（检测技术与自动化装置专业论文）用于肺功能监测的电阻抗成像系统.pdf

中文摘要 电阻抗断层成像( e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ，e i t ) 技术是近年来一种 新兴的成像技术，它具有价格低廉、使用安全、操作简便和信息丰富的特点，在 临床图像监护和功能成像方面都有很好的应用。该技术是基于人体不同组织具有 不同阻抗这一现象，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。 本论文从生物组织电阻抗角度，构建基于先验知识的肺部仿真模型，实现 e i t 系统对人体肺部呼吸的监测作用。 主要研究工作和结果如下： ， 1 设计了基于a g i l e n t4 2 9 4 a 电阻抗分析仪的生物离体组织复阻抗测试的 方案，并对猪的肺部组织进行测量，根据c o l e c o l e 理论，利用最小二乘 法进行数据拟合，计算组织的电特性参数。 2 将参数解调应用于信号解调中，该策略通过一次建模便可获取系统中的 所有频率信号的信息。 3 进行在体实验，并通过构建的肺部仿真模型对实验结果进行成像，实验 结果表明基于肺部模型具有较好的成像效果。 4 提出基于t i k h o n o v 的最大熵正则化方法，该方法不仅保留了t i k h o n o v 正则化方法快速、直接的优点，同时限制正则化解为非负的，减小了噪 声的影响。 关键词：电阻抗成像c o l e c o l e 理论p r o n y 解调肺部模型 a b s t r a c t e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ( e l t ) i san e wi m a g i n gt e c h n o l o g y , w h i c hh a s g o o da p p l i c a t i o np r o s p e c ti nb o t hc l i n i c a li m a g em o n i t o r i n ga n dt h ef u n c t i o n a li m a g e 。 w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fl o w - c o s t ，s a f e t y ，e a s yt ob eo p e r a t e de t c a san e wm e d i c a l i m a g i n gt e c h n o l o g y ，e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ( e i t ) a i m sa tr e c o n s t r u c t i n g t h ei m p e d a n c ed i s t r i b u t i o no ft h eh u m a n b o d yb ym e a n so ft h ep o t e n t i a l sc o l l e c t e do n t h ee l e c t r o d es u r f a c et h r o u g ht h ei n j e c t e dc u r r e n to nt h em e a s u r e d b o d y f r o mt h ea s p e c to fb i o - e l e c t r i c a li m p e d a n c e ，t h i st h e s i ss t u d i e se i ts y s t e mf o r t h ea p p l i c a t i o no fm o n i t o r i n gp a t h o l o g i c a lc h a n g e si nl u n gb yb u i l d i n gas i m u l a t i o n t h o r a xm o d e l t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h e m e t h o do f m e a s u r i n gt h ec o m p l e xi m p e d a n c eo fb i o l o g i ct i s s u e si sp r o p o s e d b a s e do na g i l e n t4 2 9 4 ai m p e d a n c ea n a l y z e r , c o m p l e xi m p e d a n c eo fv a r i o u s t i s s u e si np i g st h o r a xi sm e a s u r e d ；d a t ai sp r o c e s s e db yl e a s ts q u a r em e t h o d ； c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt oc o l e c o l et h e o r y 2 p r o n yd e m o d u l a t i o ni se m p l o y e d ，a n dt h i sm e t h o dc a na b s t r a c ta l lf r e q u e n c y s i g n a lt h r o u g ho n em o d e f i n g 3 。