電阻抗成像（Electrical Impedance Tomography, EIT）是醫學成像技術的一個新方向，它的基本原理是根據人體內不同組織在不同的生理、病理狀態下具有不同的電阻/電導率，採用各種方法給人體施加小的安全驅動電流/電壓，通過驅動電流或電壓在人體的測量回響信息，重建人體內部的電阻率分布或其變化的圖像。
基本介紹
- 中文名：電阻抗成像
- 外文名：Electrical Impedance Tomography, EIT
電阻抗成像簡介,成像原理,注入電流電阻抗成像（ACEIT）,感應電流電阻抗成像（ICEIT）,磁共振電阻抗成像（MREIT）,磁感應成像方法（MIT）,電磁阻抗成像（EMIT）,電場電阻率成像（EFT）,磁探測電阻抗成像（MDEIT）,套用,擴展閱讀,
電阻抗成像簡介
電阻抗成像（Electrical Impedance Tomography, EIT）是醫學成像技術的一個新方向，它的基本原理是根據人體內不同組織在不同的生理、病理狀態下具有不同的電阻/電導率，採用各種方法給人體施加小的安全驅動電流/電壓，通過驅動電流或電壓在人體的測量回響信息，重建人體內部的電阻率分布或其變化的圖像。
電阻抗成像（EIT）的起源可追溯到上個世紀20年代，地質學研究者提出了線性電極陣列的斷層電阻率成像（Resistivity Imaging）技術，即通過把電流注入地層，測得地表電壓來重構不同地層的導電特性，從而確定礦藏的分布。70年代，生物醫學研究者提出了圓形電極陣列的斷層電阻率測量技術（Tomographic Resistivity Measurement Technique）。第一幅電阻抗圖像是由Henderson和Webster於1978年報導的，他們得到了可以顯示人體肺和心臟的圖像，但這還不是斷層圖像，而是類似X胸片的透視圖像。1984年英國謝菲爾德大學的Barber研究組報導了電導率斷層成像的實驗，獲得了電導率分布圖像，開闢了電阻抗層析成像技術這一新的研究領域。目前美國、英國和中國等有30多個研究組在進行電阻抗成像的研究。電阻抗成像技術在醫學方面有廣泛的套用，關於EIT在檢測中風、肺氣腫、心肌萎縮、膀胱疾病、乳腺癌等方面均有醫學報導。
醫學電阻抗成像方法按照激勵器和測量器是否與成像目標體接觸來劃分，可以分為接觸式、不完全接觸式和非接觸式三類。接觸式電阻抗成像採用電極激勵、電極和非接觸形式共同接受的方式，提取與人體生理、病理相關的電特性信號，包括注入電流電阻抗成像方法（applied current electrical impedance tomography，ACEIT），磁共振電阻抗成像方法（magnetic resonance electrical impedance tomography, MREIT）和電磁阻抗成像（electro-magnetic impedance tomography, EMIT）等；不完全接觸式電阻抗成像採用線圈激勵和電極接收的方式，或者採用電極激勵和線圈接收的方式，包括感應電流電阻抗成像方法（induced current electrical impedance tomography，ICEIT）和磁探測電阻抗成像（magnetic detection electrical impedance tomography，MDEIT）；非接觸式電阻抗成像的激勵器和接收器都不與成像體接觸，主要包括磁感應成像方法（magnetic induction tomography，MIT）和電場電阻率成像方法（electrical field tomography，EFT）。
成像原理
注入電流電阻抗成像（ACEIT）
注入電流電阻抗成像（ACEIT）是最早提出的且研究歷史最長的成像方法。許多早期的文獻將之稱為電阻抗成像（EIT），後來隨著各種成像方法的提出，有些學者為了將它與其他激勵方式的電阻抗成像區分開來，故將之命名為注入電流電阻抗成像（ACEIT）。後來EIT概念的外延增大，表示所有的電阻抗成像。相對於其他方式的電阻抗成像而言，ACEIT起步較早，研究得比較充分。
ACEIT的原理是，根據人體內不同組織在不同生理、病理狀態下具有不同的電阻抗，通過電極給人體施加小的安全驅動電流/電壓，在體外測量電壓/電流信號，並依據相應的快速重組算法重建人體內部的電阻抗分布或其變化的圖像。
不同的電流注入模式使成像區域內部形成的電流分布不同，測量靈敏度不同，採集信號的信噪比不相同，最終成像質量也不同。常見的注入電流模式主要包括：臨近驅動模式（adjacent driven pattern）、交叉注入模式（cross method）、相反注入電流模式（opposite method）和自適應注入電流模式（adaptive method）等。
感應電流電阻抗成像（ICEIT）
感應電流電阻抗成像的原理是，它在被測目標的外圍放置若干個激勵線圈，對其施加交變電流，在空間產生交變磁場，從而在被測目標內激勵出感應電流。測量被測目標表面電極間的電壓差，並用此數據重構電導率擾動的分布，從而進行目標區域電導率的動態成像。
