電阻抗斷層成像應用基礎與臨床應用的一些研究進展

任超世 李章勇 王 妍 沙 洪 趙 舒

1(重慶郵電大學生物信息學院，重慶 400065)

2(中國醫(yī)學科學院 北京協(xié)和醫(yī)學院 生物醫(yī)學工程研究所，天津 300192)

引言

電阻抗斷層成像(EIT)通過配置于人體體表的電極系統(tǒng)，提取與人體生理、病理狀態(tài)相關的組織或器官的電特性信息，給出反映組織、器官功能狀態(tài)及其變化規(guī)律的圖像結果。它是當今生物醫(yī)學工程學的重大研究課題之一，是繼形態(tài)、結構成像之后，于近30余年出現(xiàn)、發(fā)展起來的新一代醫(yī)學成像技術，具有功能成像、無損傷和醫(yī)學圖像監(jiān)護三大突出優(yōu)勢［1］。

人體的基本構造單位是細胞，人體的生理功能和生化反應是在細胞及其產(chǎn)物的物質(zhì)基礎上進行的，由細胞構成的人體器官與組織具有獨特的電特性。人體的生理和病理狀況，通過組織電特性或阻抗特性的表達，與發(fā)生在分子與細胞層次的生物學變化相對應。在疾病的潛伏期或早期，在結構性或器質(zhì)性病變尚未出現(xiàn)之前，伴隨疾病在分子與細胞層次的生物學變化，相應的電特性改變已經(jīng)發(fā)生，甚至十分明顯。依據(jù)電特性及其變化，檢測組織與器官在尚未出現(xiàn)結構性改變之前，開始于細胞水平發(fā)生的生理與病理事件，給出對應于疾病早期的預報性或前瞻性信息，是EIT技術的特點，也是區(qū)別于其他成像技術的誘人之處。

1 應用基礎和臨床應用研究

EIT的發(fā)展雖然只有約30年的歷史，卻以其無損傷、低成本和功能性圖像的獨特優(yōu)勢吸引了全世界越來越多的研究者。國外的EIT研究一直很活躍，每年都有國際學術會議，分布在世界各國的EIT研究小組已超過20個。

國內(nèi)從20世紀80年代末由圖像重建算法開始，進入EIT研究，至90年代末陸續(xù)進入 EIT系統(tǒng)研究。在國家自然科學基金以及相關部委、省市等的支持下，EIT方法學研究已基本完成，建立了多個EIT實驗裝置或研究平臺，形成了一支水平較高、相對穩(wěn)定的研究隊伍。在2008年11月于西安舉行的“生物電阻抗成像研究現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略研討會”上，有約15個研究小組報告了其與EIT相關的研究工作。其中的一些小組已經(jīng)在腦、腹部滲血監(jiān)護［2］、肺通氣測量［3］、胃動力功能［4］和乳腺腫瘤檢測等方面進入了臨床應用技術研究，顯示了我國EIT研究工作的特色。我國的EIT研究已經(jīng)具備較好的基礎，一些關鍵技術和針對某些應用目標的研究已達到國際先進水平，為從EIT方法學研究向應用基礎和臨床應用研究過渡奠定了很好的基礎［5－7］。

EIT的真正優(yōu)勢在于利用生物阻抗所攜帶的豐富生理和病理信息，實現(xiàn)無損傷功能性成像和醫(yī)學圖像監(jiān)護?，F(xiàn)有EIT系統(tǒng)的分辨力雖然還需要繼續(xù)提高，但是片面地追求EIT結構圖像的高分辨力而忽視其功能成像和圖像監(jiān)護的優(yōu)勢卻是不可取的。雖然EIT方法學研究還需要不斷深入和發(fā)展，但重點是進行有確定目標的應用基礎研究和臨床應用研究，例如:深入研究生物組織的阻抗特性，充分利用人體組織的容抗信息，注意提取在細胞層次上發(fā)生的與人體生理、病理狀態(tài)相聯(lián)系的功能性或前瞻性信息;依據(jù)現(xiàn)有的EIT技術和檢測方法，發(fā)展用于人體某些器官功能檢測與監(jiān)護，如腦、腹部滲血檢測與監(jiān)護，肺通氣功能成像，胃動力評價和乳腺腫瘤檢測等EIT應用基礎研究，建立實用化測量系統(tǒng)。

2 腦部和腹部滲血檢測與監(jiān)護

迄今為止，包括CT、MRI、超聲等現(xiàn)有的一些醫(yī)學成像技術，由于使用射線、核素，對人體有害，且價格昂貴或操作困難等，還不能實現(xiàn)長時間的連續(xù)檢測。臨床醫(yī)學圖像監(jiān)護還是一個難題，特別是在災難、事故急救與創(chuàng)傷外科中，醫(yī)學圖像監(jiān)護尚屬空白，往往由于缺乏方便、有效的連續(xù)監(jiān)護手段，以至錯過搶救時機，導致患者死亡的事例時有發(fā)生。

EIT依據(jù)人體組織和器官的電特性，提取對應的生理、病理信息，對血液、氣體、體液和不同組織成份及其變化等具有獨特的鑒別力［8］。EIT作為一種廉價的無損傷檢測技術，無毒無害，可以多次測量、重復使用，可以對病人進行長時間、連續(xù)監(jiān)護而不會造成損傷或帶來不適，實現(xiàn)臨床醫(yī)學圖像監(jiān)護。

