生物医学电阻抗成像技术(共20页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上第一章 绪论进入21世纪,生物医学工程迅猛发展,如何将先进的科学技术用于人体医学检查及各项机能测试,从而提高人类对疾病的早期预防和治疗,增强机体功能、提高健康水平一直是人们共同关心的问题。因此,人们对医学检测手段的要求越来越高,检测方式已从人工主观检测发展到现在的主客观相结合。特别是医学影像技术的出现,使疾病的诊断更加客观和准确。然而,通过医学实践可以发现单一形态影像诊断仪器不能满足疾病早期诊断的需要,形态和功能相结合的新型检测系统是医学发展的需要,形态和功能相结合的新型检测系统是医学发展的需要。向功能性检查和疾病的早期诊断发展,向疾病的康复和愈合评价延伸,正是现代医
2、学发展所追求的目标。电阻抗成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)技术,是以生物体内电阻抗的分布或变化为成像目标的一种新型无损伤生物医学检测与成像技术。它通过对生物体外加一定的安全激励电流,测得生物体表面电压信号来重构生物体的阻抗分布。由于生物组织阻抗特性差别显著,因而电阻抗成像结果明显。利用EIT技术,可以显示生物体组织的阻抗分布图像、阻抗随频率变化的图像、生物体器官生理活动(如呼吸、心脏搏动)时阻抗变化图像。由于采用外加安全电流激励,是非侵入检测技术,且是功能成像技术,在研究人体生理功能和疾病诊断方面有重要的临床价值。它具有简便、无创廉价的优势,可作为
3、对病人进行长期、连续监护的设备,对疾病的早期预防、诊断、治疗及医疗普查都具有十分重大的意义,一直受到众多研究者的关注。第一节 医学影像技术概况医学影像技术是用各种成像装置采集人体内部解剖学、生理学、病理学和心理学的信息,并实现可视化的科学。医学影像技术涉及物理学、生物学、医学、电子信息技术等多科学领域,是典型的跨学科领域。医学图像是真是物体信息的反映,但还不是真实物体的镜像。到目前为止的所有成像设备只能采集人体的部分信息,某种特定的医学影像是经过数学方法的反演之后得到的被成像人的特定位置在某一时刻部分信息的可视化表达。人体影像确实是人体信息的一部分,含有被成像个体的特殊信息。但是,即时成像过程
4、中没有夹带任何虚假的信息(伪影和噪音),在某种特定的成像装置上采集的图像也只是被成像个体在特定时间和空间内的很小一部分信息。无论对人体本身的研究,还是对人体疾病的判断或者治疗,只靠这部分信息作出的判断会有较大的误差。据统计,用医学影像技术进行的疾病诊断在世界范围内的准确率大约为85%,这是因为人体的情况太复杂,对疾病准确诊断所需要的数据还不够完善。目前,医院对病人采集的信息还需要进一步整合并及时完成在解剖学基础上的配准,生理学基础上的功能信息和解剖信息的集成,以及生化参数和影像的结合。尽管如此,医学影像能以非常直观的形式向人们展示人体内部的结构形态与脏器功能,是临床诊断中最重要的手段之一。19
5、72年,第一台X射线计算机断层图像仪由英国学者G.N.Hounsfeild研制成功,引发了医学诊断史上的重大革命。随后,传统的显微成像、X射线成像和内窥镜成像技术得到不断发展。与计算机技术相结合的超声医学成像、磁共振成像和放射性核元素成像等也已得到迅速发展和普级应用。相继出现单光子发射CT(简称SPECT)、正电子发射CT(简称PECT)、超声CT(简称UCT)、微博CT(简称MCT)、核磁共振CT(简称NMRCT)等,形成了20世纪80年代后医学影像诊断的新科学。超声波、X射线、核医学、红外线和核磁共振成为当今五大医学影像技术。热成像、微波成像等技术亦在开发或研究之中,有的已形成产品。近年来
6、新的成像方法不断出现,从平面到立体、从局部到整体、从静态到实时、从形态到功能等,已成为医学影像技术发展的趋势。目前,B型超声成像技术已经普及应用,彩色超声多普勒血流成像技术也已使用并日趋完善;X射线CT已发展到第五代,扫描速度有了很大提高;磁共振现象(MRI)的磁体重量不断减轻,并在血流成像和波谱分析方面取得显著进展;放射性核素成像可获得组织化学及功能性图像;应用计算机的显微图像技术已成为进行细胞和分子水平研究的重要手段。X射线CT仍是目前医学影像技术中体层摄影最为完善、应用最多的技术。但是,这些医学成像技术价格昂贵,并且绝大部分会对人体造成一定的伤害,不适于连续、长期的观测。对于正电子发射成
