一文詳解|生物電阻抗斷層成像(Electrical Impedance Tomography, EIT)
一、引言
近年來生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展。其中，電阻抗斷層成像(Electrical Impedance Tomography, EIT)是一種新穎的生物成像技術(shù)，基本原理是通過給生物組織施加安全電流（小于 5mA），在生物組織內(nèi)形成電流場(chǎng)，測(cè)量物體表面的電壓，分析電磁場(chǎng)在體內(nèi)的響應(yīng)，最后重構(gòu)物體內(nèi)部的電導(dǎo)率分布圖像。
EIT技術(shù)自誕生以來，便被視為臨床醫(yī)學(xué)中重要的輔助成像工具，尤其是在的生物的監(jiān)測(cè)中，該技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展到了與臨床應(yīng)用十分接近的階段。EIT的無創(chuàng)、無輻射、便攜、可進(jìn)行功能性成像等優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、地質(zhì)勘探等成像領(lǐng)域。近期，國(guó)內(nèi)外很多大型研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)將EIT技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)呼吸機(jī)誘發(fā)或伴隨機(jī)械損傷的相關(guān)研究中。因此，利用 EIT技術(shù)在生物組織的相關(guān)研究中變得尤為重要。而且，在與X-CT、核磁共振成像、超聲波成像的對(duì)比中，EIT成像成本低廉、操作簡(jiǎn)單以及對(duì)人體幾乎沒有損失，得到了眾多研究者的青睞。
| 成像技術(shù) | 成像特點(diǎn) | 清晰度 | 成本 | 簡(jiǎn)易性 | 人體損傷性 |
| X-CT | 解剖成像 | 清晰 | 昂貴 | 復(fù)雜 | 損傷 |
| 核磁共振成像 | 解剖成像與功能性成像 | 清晰 | 昂貴 | 復(fù)雜 | 損傷 |
| 超聲波成像 | 解剖成像與功能性成像 | 清晰 | 適中 | 簡(jiǎn)便 | 輕微 |
| EIT | 功能性成像 | 模糊 | 低廉 | 便捷 | 輕微 |
表 1-1 對(duì)各種醫(yī)學(xué)成像技術(shù)進(jìn)行對(duì)比
二、EIT 系統(tǒng)的組成
EIT 系統(tǒng)主要由硬件平臺(tái)以及軟件成像算法構(gòu)成，硬件平臺(tái)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)測(cè)量，在正弦信號(hào)的激勵(lì)下，從表面獲取信號(hào)并解調(diào)出能反應(yīng)生物組織電導(dǎo)率分布的數(shù)值，后期在軟件重構(gòu)成像算法中得到圖像。
圖1-1 EIT的簡(jiǎn)要測(cè)量模型
上海昊量光電設(shè)備有限公司代理的德國(guó)Sciospec公司的EIT設(shè)備，為國(guó)內(nèi)外科研院所提供了多種類型的設(shè)備，包括單通道、多通道的EIS設(shè)備和不同電極的EIT設(shè)備。我們的EIT設(shè)備的特點(diǎn)如下：我們的EIT設(shè)備以16電極為主，可以實(shí)現(xiàn)32、64、128以及256電極的測(cè)試，且是獨(dú)立通道。測(cè)試時(shí)間快，實(shí)時(shí)傳輸幀率最高可達(dá)100fps，精度達(dá)到±100ppm。設(shè)備測(cè)試范圍在100Hz 到1MHz，測(cè)試精度可以達(dá)到±100ppm (at 25°C)，電流范圍可以控制在100nA到10mA，控制精度達(dá)到2.81μA。此EIT設(shè)備還有醫(yī)療級(jí)IsoIOport隔離同步模塊，醫(yī)療級(jí)隔離IO接口，醫(yī)療級(jí)電源和醫(yī)療級(jí)等各種隔離保護(hù)的能力，來保障使用者安全使用。
設(shè)備詳細(xì)參數(shù)如下：
激勵(lì)和測(cè)試頻率
| 頻率范圍 | 100Hz 到1MHz |
| 分辨率 | 40μHz @ 10kHz 2mHz @ 10kHz < f <500kHz 220mHz @ f>500kH |
| 絕對(duì)精度 | ±100ppm (at 25°C) |
| 溫漂 | ±10ppm |
| 長(zhǎng)期穩(wěn)定性 | ±5ppm first year |
激勵(lì)電流
| 電流范圍 | 100nA到10mA |
| 分辨率 | 2.81μA |
| 最大連續(xù)輸出電流 | 50mA |
| 規(guī)范電壓 | ±11V |
測(cè)量時(shí)間
| 幀率 | 0.1-100fps |
| 絕對(duì)時(shí)間精度 | ±100ppm |
| 幀到幀抖動(dòng) | ±200ns |
頻率掃描設(shè)置
| 掃描類型 | 線性，對(duì)數(shù)，列表 |
| 掃描點(diǎn) | 1-128 |
注入/激勵(lì)模式掃描設(shè)置
| 模式數(shù)量 | 1-256 |
| 注入切換延遲 | 600μs（默認(rèn)） |
三、EIT的使用方法展示
圖1 設(shè)備前后面板，測(cè)試通道16*2
圖2 實(shí)驗(yàn)過程，水缸以及插在水缸上的16個(gè)電極，可以支持32個(gè)通道
圖2為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在我們連接好設(shè)備，打開軟件，做好校準(zhǔn)后，就可以用Sciospec設(shè)備來測(cè)試生物的電阻抗，結(jié)果會(huì)以成像的形式展現(xiàn)給我們，從而更直觀的將生物體內(nèi)與電阻抗有關(guān)的特性（比如說病變）體現(xiàn)出來。以下展示利用EIT設(shè)備測(cè)試不同物體的表現(xiàn)。
圖3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)界面展示
圖4 在水缸中測(cè)量橘子實(shí)時(shí)阻抗圖像展示
紅色的部分勾勒出物體的大致形態(tài)，且紅色部分會(huì)隨著物體的變化而不斷移動(dòng)位置，這個(gè)變化的快慢取決于采集圖像幀的速度。設(shè)備的通道數(shù)越多，成像的清晰度就會(huì)越高。
圖5 特別設(shè)計(jì)的EIT芯片，用于微流控測(cè)試
圖6 利用EIT芯片測(cè)試物體實(shí)時(shí)圖像
四、總結(jié)
電阻抗斷層成像技術(shù)相對(duì)其它的成像技術(shù)，具有自身的優(yōu)勢(shì)。在未來的生物成像領(lǐng)域研究中定會(huì)發(fā)揮巨大的作用。Sciospec公司提供商用化的EIT設(shè)備，設(shè)備性能優(yōu)越，是研究者提供實(shí)驗(yàn)的高效武器，同時(shí)設(shè)備類型多種多樣，針對(duì)不同客戶的需求提供OEM定制品。上海昊量光電作為Sciospec在中國(guó)的獨(dú)家代理，愿為科研工作者提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。
您可以通過我們昊量光電的官方網(wǎng)站了解更多的產(chǎn)品信息，或直接來電咨詢4006-888-532，我們將竭誠為您服務(wù)。
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