呼吸过程三维电阻抗成像方法研究

The electrical impedance is very sensitive to the air volume within lungs during the respiration. Based on the principle that the electrical impedance is changed with the ventilation, the impedance distribution within the throax can be reconstructed by the measured data from the boundary after injecting safe excitation current on the electrodes attached on the surface of the object in one or two layers. Reconstructed by an algorithm, an image can be displayed on the screen of PC offering rich physiological or pathological information about lungs. Due to non-invasive and portable advantages of electrical impedance tomography, a greatful achievements are reported. But the images can only supply the distribution within a plane layer,which can not reflect the real distribution in three dimensions. AS the shape of a human throax is unregular and different from each other, the objective of this proposal is focus on studying the three-dimension reconstruction method by EIT. It covers the tasks as constructing the 3D EIT model,designing electrode array,optimizing the working pattern and reconstructing the 3D images. The innovation of the proposal is coorperating the structural feature of the throax and abstrcting the boundary and the internal geometric distribution from CT images in time sequence during the respiration, the 3D EIT model can be construct using the advanced transferring technics from 2D to 3D. It is hoped to offer a avaiable bedside dynamic monitoring imaging method after this research project.

在呼吸过程中，肺部组织的电阻抗参数对肺内含气量变化十分敏感。基于电阻抗特性随通气量变化而变化的机理，通过对人体体表粘贴单/多层电极阵列，注入安全激励电流，测量体表边界电压信号，经图像重建，在计算机屏幕上再现场域内部阻抗分布图像，为临床提供肺部组织或器官的生理或病理信息。由于电阻抗成像技术具有无损、便携等优势，在二维EIT技术研究中已取得一定成果，但构建的均是平面断层图像，尚不能反映真实的三维空间阻抗分布状况。 鉴于人体胸腔是不规则体，且个体差异明显，拟研究融合结构信息和先验电导率信息的三维电阻抗图像重建方法，包括：构建三维EIT空间模型、设计电极传感器阵列、优化三维激励测量模式、重构三维图像算法研究等。课题创新点体现在：结合胸腔结构特点，按时间序列提取CT二维图片边界及内部结构信息，构建3D阻抗模型，并重建三维图像。希望通过本课题研究，为床旁无创监护提供一种三维动态监测方法。

电阻抗断层成像技术（EIT，Electrical Impedance Tomography）是近30年出现的继形态、结构成像之后，新一代医学成像技术。由于EIT技术对人体无伤害，且可重复使用，成本比较低廉等，因此是一种理想的、有十分诱人的应用前景的无损伤医学成像技术。但多年来，该技术的研究大多围绕二维（2D）断层分布的图像重构而展开。实际上，激励电流是在立体空间内传导的，电场呈三维（3D）空间分布，本课题为了探究三维电阻抗成像方法，围绕呼吸过程的三维电阻抗图像重建展开深入研究，在基金委资助下，圆满完成研究任务，取得可喜科研成果。已完成的研究内容有：三维空间模型研究、三维 EIT系统电极优化设计、三维 EIT激励测量模式研究、三维图像算法研究，此外，课题额外完成研究内容有：三维 EIT电路模型研究、三维 EIT系统设计、人体呼吸过程三维电阻抗成像及血液生物阻抗测量与分析。获得的科研成果有：.①研制完成一套基于FPGA的三维肺呼吸功能的电阻抗实时监测原型机；.②建立了三维建模、正问题求解、图像重建的方法；.③发表文章17篇，其中SCI检索文章2篇，EI检索文章2篇，国际会议文章4篇外文，中文核心期刊12篇；.④培养博士后出站1名，硕士研究生毕业10名，在读硕士研究生8名；.此外，本项目超额完成：.⑤申请实用新型专利2项，授权2项；申请发明专利2项，授权2项；.⑥申请登记软件著作权4项，原始取得、全部权利4项；.⑦获“华为杯”第十届中国研究生电子设计竞赛全国总决赛团体二等奖；.⑧参加国际学术会议5人次，会议报告3人次。.形成的重要研究结果为：.① 掌握了构建三维电阻抗图像重建系统的关键技术，从电极敏感阵列的优化、图像重建算法研究、三维胸腔数学模型及物理模型的构建，形成了一套较完整的三维电阻抗图像重建的方法，为临床呼吸过程的无创实时监测提供了新的方法和有效的手段。.②本课题的研究将生物医学电阻抗成像的2D空间拓展至3D空间，更加真实地重构出了具有结构特征的三维模型，为EIT成像技术走向临床应用奠定了理论基础，也推动了该技术在临床应用中的发展。.③通过对患肺癌小鼠的血液阻抗谱分析，随着肺癌肿瘤的生长，肺癌小鼠和健康小鼠的血液介电常数的虚部频谱特性具有显著的差异，这与细胞学与肿瘤生长机理是高度吻合的，这一重要发现仍需进一步大量实验验证，这也是项目组期望进一步深入研究的新的课题。