s o m ev i v oe x p e d m e n t sa r ec a r r i e do u t p u l m o n a r ym o d e li sb u i l t ，a n di m a g ei s r e c o n s t r u c t e du s i n gt h ee x p e r i m e n m ld a t a r e s u l t ss h o wt h a tt h ei m a g i n gq u a l i t y o fp u l m o n a r ym o d e li sm u c hb e t t e rt h a nt h ec i r c u l a rm o d e l 4 t h em a x i m u me n t r o p yr e g u l a r i z a t i o nb a s e do nt i k h o n o vr e g u l a r i z a t i o n i s p r o p o s e d o no n eh a n d ，t h i sm e t h o dh a st h ep r o p e r t i e so ff a s ts p e e da n d d i r e c t n e s s ；o nt h eo t h e rh a n d ，t h i sm e t h o df i n d sas o l u t i o nw i t hn o n - n e g a t i v e e l e m e n t sw h i c hc a ne n h a n c ea n t i n o i s ec a p a b i l i t y k e yw o r d s ：e l e c t r i c a l i m p e d a n c et o m o g r a p h y c o l e - c o l et h e o r y p r o n yd e m o d u l a t i o np u l m o n a r ym o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 杏骼 签字日期：。删7 年石月华日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 杏璐 签字同期：刃司年百月f 午同 导师签名 多仉确 签字同期：2 口夕璋彩月铜 第一章绪论 第一章绪论 电阻抗断层成像( e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ，e i t ) 技术是当今生物 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2 0 年出现的新 一代无损伤功能成像技术i l 】【2 1 。它是根据人体内不同组织具有不同的电导率这一 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 阻率分布或其变化的图像，是一种能够反映生物体内部结构及组织器官功能的新 颖医学影像技术。从自1 9 7 6 年美国w i s c o n s i nm a d i s o n 大学的s w a n s o nd k 教授首 次提出电阻抗成像技术以来，电阻抗成像技术引起了生物医学界极大的关注 3 1 4 j 5 6 7 1 1 8 1 1 9 1 1 0 1 。 1 1 生物电阻抗成像的医学基础 i i 1 生物组织的阻抗特性 生物组织的阻抗受多种因素的影响，其中最主要的就是它的频率特性。e i t 的动态成像就是根据它的频率特性来对物体进行成像的，阻抗谱测量反映了生物 阻抗( b i o i m p e d a n c e ) 随频率增加而变化的情况。所谓阻抗特性就是生物组织的 阻抗随着激励输入频率增加而减小的现象，即人体组织的阻抗是电流频率的函 数。1 9 世纪末，b e m s t e i n 提出了他的“细胞膜理论 。该理论认为细胞内是导电 性组织，而包围它的细胞膜则是绝缘的，细胞膜外又是导电的细胞问质。当输入 低频电流时，由于细胞膜在低频时是绝缘体，所以电流必须绕过细胞流过。然而， 在输入高频电流时，细胞膜的电容性允许电流进入细胞，这样就大大增加了细胞 直接载流的能力。1 9 1 0 年，h o b e r 的实验支持了这一理论，发现将红细胞的细胞 膜破坏掉之后，血液样本的电阻大大减小，即细胞内液的导电性很强，当没有细 胞膜的时候，它起到主要的载流作用。 