基于電阻抗斷層成像的一維信息提取與分析.pdf

1、電阻抗斷層成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）作為一種新興的功能成像技術(shù)，因其自身無(wú)創(chuàng)、簡(jiǎn)便、無(wú)害、廉價(jià)并且可以長(zhǎng)期、連續(xù)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地進(jìn)行床旁監(jiān)護(hù)，引起越來(lái)越多人的關(guān)注。第四軍醫(yī)大學(xué)EIT課題組經(jīng)過(guò)近20年的研究，在EIT的相關(guān)研究中已取得一系列突破，自主研制的EIT動(dòng)態(tài)成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已經(jīng)初步應(yīng)用于臨床研究，并展示出良好的應(yīng)用前景和價(jià)值。
　　前期研究表明：EIT動(dòng)態(tài)成像系統(tǒng)已能夠敏感地反

2、映人體內(nèi)由于病理變化引起的電阻抗變化。然而隨著臨床研究的深入，同時(shí)為了更好的適用于臨床監(jiān)護(hù)，現(xiàn)有EIT動(dòng)態(tài)成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需進(jìn)行如下改進(jìn)：
　　1、基于EIT動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行信息提??；
　　2、使用提取的信息簡(jiǎn)便、直觀、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)電阻抗整體變化趨勢(shì)；
　　3、將提取的信息和EIT動(dòng)態(tài)圖像結(jié)合使用，互為補(bǔ)充。
　　通過(guò)對(duì)EIT動(dòng)態(tài)成像的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：電阻抗的一維監(jiān)測(cè)相對(duì)簡(jiǎn)單、直觀、方便；可以敏感的反映監(jiān)測(cè)對(duì)象的電阻抗整體變

3、化，并且可以實(shí)時(shí)的提供電阻抗整體變化的趨勢(shì)；對(duì)電阻抗整體變化大小具有量化評(píng)估的可能性。假如可以基于EIT動(dòng)態(tài)圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電阻抗一維信息的提取和分析，并將EIT動(dòng)態(tài)圖像監(jiān)測(cè)和電阻抗一維監(jiān)測(cè)結(jié)合使用，那么，既可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)EIT動(dòng)態(tài)圖像的變化，又可以簡(jiǎn)便、直觀、實(shí)時(shí)地觀測(cè)電阻抗整體變化趨勢(shì)，從而更好將EIT應(yīng)用于臨床研究。
　　針對(duì)以上設(shè)想，本文從EIT動(dòng)態(tài)成像的基本過(guò)程出發(fā)，結(jié)合臨床應(yīng)用的需要，利用EIT動(dòng)態(tài)成像的數(shù)據(jù)，提取對(duì)于生

4、物組織整體的電阻抗變化敏感性高的一維指標(biāo)，并將一維指標(biāo)和EIT動(dòng)態(tài)圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合，進(jìn)行驗(yàn)證性研究。整個(gè)研究過(guò)程可以分為以下兩部分：
　?。?）基于EIT動(dòng)態(tài)成像的一維指標(biāo)的提取
　　EIT動(dòng)態(tài)成像的整個(gè)計(jì)算過(guò)程可以分為正問(wèn)題的求解和逆問(wèn)題的求解兩個(gè)過(guò)程。通過(guò)對(duì)這兩個(gè)數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程的研究發(fā)現(xiàn)，在采用電流激勵(lì)時(shí)，體表的測(cè)量電壓和生物組織內(nèi)部電阻抗的變化存在敏感性關(guān)系，因此，可以通過(guò)體表測(cè)量電壓的變化反映生物組織內(nèi)部電阻抗整體的變

5、化。依據(jù)此理論，提出了EIT一維阻抗值的概念，既對(duì)EIT測(cè)量系統(tǒng)解調(diào)后的測(cè)量電壓值數(shù)組求模值，然后再計(jì)算模值的算術(shù)平均數(shù)，并除以激勵(lì)電流，從而得到EIT一維阻抗值，單位為歐姆。一維阻抗值采用動(dòng)態(tài)曲線的方式與EIT動(dòng)態(tài)圖像同時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)EIT動(dòng)態(tài)成像和一維阻抗值兩種電阻抗監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
　?。?）EIT一維阻抗的驗(yàn)證性研究
　　在提出EIT一維阻抗值的概念后，基于第四軍醫(yī)大學(xué)EIT課題組自主研制的EIT動(dòng)態(tài)成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，

6、將EIT一維阻抗曲線和EIT動(dòng)態(tài)圖像相結(jié)合，進(jìn)行了包括仿真實(shí)驗(yàn)、物理模型實(shí)驗(yàn)、人體實(shí)驗(yàn)、臨床實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的驗(yàn)證性研究。
　　在仿真實(shí)驗(yàn)中采用FEM仿真模型進(jìn)行了電阻抗擾動(dòng)目標(biāo)位置的移動(dòng)，電阻抗擾動(dòng)目標(biāo)面積變化的仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明EIT一維阻抗曲線對(duì)于這兩種方式的變化具有較高的敏感性；一維阻抗曲線和EIT動(dòng)態(tài)圖像的結(jié)合使用，不僅實(shí)時(shí)提供了整體變化的趨勢(shì)和變化的大小，同時(shí)也提供了電阻抗局部變化的位置信息。
　　在物理實(shí)驗(yàn)中，采用

7、NaCl溶液構(gòu)成的半球形水槽，模擬人體的顱腦。并用瓊脂塊模擬電阻抗的擾動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明EIT一維阻抗曲線對(duì)于瓊脂塊產(chǎn)生的電阻抗擾動(dòng)十分敏感，并且EIT動(dòng)態(tài)圖像準(zhǔn)確的提供了電阻抗變化的位置信息。
　　在人體實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)人體體位的發(fā)生變化時(shí)，顱腦的EIT動(dòng)態(tài)圖像整體發(fā)生明顯變化，同時(shí)EIT一維阻抗值曲線對(duì)于這種變化十分敏感，實(shí)時(shí)提供了電阻抗整體的變化趨勢(shì)。
　　在臨床實(shí)驗(yàn)中，依據(jù)EIT一維阻抗值對(duì)于電阻抗整體變化敏感的特點(diǎn)，選取甘

8、露醇脫水治療和慢性硬膜下血腫鉆孔閉式引流術(shù)的病例進(jìn)行監(jiān)護(hù)。通過(guò)對(duì)甘露醇脫水治療過(guò)程監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)：EIT一維阻抗值可以簡(jiǎn)便、直觀、實(shí)時(shí)的反映整個(gè)治療過(guò)程腦部電阻抗的整體變化趨勢(shì)，且EIT一維阻抗曲線的變化和甘露醇藥物的作用周期相吻合，從而為甘露醇脫水治療的效果提供了佐證。在慢性硬膜下血腫鉆孔閉式引流術(shù)的監(jiān)護(hù)中EIT動(dòng)態(tài)圖像實(shí)時(shí)的反映了由于顱腦血腫引流引起的電阻抗變化，EIT一維阻抗值實(shí)時(shí)的顯示了相應(yīng)的電阻抗整體變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了二者的