生物医学电阻抗成像技术

第一章简介进入21世纪，随着生物医学工程的迅速发展，如何将先进的科学技术应用于人体医学检查和各种功能测试，改善人类对疾病的早期预防和治疗，加强身体的功能，提高健康水平，一直是人们共同关心的问题。因此，随着对医学检查手段的要求的提高，检查方式已经从人工主观探测到现在的主客观看。尤其是医学影像技术的出现，使疾病的诊断更加客观准确。但是通过医学实践，单一形态影像诊断仪器不需要疾病的早期诊断，形态和功能相结合的新的检查系统是医学发展的需要，形态和功能相结合的新的检查系统是医学发展的需要。向功能检查和疾病的早期诊断扩展到疾病的康复及治愈评价，这就是现代医学发展中追求的目标。电阻成像(EIT)技术是一种新的非破坏性生物医学检测和成像技术，旨在成像有机体中电阻的分布或变化。给生物体施加一定的安全激励电流，测量生物体的表面电压信号，重建生物体的阻抗分布。由于生物组织的阻抗特性大不相同，电阻抗成像结果明显。使用EIT技术，您可以显示生物体组织阻抗分布的图像、阻抗随频率变化的图像、生物体机构生理活动(如呼吸、心跳)时阻抗变化的图像。加上安全电流激励、非入侵检测技术、功能成像技术，对研究人体生理功能及疾病诊断具有重要的临床价值。该设备简单、便宜、长期可用作持续监控患者的设备，对疾病的早期预防、诊断、治疗及医疗普查也具有重要意义，受到了很多研究者的关注。第1节医学影像技术概述医学影像技术是利用多种影像设备收集和可视化人体内解剖学、生理学、病理学、心理学相关信息的科学。医学影像技术是涵盖物理、生物学、医学、电子信息技术等多科学领域的典型学制领域。医学图像反映了真实的物体信息，但还不是真实物体的镜子。到目前为止，所有的影像设备只能采集人体的部分信息，特定的医学影像是从数学方法的反转得到的主体特定位置到特定时间点的信息的视觉表达。人体影像实际上是人体信息的一部分，包含影像对象个人的特殊信息。但是，即时成像过程中完全不包含虚假信息(人工效果和噪声)，从特定成像设备收集的图像只是图像对象在特定时间和空间中的极小信息部分。无论是对人体本身的研究，还是对人体疾病的判断或治疗，只根据对这一部分的信息来判断的判断都会有很大的误差。据统计，使用医学影像技术的疾病诊断具有全世界约85%的准确度。因为人体的情况太复杂，准确诊断疾病所需的资料还不完善。目前医院向患者采集的信息需要进一步整合，及时完成对解剖学的登记，需要基于生理学的功能信息和解剖学信息的整合，生化参数和图像的结合。尽管如此，医学图像能够以非常直观的形式显示人体内部的结构和器官功能，是临床诊断中最重要的手段之一。1972年，英国学者G.N.Hounsfeild开发了第一台x光计算机断层扫描仪，引起了医学诊断史上的一场大革命。之后，现有的显微镜、x射线、内窥镜成像技术继续发展。结合计算机技术的超声波医学成像、磁共振成像、放射性核元素成像等也在迅速发展和迅速应用。单光子发射CT (SPECT)、正电子发射CT (PECT)、超声波CT (UCT)、微博CT (MCT)、NMRCT (nmrct)等相继出现，形成了20世纪80年代以来医学影像诊断的新科学超声波、x射线、核医学、红外和核磁共振成像技术已成为当今五大医学成像技术。热成像，微波成像等技术也在开发或研究中，有些地方已经制造出了产品。近年来，从平面到立体、从局部到整体、从静态到实时、从形态到功能，成为医学影像技术的发展趋势。目前，b型超声成像被广泛应用，彩色多普勒血流成像技术也被使用。x射线CT是第五代开发的，扫描速度大大提高。磁共振成像(MRI)不断减少磁铁的重量，在血流成像和光谱分析方面取得了重大进展。放射性核素显像可获得组织化学和功能性图像。应用计算机的显微成像技术已经成为进行细胞和分子水平研究的重要手段。x射线CT目前在医学成像技术中体层摄影最完美，使用最多。但是，这种医学影像技术价格昂贵，大部分会对人体造成一定的危害，不适合持续、长期的观察。正电子发射成像(PECT)、单光子发射断层成像(SPECT)和功能磁共振成像(fMRI)等功能成像，尽管空间分辨率高，但时间常数大，无法满足某些病理或神经科学的毫秒时间分辨率要求。