生物组织的导电特性还表现出各向异性【l l 】，即测量的方向不同，它的导电性 也不相同。例如肌肉组织，它由长的纤维组成，沿着纤维方向的导电性就比横向 的导电性强。头部颅骨阻抗的各向异性也非常明显，纵向和横向之比近似为1 0 。 但是由于细胞膜的电容性，它的阻抗随着频率的增加而减小。所以在高频的情况 下，组织的各向异性表现并不明显，如表1 1 。 第一章绪论 表1 一l 五种人体组织电阻率平均值 组织骨骼肌肉血液脂肪脑髓液 纵向横向 电阻率( t a n ) 1 5 01 3 72 0 41 62 70 6 5 生物组织的阻抗测量值随着生理活动而变化。甚至当身体器官的形状、大小 变化时都会使测量的阻抗值发生改变。例如，进食时，胃膨胀；而将食物排进十 二指肠时，胃收缩。在膨胀和收缩的过程中阻抗是不同的。 生物组织在病理状态下也会引起阻抗值的改变：( 1 ) 同一组织在正常状态 和病理状态时，在一些特殊的频率段，表现出不同的阻抗值。如g r a n t ( 1 9 2 3 ) 发现，在频率为l k h z 的信号激励下，大脑神经胶质瘤的电阻是正常大脑组织的 一半。( 2 ) 病理过程会直接产生阻抗的变化。如在癫痫病发作时，大脑的电阻 会增) j 1 2 0 。根据上述特性，可以通过阻抗的测量进行疾病的诊断。 1 1 2 生物组织电阻抗理论的形成 多年来，生物组织的电特性一直受到各个领域科学家的广泛关注。1 7 8 0 年意 大利神经生理学家g a l v a n i 通过观察蛙的神经肌肉收缩现象建立了生物电理论。 这个早期的发现促使g a l v a n i 和其他研究人员开始使用可控电流来测试人体的 反应。在此后的一个世纪里，在一些疾病的治疗中被认为是一种有效的潜在的治 疗方法。1 8 7 1 年，h e r m a n n 成功地测量了骨骼肌的电阻，并发现电流沿不同方向 通过骨骼肌时，呈现出不同的电阻值，横向电阻( 沿垂直于骨骼肌方向) 大约是 纵向电阻( 沿骨骼肌方向) 的4 至9 倍，开启了生物组织电阻抗研究的先河。人们 开始逐渐意识到测量人体阻抗可能会成为医生们诊断的有效手段。对这个猜测的 研究结果就是对紊乱性质的识别，如“低阻抗失常”( 歇斯底里、肌肉萎缩、麻 风等) 以及当时唯一与高阻抗值相联系的眼部肿瘤等。这就说明某些疾病可能会 反映在人体阻抗值得变化上。1 9 3 0 年，s a p e g n o 用交流电桥第一次测量出生物组 织的电容f 1 2 】f 1 3 】。1 9 4 4 年，美国c a l i f o r n i a 大学的c o l eks 在总结前人工作的基础上， 提出生物组织的电阻抗可以用复平面上的一段圆弧表示【1 2 】 1 4 】。后来c o l eks 和 c o l erh 进一步将其发展为c o l e c o l e 理论，建立了生物组织的r ，c 三元件电路 等效模型，即生物组织可等效为由细胞内、外液电阻以及细胞膜电容串并联后所 组成的模型。1 9 5 7 年，s c h w a n 又成功的提出了频散理论，表明生物组织的电特 性在不同的频段呈显著变化【1 2 】1 1 5 。至此，生物组织电特性的理论基本形成( 第 二章中具体阐述) 。 第一章绪论 1 2 生物电阻抗技术的研究方向及应用前景 生物电阻抗技术的真正优势在于利用生物阻抗所携带的丰富的生理和病理 信息，对人体组织与器官进行无损伤的功能性评价。当疾病发生时，相关组织与 器官的功能性病变往往会先于器官性病变以及其他临床症状发生，如能在疾病的 潜伏期或功能代偿期及时检测和确认这些变化，对于相关疾病的普查、预防和早 期诊断与治疗是非常有利的。e i t 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 的血气交换，体液变化与移动等非常敏感。以此为基础，进行心、脑、肺及相关 循环系统的功能评价，是生物电阻抗技术最显著的优势。 生物电阻抗技术的进一步发展己把重点放在全信息复阻抗检测方法和人体 组织和器官功能信息的提取方面【1 6 l 。无论在基础研究还是在临床应用领域，使用 单一测量频率，只取阻抗模量或实部的测量方法已不能令人满意，而应充分考虑 人体组织阻抗中的容抗特性，改进理论模型，研究采用多频测量、提取复阻抗全 信息、旨在评价人体组织和器官功能状态的新型检测技术。 在获取阻抗全信息( 模量与相角或实部与虚部) 的前提下，生物电阻抗技术 可进入细胞层次，今后将有广阔的发展和应用前景。主要的发展和应用方向如下： 1 现行血流图技术的改善和提高 由于采用包括容抗特性的人体组织阻抗物理模型，可分别描述细胞外液、细 胞内液和细胞膜的电特性，不再把血液、组织、器官等作为一个均匀的整体，在 今后的血流图技术中将出现于人体组织和器官功能状况紧密相关的特征参数，使 用更准确地阻抗量化关系。这样，血流图用于评价人体功能变化的临床应用效果 将明显提高。 