磁共振電阻抗成像（MREIT）
針對常規電阻抗成像方法只能測量成像目標區域外周邊信息的問題，加拿大多倫多大學的Zhang於1992在其題為“Electrical impedance tomography based on current density”的碩士論文中提出將EIT與磁共振電流密度成像（magnetic resonance current density image, MRCDI）結合的磁共振電阻抗成像方法。
磁共振電阻抗成像技術（MREIT）就是一種把磁共振成像技術（MRI）和EIT技術結合起來的新型阻抗成像技術。MREIT技術發展的基礎在於磁共振能夠檢測注入電流激勵磁場沿磁共振主磁場方向的分量。利用這一原理，就能夠測量得到注入電流在成像目標內部激勵的磁場分布，進而，由安培定律（Ampere’s Law）即 可以計算得到注入電流在成像目標內的電流密度分布，再結合成像目標邊界電壓分布，利用特定算法就能夠重建成像目標體的阻抗分布，這就是MREIT技術的基本思想。
2005年，Ozparlak等提出感應電流磁共振電阻抗成像方法（induced current magnetic resonance-electrical impedance tomography, IC-MREIT），將非接觸概念引入磁共振電阻抗成像方法。採用外部非接觸線圈代替電極，將被測物放置於設計的幾何中心位置，線圈通電後被測物處於交流一次磁場中，該一次磁場在被測物內部感應生成渦流產生二次磁場。二次磁場可由MRI設備測得，其中包含足夠的信息用來重建圖像。
磁感應成像方法（MIT）
ICEIT採用電極測量成像目標體表面電壓，依然存在因貼放大量電極而浪費時間和處理極不方便等困難。為此，Korjenevsky等人提出激勵和測量全部採用線圈的非接觸方式，通過測得的表面磁場重建電導率分布的磁感應成像方法（MIT）。套用於醫學領域的磁感應成像方法的研究始於1993年，英國Swansea大學的Al-Zeibak等首次報導了用於醫學的MIT實驗系統，能夠通過重構圖像區分出脂肪與脫脂組織的輪廓和幾何尺寸。
MIT的基本原理是，激勵線圈產生頻率的交變磁通密度，將成像目標體置於激勵磁場中，成像目標區域內產生渦旋電場，由於區域內部包含導電介質，因此產生渦旋感應電流，該渦流同時會產生二次感應磁通密度並能改變原激勵磁通密度的強弱和空間分布，在接收線圈上可以檢測到相應的感應電壓。通過檢測到的測量線圈的感應電壓的變化可以間接地反映導體的電導率分布，進行圖像重構。由理論分析可知，二次感應磁通密度的實部由位移電流引起，與導體的介電常數有關，虛部由渦旋電流感生，與導體的電導率近似成線性關係。
電磁阻抗成像（EMIT）
Levy等人提出了一種成像技術叫電磁阻抗成像（EMIT），既測量EIT的邊界電壓，又通過線圈記錄外部磁場。他們通過數值模擬得出結論，附加的一小部分磁場的測量可以減小EIT問題的條件數，即改善了問題的病態性。
電場電阻率成像（EFT）
還有另外一種完全非接觸電阻抗成像方法——電場電阻率成像（EFT）[90]。這種成像方法採用與成像體非接觸的電極激勵交變電場，激勵電極在成像目標體近表面產生感應電荷，而在遠離電極的一面產生相反電荷，使得測量電壓和激勵電壓之間的相移攜帶有成像目標體電阻率特性信息，進而可以建立相移與電阻率的對應關係，據此重構出成像體電阻率分布圖像。
磁探測電阻抗成像（MDEIT）
磁探測電阻抗成像（MDEIT）通過貼在成像目標體的成對電極，向成像目標體注入一定頻率的交變電流，然後用某種形式的接收裝置，例如感應線圈、超導量子干涉儀（SQUID）等，測量注入電流在成像目標體外產生的磁場，根據表面磁場的反問題求解獲得產生磁場的電流分布，進而從電流分布重構出電導率分布圖像。
綜上所述，電阻抗成像（EIT）主要包括注入電流電阻抗成像方法（ACEIT），感應電流電阻抗成像方法（ICEIT），磁共振電阻抗成像方法（MREIT）和電磁阻抗成像（EMIT），磁感應成像方法（MIT），電場電阻率成像方法（EFT）和磁探測電阻抗成像（MDEIT）。它們的激勵方式和感測接收方式各不相同，見表1。
表1 EIT各種方法的激勵和感測方式的比較
方法 | 激勵方式 | 感測接收方式 |
ACEIT | 電極 | 電極 |
ICEIT | 線圈 | 電極 |
MREIT | 電極 | MRI（+電極） |
IC-MREIT | 線圈 | MRI |
MIT | 線圈 | 線圈 |
EMIT | 電極 | 線圈+電極 |
EFT | 非接觸電極 | 非接觸電極 |
MDEIT | 電極 | SQUID或線圈 |
套用