研究结果表明，生物组织的电特性非常重要，通过体外电极可以检测生物体的脑电波信号、心电图信号、肌电信号等，这些都反映了生物体的电特性，其中主要是电阻。有机体的阻力特性主要包括：1.不同的生物组织之间有很大的阻抗差异。例如胸腔内周围组织的电阻率约为3 m，心脏约为1.5 m，肺约为12 m，脊椎约为20 m。人体组织的电阻率加上激发信号频率为20100kHz时差异很大。最小脑脊液0.65到最大骨组织166m，最小-最大比率达到25033301，软组织间电阻率的最大-最小比率达到3533601。2.同一生物组织在不同的生理状态下阻抗不同。例如，组织温度更改为1 ，阻抗更改2%。组织内血液的流动和充电也直接影响大脑组织缺血等阻抗大小，阻抗几乎可以增加一倍。由于心脏的周期性活动。身体各部分的组织阻抗也发生了周期性的变化，器官体积的变化也对阻抗产生了很大的影响。胃里的食物成分和胃里的充盈和排空大大改变了胃阻抗。在呼吸过程中，肺阻抗大小与吸入的空气量密切相关，当肺组织膨胀收缩时，阻抗会改变好几倍。无论是自然或人工调节的手动呼吸状态，肺内空气量与局部胸部阻抗呈线性关系。3.生体操组织发生病变时，与正常时的阻抗发生很大变化。例如，脑肿瘤异位组织是正常组织的13倍左右。脑震荡或脑肌肉萎缩组织是正常组织的2倍左右。脑出血异种组织约为正常组织的四分之一。肺部疾病患者的阻值会发生很大变化，可以用闭塞器检测肺组织液体的异常变化。4.生物组织的阻抗特性与频率相关。也就是说，不同测量频率下的阻抗特性不同，某些生物组织的阻抗在组织的不同方向测量时具有不同电阻的各向异性特性。因此，生物组织阻抗具有丰富的病理及生理信息，在医学影像研究中受到了很多关注。在过去30年里发展起来的生物医学电特性EIT(电特性)技术是构成人体表面电极，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，然后通过图像重建算法，即反向问题解决，获得体内阻抗分布图像。不仅反映了解剖结构，而且利用EIT技术，可以获得反映生物组织活性和短生理状态变化的功能图像。EIT易于携带，响应迅速，成本低，操作安全，不使用辐射元素或射线，对辐射、患者无害，多次测量、重复使用，应用对象和时间不受限制，在长期持续患者监控、人类生理功能和临床疾病诊断研究中具有重要的潜在价值和广泛的应用前景，在形态、结构成像后。新一代无损功能成像技术。第二节主要医学成像技术简介第一，计算机断层扫描技术1972年，英国工程师G.N.Hounsfield开发了第一台计算机图形学(CT)机器并将其应用于临床脑CT，为此荣获1979年诺贝尔生理医学奖。x射线CT是扫描穿过射线的物质截面，通过探测器测量人体通过该层的x射线强度，通过计算机加工计算该层内个别点x射线吸收系数，从而重建该层结构的装置。CT机是目前技术最成熟、应用最多、临床经验最丰富的检查方法，在肿瘤的位置和定量诊断上相当快、准确，定性诊断价值也很大。脑出血，脑梗塞，颅内水肿，脑挫裂伤的诊断和确认也很有效。目前，x射线CT的指标达到了相当理想的阶段，但x射线对人体组织有轻微的损伤，因此，x射线CT不应长期使用，在很多情况下，例如胎儿和孕妇，完全不应该使用。另外，x射线CT只能显示人体断层分布的几何特性，因此显示人体生化信息是无能为力的。超声波CT利用超声波完成扫描过程，防止x射线CT对人体的影响，是包括妇产科在内的临床试验可用的最安全的成像系统，但是超声波传播受湿度、温度等多个方面的影响，很难建立能够建立器官、密度和各种形式的超声波传播特性的数学模型。目前的超声成像忽略了超声波和生物组织之间的相互作用，因此无法得到理想的定量结果。2、磁共振成像技术磁共振成像(Mri)系统是基于物理和磁共振现象设计的。人体有很多具有固定磁性的氢核，身体在强磁场时会按照磁场的方向排列。如果用频率很高的一个电信号形成额外的磁场，就会使氢核偏离原来的排列方向。如果那个信号突然中断，氢核就会朝向原来的排列方向。同时，发送具有非常弱和特征频率的信号，MRI利用该信号中包含的信息重建图像。