7、像(PECT)、单光子发射层析成像(SPECT)和功能性磁共振成像(fMRI)等功能成像,尽管空间分辨率较高,但时间常数较大,不能满足某些病理或神经科学中毫秒级时间分辨率的要求。研究表明,生物组织的电学特性非常显著,如可以通过体表电极检测到生物体的脑电信号、心电信号、肌电信号等,这些都反映了生物体具有电学特性,其中主要是它的电阻抗特性。生物体的电阻抗特性主要表现为:1. 不同生物组织间存在较大的阻抗差异 例如,胸腔内周围组织的电阻率约为3m,心脏约为1.5m,肺约为12m,脊椎约为20m。人体组织的电阻率在外加激励信号频率为20100kHz时差别显著,从最小值脑脊髓液的0.65m到最大值骨组织
8、的166m,上下限之比达到250:1,软组织之间电阻率的最大值与最小值之比也达到了35:1。2. 同一生物组织在不同的生理状态下阻抗也不相同 例如,组织温度改变1,阻抗变化2%;组织内血液的流动和充盈情况也直接影响其阻抗大小,如脑组织缺血时,阻抗可增大近一倍;由于心脏的周期活动。身体各部分组织的阻抗也发生周期性的变化,脏器体积的变化也对其阻抗产生很大的影响,胃内食物的成分及胃的充满和排空使胃阻抗发生很大的变化;在呼吸过程中,肺阻抗大小与吸入的空气量紧密相关,肺组织膨胀和收缩时阻抗发生数倍的变化。不论在自然或人工控制的被动呼吸状态,肺内空气量同局部胸部阻抗有很好的线性关系。3. 生物组织在发生病
9、变时与正常时的阻抗变化十分显著 例如,脑肿瘤异变组织约为正常组织的13倍;脑震荡或脑肌肉萎缩组织约为正常组织的2倍;脑出血异变组织约为正常组织的1/4;肺部疾病患者的阻抗值会发生显著改变,用阻抗值可以检测出肺部组织液体异常变化的肺部病变。4. 生物组织阻抗特性与频率有关,即不同测量频率下的阻抗特性各异 另外,某些生物组织的阻抗还具有各向异性的特点,即沿组织不同方向测量时的阻抗值各不相同。因此,生物组织阻抗携带着丰富的病理和生理信息,在医学影像研究中备受关注。近三十年发展起来的生物医学电阻抗成像(EIT)技术就是基于生物体的电学特性,通过配置人体体表电极,提取与人体生理、病理状态相关的组织或器官
10、的电特性信息,再通过图像重构算法也就是逆问题求解,得到生物体内的阻抗分布图像。它不但反映了解剖学结构,更重要的是利用EIT技术还可以得到反映生物组织活性及生理状态短时变化的功能图像。EIT的装置简单便携、响应快速、成本低廉且运行安全,而且它不使用放射元素或射线,无辐射、对病人无创无害,可以多次测量、重复使用,应用对象与时间也不受限制,可对病人进行长期连续监护,在研究人体生理功能和临床疾病诊断方面,具有重要的潜在价值和广泛的应用前景,是继形态、结构成像之后。新一代无损伤的功能成像技术。第二节 主要的医学成像技术介绍一、计算机断层成像技术1972年,英国工程师G.N.Hounsfield研制成功首
11、台计算机断层成像(Computer Tomography,CT)机,并应用于临床的颅脑CT,为此该工程师获得1979年诺贝尔生理和医学奖。X射线CT是一种对穿透射线(X射线)所经过的物质的断面进行扫描,通过检测器来测量透过该层人体X射线强度,再通过计算机加工处理,计算出该层内各个点X射线吸收系数,重构该层面结构的装置。CT机是目前技术最成熟,应用最多、临床经验也是最丰富的检查方法,对肿瘤的定位与定量诊断相当迅速和准确,定性诊断价值也很大。对脑出血、脑梗塞、颅内水肿、脑挫伤的诊断和鉴别也很有效。尽管目前X射线CT射线的指标已达到相当理想的阶段,但X射线对人体的组织会造成一定的损伤,因而X射线CT
12、不宜长期使用,在很多情况下(如对胎儿和孕妇)根本不能使用。另外,X射线CT只能显示人体断层分布的几何特性,因而显示人体的人体的生物化学信息则无能为力。超声波CT是利用超声波完成扫描过程,从而避免了X射线CT对人体的射线影响,是目前最安全的一种成像系统,可用于包括妇产科在内的临床检查,但是超声波的传播受湿度、温度等多方面的影响,建立不同器官、不用密度和不同形状的超声波传播特性的数学模式非常困难。目前的超声波成像方法都忽略了超声波和生物组织之间的相互作用,因而不能得到理想的定量结果。二、 磁共振成像技术 磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)系统是基于物理学中的