2 血液动力学和流变学的载体动态研究 全信息的复阻抗检测技术可望以血流中的红细胞为观察研究对象，通过对其 在血流中运动状况的检测，可提取出反映血液性质、血管状况和血液流畅变化等 血液动力学和流变学信息，形成一系列新兴的，可在体、动态地综合评价血液动 力学和流变学行为的无损检测方法【1 7 l ，具有广泛的社会效益和显著地的经济效 益。 3 心、脑、肺血管及循环系统功能检测 以红细胞为观察研究对象的全信息生物电阻抗技术，由于是从细胞水平上提 取血液、血管、组织和器官的生理和病理状态及其变化信息，因而对心、脑、肿 血管及循环系统的功能变化非常敏感，可方便地对这些系统进行多指标、全面的 第一章绪论 功能监测和评价l l 引，并可对尚未表现出临床症状的某些疾病作出前瞻性预报，有 利于相关疾病的普查、预防和早期治疗。 4 肿瘤的早期发现和诊断 肿瘤组织细胞与正常细胞之间的差异很大，采用对细胞变异灵敏的全信息生 物阻抗技术，可在细胞发生癌变的早期，获取相关信息；可确定肿瘤的存在，并 监测细胞癌变的发生和发展过程，精确定位异常与正常细胞的界面等。将为肿瘤 的早期发现、及时治疗和康复监测提供一种有效的无损检测手段。 5 人体组成成分测定 不同的组织、器官具有不同的构成特点和组成成分，表现出相应的阻抗特性。 使用全信息的阻抗方法可以准确地检测和区分出脂肪、肌肉、矿物质和含水物质 等人体组成成分【1 9 】，还可以对组织中的水肿、血肿、气肿和肺内粉尘等做出鉴别。 这对于各种人群的健康调查，儿童生长发育中营养状况的评价，直到运动员训练、 提高竞赛成绩，正确地进行减肥和健美锻炼以及相关疾病的诊断等是一种非常方 便而有效的方法。 6 电阻抗断层成像技术( e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ，e i t ) e i t 属于功能成像，是继形态、结构成像之后，新一代更为有效地成像技术。 e i t 不使用核素或射线，对人体无害，可以多次测量，重复使用。可成为对病人 进行长期、连续监护而不给病人造成损伤或带来不适的医疗监护设备。加之成本 低廉，操作简便，不要求特殊的工作环境，因而是一种理想的、无损伤医学成像 技术，并且是当今生物医学工程学重大研究课题和热门研究领域之一。国内外众 多e i t 的研究工作者多集中于改善成像模型和算法方面，以期提高e i t 的分辨能 力。事实上，e i t 真正的优势在于利用生物阻抗所携带的丰富生理和病理信息， 实现功能成像，这是其他成像技术( 如c t 、超声成像技术等) 无法与之相比的。 1 3e i t 技术的研究现状及应用前景 电阻抗成像( e i t ) 技术是一种无创伤的，以测量人体内部电阻率的分布为 目标的重建体内组织图像的技术。人体是一个大的生物电导体，各组织、器官均 有一定的阻抗，当人体的局部器官发生病变时，病变部位的阻抗必然与其他部位 不同，因此可以通过人体阻抗的测量来对人体器官病变进行诊断。e i t 技术是通 过配置于人体体表的一组阵列电极施加_ 定频率的低幅值交变电流激励，并通过 扫描阵列电极得到一组电压数据，提取与人体生理、病理状态相关的组织或器官 的电特性( 阻抗、导纳、介电常数等) 信息，给出结构及功能性结果。 第一幅电阻抗成像结果是i 主i h e n d e r s o n 和w e b s t e r - 于1 9 7 8 年报告的f 2 0 j f 2 1 【2 2 1 1 2 3 】 第一章绪论 固定于胸部上，由一大电极和与之相对的若干小电极组成的电极系统，通过测量 从各小电极流向大电极的电流所形成的等电位差，获得了可以清楚地显示肺脏位 置的阻抗图像。但是这还不是断层图像，而是类似x 胸片的透射图像。1 9 8 3 年， 英国谢菲尔德大学的b a r b e r 研究组报导了一种成像新方法，称为“外加电位断层 图像法( a p t ：a p p l i e dp o t e n t i a lt o m o g r a p h y ) ，并于1 9 8 4 年又报告了使用这一方 法进行电导率断层成像的尝试，而且应用模拟数据，获得了单一的电导率分布图 像。这是对e i t 研究的一个推动，从此以后学者们对e i t 的兴趣与日俱增。 1 9 8 6 年，第一次e i t 专题国际会议在谢菲尔德大学召开，参加会议的有四个 国家的九个研究小组。到1 9 8 9 年美国西雅图的i e e e 生物医学工程学术会议和 1 9 9 0 年丹麦哥本哈根的欧共体e i t 专题讨论会时，已经有1 2 个国家的2 7 个研究小 组在进行e i t 研究工作了。第一本全面论述e i t 的参考书也于1 9 8 9 年出版。1 9 8 7 年和1 9 9 2 年的两次国际电阻抗学术会议上，e i t 也是重点交流的领域。e i t 以其无 损伤、低成本的功能性图像吸引了越来越多的研究者。 英国s h e f i e l d 大学的b r o w n 等人在19 8 7 年首先建立并报道了第一个完整的e i t 硬件系统( m a r ki ) 【2 4 】f 2 5 】激励源采用直接数字合成技术( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ， d d s ) 及v i 变换技术实现恒流正弦激励，采用邻近驱动、邻近测量模式，解调 后经a d 转换得到反映阻抗实部信息的测量数据，用于图像重构。