MRI具有独特的优点，即可以从不同角度重建三维图像，并且可以重建横截面、管状、矢状面和所有斜坡图像。软组织的分辨率比X-CT高，骨骼没有人工痕迹，软骨、骨骼结构的分辨率高。可以区分脑灰质、脑白质、脑干、脑垂体等。反映器官生化结构的变化，可以进行早期诊断等。因此缺点是结构复杂，设备庞大，价格昂贵。3、功能磁共振成像技术MRI提供的优秀解剖学图像长期被接受。近年来，MRI具有组织磁化的非常敏感的特性，用于研究人脑功能，尤其是大脑功能区域的划分。这项新技术是功能磁共振成像(fmri)。它基于两个主要事项。第一，人脑可以分为多个微观功能区域，这样人们就可以设计各种各样的这里程序来分别研究它们。第二，生理性大脑活动与脑血流、脑血流容量及能量代谢之间有直接关系。FMRI检测这些神经活动的伴随现象，构建大脑功能图像。它打破了过去仅从生理学或病理学角度对人类大脑进行研究和评价的状态，在语言、记忆、认知等领域打开了研究的大门。FMRI方法具有不使用同位素示踪剂、非肠道、可反复检测、空间分辨率高的优点，是大脑功能成像的主要手段。但是，与MRI不同，fMRI仍然是开发阶段的研究功能成像方法，需要解决很多技术问题，如刺激性设计和序列的应用、图像的后处理和可视化。4、正电子发射断层扫描技术正电子发射断层扫描(Positron Emission Tomography，PET)是第一个研究大脑功能的成像技术。使用放射性示踪剂检测活动部位的血流量增加，影像速度会减慢，每个影像需要1分钟。因此，研究人员可以使用PET进行“区域测试”。受试者们首先做了简单的工作，让大脑重复相同的思维活动来收集数据。可以用于大脑视觉活动、认知反映、神经功能等的功能成像。但是，由于辐射跟踪仪注入、慢成像、低分辨率、需要加速器等原因，成本很高。另外，动脉血流测量需要取样，所以是侵入性测量。由于这种不足，PET的使用不像fMRI那么广泛。5，脑波技术Eeg是收集和记录EEG信息最广泛使用的方法。其基本原理是通过放置在头皮表面的电极，记录许多神经元共同合作产生的头皮各神经元所产生的电位信号。临床使用的电极根据解剖结构的固定点均匀地放置在头皮表面。EEG可以应用在很多方面，最普遍的用途是记录在睡眠和觉醒情况下受试者大脑内部电生理活动产生的电信号，诊断是否发生了癫痫。EEG的空间分辨率相对较低，但EEG可以检测到时间分辨率非常高的EEG活动发生变化，这是一种非侵入性、方便的检测工具，测试设备价格低廉，是临床接受的诊断设备。EEG还可以记录外部刺激产生的电信号，用于研究大脑对视觉、声音、嗅觉等刺激的反应，并进行关于大脑功能和认知科学的研究。6，脑波技术Eeg用于检测大脑中神经元活动产生的电信号，而magnetoencphalography(EEG)则记录由此产生的磁信号。地球磁场的强度已知为10-5t，大脑和癫痫的可见光磁场强度为10-12t，是地球磁场的百万分之一。因此，大脑磁场的检测变得非常困难。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测量人体大脑和心脏磁场。到1972年，随着超高灵敏度磁场探测器(surper conduction quantum interference device，squid)的研制，第一个噪声小、清晰度高、以alpha波为代表的脑磁信号被正式检测出来。利用梅格检测过程中产生的感应磁场分布，可以估计磁场信号源的位置，尤其是测量头部表面纵向的磁场。MEG在脑磁场检测中具有独特的优越性。在磁场发生源中，梅格检测可以分为自发梅格和光、声音等，通过外部刺激获得的感应梅格(MEG)。在自发脑磁场中，除了正常神经活动产生的波外，神经细胞异常放电产生的尖峰还会引起脑子波，例如癫痫。诱发大脑磁场是在大脑皮层和其他部分受到刺激而产生的。听觉引起的脑磁场中，来源于脑干，脊髓神经引起的脑磁场发生在脊髓。MEG与EEG相比具有独特的优势。无需测量电极，无需确定标准，可以检测到任何点，可以进行非接触测量，可以忽略头部头骨的影响。但是检查设备庞大昂贵，很难普及临床。7、