创、无害，廉价、操作简单和功 能信息丰富等，医生和病人易于接受。
人体电阻抗
组织
人体组织的直流电阻率（ Ω·m）
电阻率 组织
电阻率
脑脊液 血清 血液 神经 肝
0.555 0.714 1.85 25.0 80.0
脑 脂肪 湿皮 干皮 无膜骨 肌肉
107 10.8×102 38.0 ×102 40.0 ×103 20.0 ×105
1）全身测量
在全身阻抗测量中，多采用四电极法，以减少 接触阻抗的影响，以其他参考方法，如皮褶计 法，水下称重法，双能X 射线吸收法，CT法等测 量人体成分作为对照， 即可得到基于阻抗分析 法的人体成分预测公式。
人体成分分析
2）分段测量
在全身阻抗测量中，上下肢的贡献和影响最大， 即全身测量难以正确反映身体各部位含水量及 其变化的真实情况。
五、生物电学和生物磁学
主要内容
生物电学特性 生物电阻抗测量技术 生物磁现象 磁疗 生物磁测量技术，心、脑磁图
5.1 生物电特性
生物电现象
生命活动的基本特性。几乎所有生命过程都伴 随着生物电的产生。
生物电是以细胞为单位产生的。
生物电的发现
1939年两位生理学家Hodgkin和Huxley以枪乌贼 的直径为１mm的巨大神经轴突为实验材料， 采用细胞内记录的方法，证明了细胞生物电现 象的存在。
人体成分分析
与同位素稀释法、总体钾法、双能x线吸收 法以及皮褶厚度法等方法相比，生物电阻 抗法测量人体成分简单、快速和准确，是 体成分测量的理想手段。
基于生物电阻抗技术的体成分测量原理： 人体的电阻抗特性与体成分之间存在统计 关系。（例如：非脂肪组织具有比脂肪组 织更小的电阻抗。）
人体成分分析