13、和磁共振现象设计的。人体中存在大量的氢原子核,它们具有固定的磁特性,当人体位于强磁场时,体内氢原子便按磁场方向进行排列。如果用一个频率很高的电信号形成附加磁场,则可使氢原子核偏离原来的排列方向。若突然切断该信号,那么氢原子核又趋于原来的排列方向,同时发出一种很弱的、具有特征频率的信号,MRI便利用此信号蕴含的信息进行图像重构。MRI有其独特的优点:可重构三维图像,且可以从各种不同角度重构断面、冠状面、矢状面和任何斜面的切面图像;对软组织分辨率比X-CT高,对骨骼不产生伪影,且对软骨、骨骼结构有较高的分辨率;能分辨脑灰质、白质、脑干、垂体等;能反映出器官的生化结构的变化,并以此作出早期诊断等。所
14、以不足之处是结构复杂、设备庞大、价格昂贵。三、 功能性磁共振成像技术 MRI提供的优秀解剖图像早已被人们所接受。近几年来,MRI对组织磁化高度敏感的特点又被用来研究人脑的功能,特别是大脑各功能区的划分。这一新技术就是功能性磁共振成像(functional MRI,fMRI)。它主要基于以下两点:首先,人脑是可以划分为许多精细功能区域的,这使得人们能够设计各种激发方案来对它们分别进行研究;其次,在生理性的脑活动与脑血流、脑血流容积和能量代谢之间有着直接的联系。fMRI就是通过检测上述神经活动的伴随现象来建立脑功能图像的。它突破了过去对人脑仅从生理学或病理学角度实施研究和评价的状态,打开了从语言、
15、记忆、认知等领域进行研究的大门。fMRI方法有不使用同位素示踪剂、无创、可反复检测、空间分辨率高等优点,因此是脑功能成像的主要手段。但是,与MRI不同,fMRI仍然是一种处于发展阶段的研究性功能成像方法,无论是在刺激的设计和序列的应用方面,还是图像的后处理及可视化等方面,还有相当多的技术问题需要解决。四、 正电子发射断层成像技术 正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography,PET)是最早用来研究脑功能的成像技术。它利用放射性示踪物探测活动区域中血流量的增加情况,其成像速度慢,每次成像时间需要1min。因此,研究人员可用PET进行“区域测试”。受试者首先进行一些
16、简单的作业,使大脑重复同样的思维活动以采集数据。它可用于对脑的视觉活动、认知反映、神经功能等方面的功能成像。但是,由于需要注射放射性示踪剂、成像速度慢、分辨率低,以及需备加速器,使其成本较高。另外,动脉血流的测量需要采样,因此是侵入性的测量。正是由于这些不足,使得PET不如fMRI应用广泛。五、 脑电图技术 脑电图(Electroencephalography,EEG)是一种应用最广的将脑电信息进行采集与记录的方法。其基本原理是通过放置在头皮表面的电极,记录头皮上各神经元产生的电位信号,这些信号是由许多神经元共同协作而产生的。临床上用的电极按照解剖结构的固定点均匀地放在头皮表面上。EEG可以应
17、用于许多方面,最常用的是通过记录被测试者在睡眠和苏醒情况下大脑内部的电生理活动产生的电信号,来诊断癫痫病是否发生。EEG的空间分辨率比较低,但它可以检测脑电活动在毫秒级情况下发生的变化,具有很高的时间分辨率,是一种非侵入性的且方便的检测手段,且检测设备价格便宜,是深受临床接受的诊断设备。EEG同样可以记录由外部刺激所产生的电信号,用于研究大脑对视觉、声音、嗅觉等刺激的反映,进行脑功能和认知科学方面的研究。六、 脑磁图技术脑电图用于检测由于大脑神经元活动所产生的电信号,而脑磁图(Magnetoencephalography,EEG)所记录的是由此所产生的磁信号。人们已知地球磁场的强度是105T,
18、而脑的波和癫痫病的棘波磁场强度为1012T,是地球磁场的百万分之一。因此,脑磁场的检测就变得异常艰难。1976年,美国麻省理工学院的D.Cohe开始在磁场屏蔽室内,用反馈放大器进行了人体大脑和心脏磁场的测定。到1972年超高灵敏的磁场检测仪(Surperconduction Quantum Interference Device,SQUID)研制成功后,第一个噪音小、清晰度高、以波为代表的脑磁信号正式检测成功。利用在MEG的检测过程中产生的诱发磁场分布,可以推定磁场信号源的位置,尤其是测定头颅表面的垂直方向的磁场。MEG在脑磁场检测中具有独特的优越性。从磁场的产生源来看,MEG的检测可分为自发
