电阻抗成像技术.doc
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第25卷 第2期
2006年 4月
北京生物医学工程
BeijingBiomedicalEngineering
Vol125 No12
Apr. 2006
电阻抗成像技术
王晖 高建波 骆剑平
摘 要 介绍了一种新的医学图像重建技术———电阻抗成像技术（EIT）。
EIT依据生物组织不同部位的导电
参数（电阻率、介电常数Π电容率）以及同一部位在正常和病变时导电参数的变化来判断疾病的源。
EIT设备通过对体组织表面电流、电压的施加及测量来获知体组织内部导电参数的分布,并重建出反映体组织内部的图像。
详细分析了EIT成像中遇到的关键问题以及现有的主要应对方法,列举了EIT技术在临床医学上的应用现状,同时对EIT在技术和临床上的发展趋势进行了展望。
关键词 电阻抗成像 图像重建 反问题 不适定性 正则化
中图分类号 TM938184 文献标识码A 文章编号100223208（2006）0220209204
ReviewofElectricalImpedanceTomography WANGHui,GAOJianbo,LUOJianping FacultyofInformationEngineering,
ShenzhenUniversity,Shenzhen,GuangdongProvince 518060
【Abstract】 Anewimagereconstructiontechnology—ElectricalImpedanceTomography（EIT）ispresented.EITcanfindthediseasedtissueinaccordancewiththefactthatdifferenttissueshavedifferentelectricalproperties（electricalconductivityandpermittivity）andthesame
tissuehasdifferentelectricalpropertiesbasedonwhetheritisinnormalstateorpathologicalchanges.FacilitiesbasedonEITtechnologyobtainthedistributionofelectricalpropertiesthroughtheplacementandmeasurementofthecurrentsandvoltagesonthesurfaceofthetissue,andreconstructtheimagesofthetissuebyrelatedreconstructionalgorithm.AfterthatthemainquestionsofEITandcorrespondingsolutionsisanalyzed.Finally,thetypicalapplicationsofEITinmedicineandthetrendofEITaredemonstrated.
【Keywords】 electricalimpedancetomography（EIT） imagereconstruction inverseproblem ill-posed regularization
©1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.
1 电阻抗成像的概念及分类
对体内组织电特性的研究有利于医学诊断。
这里的电特性主要是指电导率和电容率。
电导率反映了一种材料的导电能力而电容率是指在外加电场的情况下材料的储电能力。
直流和交流电都能通过高电导率的材料但高电容率的材料只能让交流电通过。
因为不同组织有不同的电导率和电容率,所以这些电特性可以应用于医学中。
这些电特性在医学领域的主要应用有:
监控肺部问题,如肺积水、肺萎陷;对心脏功能以及血流状况的无损监测;内出血的监测;检测乳腺癌;研究空腹状态;研究导致骨
盆疼痛的骨盆积水;通过对细胞内和细胞外体液数量的了
解定量分析经期综合症的严重程度;找出活组织与死组织的边界;测量由过高温疗法导致的局部体内温度升高;提高心电图与脑电图的质量。
现已研制出了一些硬件系统,如用于模拟实验的ACT系统1以及国内设计的基于
基金项目:
广东省自然科学基金（011750）资助
作者单位:
深圳大学信息与工程学院（广东深圳 518060）
作者简介:
王晖（1969—）,男,主要从事医学信号处理、图像处理方面的研究。
TMS320VC33浮点DSP芯片的32电极电阻抗成像系统2,这些系统使用电测量技术重组与近似显示体内组织的电导率和电容率分布图,而这个重组和显示过程就是电阻抗成