该系统采用了 变压器隔离、屏蔽驱动、动态范围压缩等技术，使系统达到了较高的精度和测量 速度。哥廷根大学的i f r e r i c h s ，c t h a h n ，g h e l l i g e p 6 】【2 7 】【2 8 】【2 9 1 利用s h e 硒e l d 的a p t s y s t e mm k l ( a p p l i e dp o t e n t i a lt o m o g r a p h ys y s t e mm a r ki ) 对肺部阻抗成像进行 了一系列的研究，如重力对肺通气的影响，不同姿势肺通气分布，以及非损伤时 肺通气状态等，并提出了功f l 邑e i t ( 甩i t ) 成像算法。1 9 9 5 年s m i t h 及b r o w n 等在 m a r ki 的基础上建立了第一个实时的供临床基础研究用的m a r ki i 系统，以此硬件 系统为基础，该研究小组采用等位线反投影图像重构算法，以阻抗的相对变化量 为成像目标，建立了实时的动态e i t 成像系统，用于人体胸腔得到了实时成像结 果。并已在英国皇家h a l l a m s h i r e 医院用于临床基础研究。 美国纽约r e n s s e l a e rp o l y t e c h n i ci n s t i t u t e 的c o o k 及n e w e l l 等于1 9 8 8 年建立了 基于物理模型的激励电流自适应硬件系统( a d a p t i v ec u r r e n tt o m o g r a p h y ，a c t 2 ) 【3 0 】。该系统采用3 2 电极并行自适应电流1 5 k h z 激励，单通道电压测量，1 2 位a d 转换，3 0 秒获得一组数据。该系统可区分置于直径3 0 c m 圆柱形盐水槽内直径为 9 m m 的绝缘体或导体。1 9 9 1 年c o o k 及s a u l n i e r 等在a c t 2 的基础上建立了3 2 电极并 行激励、并行测量、并行校正及补偿的高精度、高速度的硬件系统a c t 3 【3 ，对 每一对电极都有单独的电极支持单元、波形发生及时钟电路。每一电极支持单元 对激励电流的极性及幅值进行控制、对激励源输出阻抗进行自动精密补偿。运用 第一章绪论 该系统对一直径8 m m 的铜摆在3 0 c m 的盐水槽内进行动态连续成像，成像效果较 好，能对铜摆在不同位置时进行定位，但图像模糊。 还有其他研究小组先后建立了各自相应的基于物理模型的硬件系统，主要 有：加拿大m o n t r e a l 大学的g u a r d o 和b e r t r a n d 等建立的双层面激励测量硬件系统， 法国的r i g a u d 和m o r u c c i 等采用有源电极：数字解调技术建立的高精度硬件系统， 西班牙r o s e l l 和p e r er i u 等基于共模反馈和双频激励测量技术的硬件系统，希腊的 k o u k o u r l i s 等采用脉冲采样解调( p u l s es a m p l ed e m o d u l a t i o n ) 技术建立的3 2 电极 硬件系统，美国的w a s h i n g t o n 大学的w o o 和k i m 等建立的3 2 电极、激励频率 1 0 0 k h z 硬件系统，比利时s a n s e n 和p e t e g e m 等在1 9 9 2 年建立了3 2 电极的电压激励 电流测量系统，英国的o x f o r dp o l y t e c h n i c 的z h uq s 和l i d g e y 等19 9 2 年设计了有3 2 个复合电极的自适应电压激励及电压测量系统。 在国内，从事e i t 方面研究的有第四军医大学、，中国医学科学院生物医学工 程研究所、清华大学、天津大学、同济大学、上海大学、北京航空航天大学和重 庆大学等高等院校和研究所。但目前只有第四军医大学和天津大学在从事硬件系 统的研究，并均建立了1 6 电极的硬件系统，取得了初步的成像效果。 上述系统都是通过向人体内注入安全限度以下的交流电流。为了克服使用电 极带来的诸如同皮肤接触电阻太大、安装大量电极浪费时间及安全性等方面的考 虑，现在出现了一些新的阻抗测量方法，其中有：利用感应线圈给组织施加电磁 场，测量贴在皮肤表面的电极上的电压；利用感应线圈给组织施加电磁场，测量 组织表面的磁场分布；用电容来耦合电流和电压，使皮肤不直接与电极接触 【3 2 】f 3 3 1 。这些方法，还可以使身体内的电流分布更均匀，系统结构更简单，其缺 点是由于感应线圈存在集肤效应，使身体内部组织的测量灵敏度降低。这方面的 研究以英国s h e f i e l d 大学的a n d e r s o n 和f r e e s t o n 及土耳其a n k a r am i d d l ee a s t t e c h n i c a l 大学的g e n c e r 为代表。