19、性MEG和光、声等人为地施加外界刺激得到的诱发MEG。在自发性脑磁场中,除正常的神经活动引起的波以外,神经细胞的异常放电(如癫痫病时)出现的棘波也会产生脑磁波。诱发脑磁场是由大脑皮层以及其他部位受到刺激所产生的。在听觉诱发的脑磁场中,发生源在脑干,而脊髓神经的诱发脑磁场,发生源在脊髓。MEG与EEG相比有其独特的优点:无需测量电极,无需定标准点,可任取一点检测,是非接触性的测量,头颅骨的影响可以忽略不计。但其检测设备庞大、昂贵,使得临床使用难以大众化。七、 电阻抗成像技术在过去的三十年里,解剖成像技术如计算机断层成像(CT)和磁共振成像(MRI)已在临床中广泛应用。最近,功能性磁共振成像(fM
20、RI)和正电子发射断层成像(PET)技术正被研究用来功能成像。但这些技术都需要庞大的、昂贵和固定的设备。EEG便于携带,但不能提供临床应用成像,而且只对脑皮层的电活动敏感。电阻抗成像(EIT)技术,是20世纪末迅速发展起来的一种新的成像技术。它利用介质的阻抗特性,通过外部电极施加一定的电激励(通常是低频电流),由表面不同位置的电极测得的电参数(通常是电位分布)信息,用一定的计算方法来重构目标内部的阻抗或其他变化的分布图像。生物医学电阻抗成像技术是将EIT技术应用于人体阻抗测量的一项技术,它根据人体内部不同组织具有不同的电阻抗,而且一些病理现象和生理活动均会引起人体组织阻抗的变化这一物理特征,通
21、过给人体注入小的安全电流,测量体表的电位来重构人体内部的电阻抗分部图像。它除了能实现与X射线成像、计算机断层成像(CT)、磁共振现象(MRI)和超声成像相类似的功能外,还可以得到反映生物组织生理状态短时变化的图像,这在研究人体生理功能与疾病诊断方面有重要的临床价值。虽然目前应用EIT技术其图像的分辨率还不能与CT等成像技术相比,但它仍是一种有广泛应用前景的新型功能成像技术,可以显示人体内组织的阻抗分布图像、人体组织随频率变化图像、人体器官进行生理活动(如呼吸、心脏搏动)时的阻抗变化图像等。因此,该技术在近几十年受到国际学术界的广泛关注,并呈现出很好的应用前景。第三节 生物医学电阻抗成像技术概述
22、一、 生物医学电阻抗成像技术的由来早在20世纪初,地质工作者利用向大地注入电流,并测量其在地表产生的电压分布来确定地球内部不同地层的电导率,通过对这些地层电导率的分析,结合已知岩面和矿物的特性来预测矿藏分布情况,这就是EIT技术的雏形。成熟的EIT思想分别由Henderson和Webster作为医学成像技术与Lytle和Dines作为地球物理学的成像工具各自独立地提出的。由于早期的EIT研究都是二维成像,采用等位线反投影成像算法实现,原理类似于X射线断层扫描成像,故沿用了“tomography”的称发,通常译作断层(也称体层或层析)成像。因此EIT也成为电阻抗CT。实际上,由于电流在导体中是体
23、传播的,并非沿直线或平面传播,所以电极上测量的信号反映的是内部阻抗的立体分布信息,而不是某个断层上的平面分布信息。尽管在实验室可以尽量做到沿成像平面垂直方向介质均匀一致,以减少体电流与面电流分布规律的差异,但是在实际应用中不可能存在这样的理想情况。将三维阻抗分布的测量结果假设为二维阻抗分布的响应,只能得到阻抗体分布的等效面分布图,近似视作某个断层的影像,而非真正意义上的断层成像。目前,研究大多局限于二维,得到的图像也没有层析的意义,有时也用“imaging”或“inversion”代替“tomography”。由于不同的介质阻抗可表现出不同的导电和导磁特征,实际上的阻抗应该是复阻抗。若不考虑虚
24、部信息,只检测介质的电阻特性,通常称为电阻(率)成像(Electrical Resistance Tomography,ERT)。利用介质容抗特性的图像重构研究,称为电容成像(Electrical Capacitance Tomography,ECT).此外,还有电磁成像(Electrical Tomography,EMT),研究对象涵盖了电导率、电容率、磁导率等主要电磁参数。以上可统称为电学成像(Electrical Tomography,ET)技术。在不同的发展时期和不同的领域,电阻抗成像的名称也有所不同,尽管含义相近但词语不尽相同。20世纪70年代,美国Wisconsin 大学的Swan
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