EIT技術具有很多優勢，如對人體無創，無電離和輻射危險，系統結構簡單，測量簡便，可以用於快速的攜帶型成像，並且在對於人體心血管、食道、胃部等生理活動進行連續動態的圖像監護方面具有廣泛的套用前景，這些是目前多數臨床成像手段難以做到的。同時該設備造價低廉、檢測費用低的特點非常適合進行廣泛的醫療普查。利用EIT技術，既可以得到解剖學影像，又可以得到人體器官生理活動（如呼吸、心臟搏動）的功能性圖像。解剖影像是利用組織阻抗的頻率依賴性對體內的阻抗分布進行成像。既往研究表明某些人體組織的生理功能變化能引起組織阻抗的變化（如組織充血和放電等），某些組織病理改變也能引起組織阻抗的變化（如癌變等），這些信息將會在EIT圖像中體現出來，所以EIT具有功能成像的性質。
擴展閱讀
1. Brown B H, Seagar A D. The Sheffield data collection system[J].Clinical Physics and Physiological Measurement.1987,8(Supplement A):91–97.
2. Zlochiver S, Radai MM, Abboud S, et al. Induced current electrical impedance tomography system: experimental results and numerical simulations[J].Physiological Measurement. 2004,25(1):239–255.
3. Freeston I L, Tozer R C. Impedance imaging using induced currents[J].Physiological Measurement.1995,16(Supplement 3A):257–266.
4. Kolehmainen V, Vauhkonen M, Karjalainen P A, et al. Assessment of errors in static electrical impedance tomography with adjacent and trigonometric current patterns[J]. Physiological Measurement. 1997,18(4):289–303.
5. Ozparlak L，Ider YZ．Induced curent magnetic resonance—electrical impedance tomography[J]．Phys Meas，2005，26：289—305．
6. KorjenevskyA, CherepeninV, Sapetsky S. Magnetic induction tomography: experimental realization[J].Physiological Measurement.2000,21(1):89–94.
7. Griffiths H. Magnetic induction tomography [J]. Meas Sci Techno, 2001, 12(8): 1126-1131
8. Casanas R, Scharfetter H, Altes A, et al. Measurement of liver iron overload by magnetic induction using a planar gradiometer: preliminary human results[J].Physiological Measurement.2004,25(1):315–323.
9. Merwa R, Hollaus K, Oszkar B, et al. Detection of brain oedema using magnetic induction tomography: a feasibility study of the likely sensitivity and detectability[J].Physiological Measurement.2004,25(1):347–354.
10. Levy S, Adam D, Bresler Y. Electromagnetic impedance tomography (EMIT): a new method for impedance imaging[J].IEEE Transactions on Medical Imaging.2002,21(6):676–687.
11. Korjenevsky, A V 2004 Electric field tomography for contactless imaging of resistivity in biomedical applications Physiol. Meas. 25 391–401
12. 劉國強.醫學電磁成像[M].北京：科學出版社,2006
13. 何為, 羅辭勇, 李征.電阻抗成像原理[M].北京：科學出版社,2009
14. 徐桂芝, 李穎.生物醫學電阻抗成像技術[M].北京：機械工業出版社,2010