第四军医大学也开始了这方面的研究，仍然处于 起步阶段。 1 4 论文的组织结构 本文共分六章，各章内容安排如下： 第一章绪论简述生物电阻抗成像技术的起源、意义、发展、研究方向和国内 外发展现状；对本课题的主要内容作了简要介绍，概述论文组织结构。 第二章生物电阻抗测量原理及实验论述生物电阻抗成像的基本原理，包括 c o l e c o l e 理论，s c h w a n 的频散理论及生物组织的r - c 三元件等效电路模型，离 体生物组织电阻抗特征参数的测量及实验结果。 第一章绪论 第三章e i t 系统的硬件结构阐述了人体电阻抗测量系统的硬件设计方案。 第四章参数解调本章着重介绍参数解调，它是建立在普朗尼( e x t e n d e dp r o n y ) 参数辨识的基础上的。利用该方法可以在频率未知的情况下很好地分辨出被解调 信号中的各参数信号，进一步提高解调精度。 第五章基于肺部模型的成像结果针对肺部结构及轮廓，构建肺部仿真模型， 。 进行正问题求解，得到相应的灵敏度系数矩阵；进行在体实验，并通过该肺部仿 真模型对实验结果进行成像，成像算法采用基于t i k h o n o v 的最大熵正则化方法 可以看出基于肺部模型的图像成像效果要好于基于圆场的图像重建结果。 第六章总结和改进意见总结本文工作，并对以后的工作提出几点建议。 第二章生物电阻抗测量原理及实验 2 1 引言 第二章生物电阻抗测量原理及实验 细胞是生物体的基本构建单元，生物体的任何生理功能和生化反应均是基于 细胞实现的。细胞由细胞膜和细胞内液组成的，存在于细胞外部的是细胞外液和 细胞间质。当对生物组织施加直流或低频电流时，电流将选择种方式绕过细胞， 从而使大部分电流经由细胞外液流过，只有极小部分电流将穿透细胞膜，经由细 胞内液流过。当增大施加于生物组织上的激励电流频率时，细胞膜的容抗将减小。 随着测量频率的增加，通过细胞内液路径的电流比例将随之增大。因此，低频时 生物组织的电阻抗较大，而在高频时生物组织的电阻抗较小。所以生物组织的低 频阻抗较大而高频阻抗较小，阻抗值由大到小的过度恰好反映了生物组织细胞膜 的电容性质，生物组织的这种特性最早被p h i l i p p s o n ( 1 9 2 0 年) 所认识，最终导 致了等效电路概念的产生。 2 2 生物组织等效电路模型 ， 细胞处于导电的细胞外液之中，而细胞则由能选择性通透某些离子的细胞膜 和导电的细胞内液组成。细胞膜是一层具有特殊结构和功能的半透性膜，它允许 某些物质有选择地通过，同时又严格地保持细胞内物质成分的稳定。细胞膜具有 低的漏电特性，表现为容性阻抗。细胞间质由胶原纤维、弹性纤维等高分子物质 组成，通常认为细胞间质是电气绝缘体。细胞外液、细胞内液的电学性质接近于 电阻。厚度为5 l o n m 的细胞膜，其电阻率为5 0 0 1 0 0 0 0q c m ，膜电容为1 g f c m 2 左右。血液中由于含有大量水分，其电阻率与其它组织相比非常小，在 3 7 时约为1 4 0 q c m ；中等含水量的骨骼肌具有各向异性的电特性，其电阻率 在纤维方向约为2 0 0 3 0 0 q c m ，在垂直于纤维方向约为7 0 0 一1 0 0 0 q c m ；而像 皮肤和脂肪含水较少的组织，其电阻率较高，从数千f l c m 到数万q c m 。 对生物体来说，一方面由于细胞种类、排列的疏密、细胞间质及细胞膜通透 性的不同，不同组织、甚至同种组织的不同方向及状态所表现出的阻抗特性均有 可能不同；另一方面由于组织的生理或病理改变必然会影响到细胞膜的通透性和 细胞间质的电解质浓度等的变化，从而影响到其组织的频率特性。 第二章生物电阻抗测量原理及实验 c e 图2 1 ( a ) 等效电路模型 图2 - 1 ( b ) 生物阻抗简化电路模型 生物组织内单个细胞的等效电路模型如图所示，其中足是细胞外液的电阻， e 是细胞外液的并联电容，凡是细胞膜的电阻，c m 是细胞膜的并联电容，r 是 细胞内液的电阻，c 是细胞内液的并联电容。 在低频范围内( 低于i m h z ) ，细胞膜的漏电阻疋很大，可视为开路，同 时细胞内液的并联电容g 和细胞外液的并联电容e 在低频下都很小，也可视为 开路，这样可以得到如图2 1 ( b ) 所示的简化等效模型，此模型也被称为并联等 效电路模型。对于整个生物组织而言，由于生物组织是由大量的细胞组成，可视 为许多细胞的集合，因此生物组织的电路模型也可用图2 1 ( b ) 所示的电路等效， 此时，足、r 、c 已不再代表某个细胞的内、外液电阻和细胞膜电容，而是代 表整个生物组织的等效内、外电阻和膜电容，这就是所谓的三元件生物阻抗模型。 由图2 1 ( b ) 所示的简化后的三元件等效电路模型，可知其电阻抗模型 幅值为 相角为 z ：墨! ! 型五墨! ：墨丝：墨冬骅 ( 2 1 ) l + 吐q ( r + r )l + ( 足+ 忍) 2 国2 q 2 l z l _ ( 2 2 ) 忙删丽。