像技术（EIT）。
电阻抗成像技术是一种相对较新的成像技术。
它通过对体组织表面电流、电压的施加及测量来获知体组织内部导电参数的分布,并依据相应的快速重组算法重建出反映体组织内部的图像。
既往研究表明某些人体组织的生理功能变化能引起组织阻抗的变化（如组织充血和放电等）,某些组织病理改变也能引起组织阻抗的变化（如癌变等）,这些信息将会在EIT图像中体现出来,所以EIT具有功能成像的性质。
EIT技术具有很多优势,如对人体无创无害,系统结构简单,测量简便,在对于患者长期的图像监护方面具有广泛的应用前景,这些是目前多数临床成像手段难以做到的。
同时该设备造价低、检测费用低的特点非常适合进行广泛的医疗普查。
根据成像目标不同,电阻抗成像分为动态电阻抗成像和静态电阻抗成像两种方式。
动态式成像利用两个不同时刻的测量数据,通过图像重建算法来获得这两个时刻电阻抗分布的差值,从而重构出一幅阻抗差值图像。
动态式成像是图像重建算法中发展较早的一类,EIT最初的研究者
Barber等人便是采用这种方法。
其算法主要是反投影型算法3,优点是许多测量数据中的噪声可以在相减时得到消
高,较易实现。
同时由于它只需考虑电阻抗变化的部分,
j=γ9u
9n
（2）
9Ω ∫9Ωu=
因而数据量少,计算量小。
它的缺点是应用范围窄,因为如果数据采集的两个时刻电阻抗分布没有或变化很小,则它不能成像。
另外由于该算法的推导过程是基于电流在同一平面内流动的,所以该类算法难以推广到三维空间。
静态式成像重建算法的发展较晚一些,但由于其广泛的应用前景及相对较好的成像效果,目前受到普遍的重视,
0便构成了被经常使用的连通体模型。
可惜的是该模型与
真正的实验数据相差甚远。
因为我们并不知道电流密度j而仅知道加于电极上的电流,当将j视为常数时,这样的模型仍然不太适合10。
于是必须考虑两个效应:
电极的离散化和电极材料本身的电阻,由此可得到新的模型10,11:
已成为EIT成像重建算法研究的主流。
现在流行的算法主
γ9uds=I
∫ l
e 9n
（3）
要是Newton2Raphson类算法及其改进型4,5。
另外扰动算法6、拟Newton类算法7、遗传算法8等也在该领域中得
到应用。
静态式成像的缺点是计算量大,抗噪声能力较差,
而且在反问题的重建过程中存在严重的不稳定性。
由于这种不稳定性的存在,造成图像重建算法对测量数据中的噪声以及计算中的舍入误差特别敏感,因而有必要改进算法,
l
式中,Il是注入第l个电极的电流;el是体表（9Ω）
对应于第l个电极的部分。
同时还要考虑两个约束条件:
γ9u=0 （4）
9n
（电极之间的间隙处不存在电流）
u=Vl （5）
使数值的稳定性提高。
其中Vl
是el电极上测量的电压值。
2 电阻抗成像的原理及数学模型
如X射线断层扫描成像、CT成像、MRI（磁共振）成像等断层成像技术一样,电阻抗成像技术的可行性在于
不幸的是该模型仍与实验数据不太吻合10,因为它没有考虑电极与体表接触时产生的接触电阻。
当考虑该问题后,得到如下模型:
9u
Radon于1917年在数学上证明了的二维、三维的物体可由
u+zγl
9n=Vl （6）
它的无限多个投影的逆变换实现重构9。
Housefield则将该
z为e电极与体表的接触电阻。
理念应用于医学断层成像———X射线断层摄影。
其基本原
l l
由
（1）、
（2）、（3）、（4）、（6）式并加上以下两个电路
理是:
在不损伤物体本身结构的情况下,发射各种可通过
物体的讯号（如各种射线、波、粒子、电磁场等）,然后通过对从体外接收到的信号,利用数学方法和计算机进行加工和处理,获取物体内部结构的信息,形成该物体结构的三维透视图像,亦称图像重建或图像恢复（imagereconstructionΠrestoration）。
与上述断层成像不同的是,电阻
的约束条件
L
∑Il=0 （电荷守恒） （7）
l=1
L
∑Vl=0 （8）
l=1
抗成像不需要发射对人体有一定危害的放射性物质,而仅
通过在体表放置一定数量的电极,并将不同模式、频率的小电流（或电压）注入体内,然后在其它电极测量电压（或电流）,依据这些电流、电压值反构出体内电导率、电容率的分布图。
电阻抗成像的原理模型见下式1:
上述构成了电阻抗成像的完整数学模型,该模型仅有唯一
的解11,也即具有数值解的稳定性。
3 电阻抗成像中的关键问题及应对方法
成像过程中的病态性是EIT遇到的主要问题。
其实不论是电阻抗成像的原理模型
（1）式,还是由多
·γ（x,ω）
u=0
（1）
个式子构成的完整模型,它们都是典型的数学物理反问题
式中,u是体积Ω内的电势分布;x是Ω内的一点。
电导纳γ可表示为:
γ（x,ω）=
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