丽) c m p 、霹2 ，等筹器挚， 协3 ) 在式( 2 - 1 ) 中，若令f = ( 墨+ r 。) q ，r = 足，民= 硒r o s , 第二章生物电阻抗测量原理及实验 则可以得出， z = 恐+ 墅l + j 墨国r ( 2 4 ) 由此可见，生物组织的等效电路模型在复平面上的轨迹为第四象限上的一段 圆弧，圆心在实轴上。 2 3c o l e c o l e 理论 早在1 9 4 4 年，美国加利福尼亚大学的c o l ek s 通过总结前人的研究工作，提 出生物组织的电阻抗在复平面上的轨迹是一段位于第四象限的圆弧。后来c o l e rh 在此基础上进一步将其发展完善，并最终形成了c o l e c o l e 理论。c o l e 指出， 生物组织的电阻抗在复平面上的轨迹是第四象限的一段圆弧，如图2 2 所示，称 为阻抗圆图( 或c o l e - p l o t ) ，其圆心在实轴以下，位于第一象限( 对于图2 - 1 ( b ) 所示的简化等效电路模型，由于这个r - c 三元件模型是理想电路，所以它的阻抗 圆图应是一个半圆，且圆心位于实轴上) 。用c o l e c o l e 阻抗方程描述如下： 其中， z = 民+ 篙 ( 2 5 ) 吲r 圳q ，r 皇咒代2 最 ( 2 - 6 ) 0 涂 下 t i 、i 龟 蟹 图2 2 阻抗圆图 c o l e c o l e 电阻抗方程中有四个特征参数r 、凡、咫和口，f 代表时间常数， r 代表频率为0 处的电阻抗，民代表频率无穷大时的电阻抗，口为松弛因子， 一般在o l 之间取值，其大小决定圆心的位置。 对图2 2 所示的理想电路模型，口= 1 ，其阻抗圆图为第四象限的一个半圆， 第二章生物电阻抗测量原理及实验 圆心在实轴上。 。 由于上述提及的四个特征参数携带了丰富的生物电阻抗的信息，所以在实际 研究工作中希望获取这四个特征参数的数值，为分析和研究提供至关重要的参考 信息。通过对图2 2 的观察可知， r 。= 工。+ 厨 r 。= 工。+ 可 删一扣n 石irj 弘型 j t ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 中，哆= 2 硝，z j ( q ) 为生物组织在频率在彳下的复阻抗。由公式 1 ( 2 7 ) ，( 2 8 ) 和( 2 - 9 ) 可以看出，在已知圆弧圆心，y o ) 和圆弧半径，的情 况下，h p , - 7 求得r 、疋和口的数值，再把求得的风、恐和口的数值代入公式 ( 2 1 0 ) 即可求出时间常数f 。因为测量误差的存在，实际测量数据点往往近似 对称地分布在理论轨迹图形的两侧。为了尽可能地减少误差，使测量数据更可靠， 往往采取简单的减小误差的方法，即将测得所有数据相加后取平均值，因此有下 式： r 墨二互! 竺! 、- 1 f ：土争：圣亟2 二鱼，_ ( 2 - 1 1 ) h 葛j q 为了获得四个特征参数的数值，首先要求出而，y o 和，的值。这里采用最小二乘 法拟合曲线3 4 1 。从而达到求出而，y o 和，的目的。对以下函数： ，：( x o , y o , r ) ：兰2 = 兰 厄i 丽一，丁 ( 2 - 1 2 ) i = l i = 1 - 一 为求使f ( x o ，y o ，) 最小，通过求偏微分方程求最优解而，y o ，r ，如下式 ( 2 - 1 3 )o l i 望饥 m ， - o = 丝钆 o | l 堡魄 第二章生物电阻抗测量原理及实验 根据以上两式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) ，可以得到 y31五一nx一，争，二：oo x t - x o 善p 一一，t - 1 丽雨面丽。0 f = l ，i x 一置i 一十i1 ，一y 二i 争”一ny一，争一：oo y j - y o i - i 咒一一一，i = l 再虿霖雨2 0 ，儿工一矗，十i 让一j r ，一 ( 一而) 2 + 一) 2 一n r = o 为求出以上三式中的解，下面应用迭代法， = 韶- 嘻再南 j 噱采一喜丽烁 _ 均= 准厅瓣 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 这样便可以求得而，y o ，的数值，然后将值分别代回到式( 2 7 ) ，( 2 - 8 ) ，( 2 9 ) 和( 2 - 1 1 ) ，即可逐一求出四个特征参数r 、咒、口和f 的值。 2 4 频散理论 生物电阻抗或介电特性参数在某个频率范围内有显著的变化称为频率散射， 简称为频散。1 9 7 5 年，s c h w a n 通过对生物组织频率特性的研究提出频散理论。 频散理论指出生物组织内存在三个不同的频率散射，分别称为口，y 散射，如图 2 3 所刹1 2 】。口散射主要发生在音频段，所谓音频段是指频率范围覆盖从几赫兹 到几十千赫兹的频率段。频散主要发生在射频段，射频段覆盖的频率范围是从 几十千赫兹到几十兆赫的频率段。7 ，频散主要发生在微波段，微波段指的是高于 几十兆赫兹的频率段。 口散射表现为细胞膜的电容变化，它是由包围组织内细胞离子层发生的变化 而引起的，表现为细胞膜电容发生变化。对于发生频散的射频段，已经有很多 基于生物电阻抗测量原理的医学临床应用，比如细胞内、外液的分布，恶性肿瘤 的检查等。频散是由细胞膜电容的容性短路和生物高分子的旋转松弛而引起 的。在此频段内，细胞膜电容基本恒定，因而随着频率逐渐增加，细胞膜电容的 容抗不断减小。在低频时，电流基本上经由细胞外液传导，几乎不流经细胞内 第二章生物电阻抗测量原理及实验 液。而在高频段时，电流同时经由细胞内液和细胞外液传导，与在低频段时的情 况相比，相当于增加了一条新的电流传导路径，因此表现为电导系数随频率的增 高而增大，介电常数随频率的增高而减小。7 频散是因蛋白质的相互结合生成水 分子，水分子在电场作用下产生偶极转动所引起的。 l l 户 1 0 l ，o - l l i - l i l l - i i ，f h 暑 l 矿l 矿l a i n ” 图2 3 生物组织频率特性曲线 2 5 人体电阻抗的复杂性 2 5 1 组织电阻抗 人体是由无数细胞组成的一个非常复杂的导体，根据以上分析可知，直流电 流入人体后，细胞对直流电的电阻值很大，电流几乎不通过细胞而在诸细胞之间 的空隙流过，主要靠细胞外液带电粒子导电。当交流电流入时，膜电容存在位移 电流，容抗的大小与电流频率有关，这时电流不仅从诸细胞之间空隙流过也可 “穿过细胞，表2 1 中列出了不同频率条件下一些组织的电导率。 表2 i 不同频率条件下一些组织的电导率。 导率 频率( m l - i z ) 材 群 1 3 5 62 7 1 24 3 3 9 1 52 4 5 x1 0 3 血液 1 1 6 1 1 91 2 71 4 12 0 4 骨 0 2 70 3 30 8 3 0 7 71 0 4 脂肪 0 2 l 0 2 10 2 6 0 3 50 8 2 肺充气 0 1 10 1 3 肺放气 0 2 9 0 3 20 7 10 7 8 肌肉 0 7 40 7 61 1 21 4 5 2 5 6 皮肤 0 2 50 4 00 8 4 0 9 7 1 8 5 第二章生物电阻抗测量原理及实验 2 5 2 皮肤电阻抗 无论电流从人体外流入体内，还是从体内将电信号引出，电流均通过皮肤， 人体的皮肤分为表皮、真皮、皮下组织三部分。皮肤电阻基本集中在表皮层，真 皮与皮下组织的电阻较小。表皮中角质层的电阻最大，其次是皮脂，为减少皮肤 电阻经常设法把这两层去掉，常用方法有用酒精或细砂纸擦洗皮肤表面或在皮肤 表面涂上导电膏。 图2 - 4 画出了导电膏和皮肤接触时的等效电路，e 即由浓差电势产生，c 为 导电膏与皮肤形成的电容，r 为该电容的漏电电阻，r 为皮肤的其他组织的电阻。 图2 4 等效电路 由于电容的存在是皮肤阻抗比较明显地随电流频率变化，在低频范围内皮肤 阻抗和频率关系基本上可按容抗公式计算即： z = l 2 万f c ( 2 2 0 ) 当频率上升到1 0 0 0 h z 时，电流可以顺利的通过人体皮肤进入到人体较深的组织。 2 5 3 影响人体电阻的因素【3 5 】 人体电阻并非常数，它主要受以下几个因素影响： ( 1 ) 皮肤电阻的变化。由于皮肤电阻的变化范围较大，其值对人体电阻的 影响最大。不同的人，皮肤电阻可能相差很大；即便是同一个人，当其皮肤干燥、 洁净、无损伤时，皮肤电阻可高达4 0 1 0 0 k r i ，而当皮肤处于潮湿状态或损伤时， 则会降低至1 0 0 0 0 左右；最不利的情况下，考虑皮肤完全破坏，皮肤电阻变为零， 人体电阻存在仅内部电阻，如5 0 0 f l 。 需要指出的是，人体与电极的接触面积越大，接触压力越大，人体电阻值将 会降低。此外，如果通电电流较大，持续时间较长，可导致发热发汗，此时人体 电阻值也会降低。 第二章生物电阻抗测量原理及实验 ( 2 ) 环境温度。环境温度越高，人体电阻会越小。夏天炎热的天气条件下， 人体电阻值要较寒冬天气小得多。 ( 3 ) 激励电源的频率。不同频率的激励电源作用于人体，会得到不同的人 体电阻值。激励电源频率越高，人体电阻越小。例如，1 0 0 k h z 与5 0 h z 相比，人 体电阻值下降约一半左右。同时，在高频情况下人体承受电流的能力较低频( 如 5 0 h z 交流) 有所增强。 2 5 4 人体安全电流 我国规定在一般正常、干燥的环境中以3 6 v 作为安全电压( 潮湿环境中为 1 2 v ) ，安全电流( 人体允许电流) 一般为3 0 m a t 3 6 1 。 2 6 离体组织电阻抗测量实验 通过实验方法获取生物电阻抗的特征参数是研究的重要环节，成为电阻抗成 像技术定量研究的基础。电阻抗测试实验主要用到的实验仪器包括标本测量盒、 a g i l e n t4 2 9 4 a 精密阻抗分析仪、连接阻抗分析仪与测量组织样本的夹具以及p c 机。 2 6 1 试验材料与方法 用于电阻抗测量的组织样本为新鲜的猪脂肪组织约3 0 0 9 ，猪肌肉组织约 3 0 0 9 ，猪心脏组织约3 0 0 9 ，猪的肺部组织约3 0 吨。为保证测量结果的准确性， 实验所用生物组织要求离体时间 心肌 肺 脂肪。根据四种组织的电导率的大 小及胸部生理结构，可以建立胸部