在災難、事故發(fā)生時，傷者的腦、胸、腹部滲血，積液、積氣等大量發(fā)生。其中，很多傷者并不表現(xiàn)出急性癥狀，當時的CT、MRI等檢查也可能顯示為正常，不為人們注意。過了一段時間后，這些慢性傷者的傷勢發(fā)展，出現(xiàn)某些臨床癥狀，經(jīng)CT、MRI等檢查發(fā)現(xiàn)滲血、積液，這對再實施急救，往往可能錯過了最佳的搶救時機，導致不可挽回的惡性后果。血液、氣體、體液和人體不同組織成份具有不同的電特性，體內(nèi)滲血、積液、積氣的發(fā)生與發(fā)展過程與明顯的阻抗特性變化相對應。采用EIT方法，以腦、胸、腹部的阻抗特性及其變化為依據(jù)，實現(xiàn)滲血、積液、積氣的檢測與監(jiān)護［9－10］;在災難、事故急救與創(chuàng)傷外科中，用于跟蹤顱腦、胸、腹部等體內(nèi)組織和器官滲血或血、水、氣腫的發(fā)生與發(fā)展過程，及時報警，爭取寶貴的搶救與治療時間，是體現(xiàn)EIT醫(yī)學圖像監(jiān)護優(yōu)勢的重要應用目標，應該成為EIT應用基礎和臨床應用研究的重要發(fā)展方向。

3 區(qū)域性肺功能成像

肺功能測定是呼吸、循環(huán)系統(tǒng)疾病診斷的主要檢查手段之一。目前，以肺量計測定呼吸氣體為主的各種肺功能儀雖應用廣泛，但已難以滿足肺功能研究與臨床應用發(fā)展的要求。肺臟作為人體血-氣交換的主要器官，其內(nèi)部的血氣分布狀態(tài)及血液動力學和流變學變化，直接地反映肺功能和肺內(nèi)血液氣體交換的情況。目前，臨床上除了肺血管造影、靜脈注射同位素或其標記物后做肺掃描的方法(有創(chuàng)、使用射線或同位素、昂貴、患者難以接受，也不能作為監(jiān)護方法使用)可以較好地反映血管與血流狀況外，其他方法均通過測定呼吸氣體，間接推斷全肺功能狀況。這類方法難以區(qū)分肺臟不同部位的區(qū)域性肺功能狀態(tài)，更不能提取直接反映肺內(nèi)血液氣體交換情況的信息，因而很難有效地評價肺臟的功能狀態(tài)，更無法探查呼吸、循環(huán)系統(tǒng)疾病的區(qū)域性早期功能變化。呼吸研究與臨床肺功能檢查的發(fā)展需要簡便、無創(chuàng)、無害，可連續(xù)監(jiān)測肺區(qū)域性血流分布，有效地反映肺內(nèi)血氣交換情況的檢測方法。

肺臟組織以及肺內(nèi)血液和氣體的電特性有明顯的差異。肺內(nèi)的血氣分布、血氣交換及血液動力學、流變學變化，與呼吸過程中肺臟組織的電特性變化規(guī)律相對應［11］。采用 EIT方法，提取對血液、氣體和肺臟組織成份及其變化等具有獨特鑒別力的電特性信息［12］，以圖像形式實現(xiàn)肺臟區(qū)域性肺功能狀態(tài)檢測與連續(xù)監(jiān)護［13-14］，將為呼吸、循環(huán)系統(tǒng)的疾病診斷提供一種全新的無創(chuàng)檢測方法，是值得重點研究和傾力發(fā)展的EIT應用基礎和臨床應用研究目標。

4 胃動力功能檢測與評價

胃腸疾病常見多發(fā)，發(fā)生率超過總人口的1%，嚴重影響人們的工作、學習和生活質(zhì)量。胃腸疾病患者中的50%與胃動力異常相關，已受到國內(nèi)外消化科醫(yī)生的特別關注和重視。

胃腸動力學是一門多學科交叉、正迅速發(fā)展的新興學科，也是還十分年輕的醫(yī)學前沿課題。長期以來，人們對胃動力功能的研究落后于對胃的內(nèi)、外分泌功能及胃的形態(tài)學的研究。其中，一個很重要的原因就是缺乏方便、有效的胃動力學的檢查手段。雖然近20年來，人們對胃腸動力生理及胃腸功能紊亂所引起的胃腸動力障礙性疾病的認識也有了顯著的進步，但是胃動力學檢查目前仍缺乏可完整了解胃運動和排空情況的方法以作為診斷常規(guī)。胃動力學研究的深入和發(fā)展，需要提供全面、準確地了解胃動力狀態(tài)的檢測技術和評價方法。

胃動力包含復雜的電-機耦合機制?？崭範顟B(tài)下(消化間期)的胃內(nèi)壓也呈現(xiàn)周期性變化，表現(xiàn)為消化間期移行性復合運動(migrating motor complex，MMC)。進餐后，MMC消失，胃的運動進入了一個相對規(guī)則的運動期(消化期)。胃的收縮是發(fā)生在平滑肌細胞膜表面肌電活動的機械性表現(xiàn)，由胃平滑肌的電活動開始，引發(fā)胃體、胃竇收縮并向遠端的幽門傳播，是一個從電活動開始，到機械收縮、胃體蠕動、傳導的復雜過程。它遵從電活動的節(jié)律，也取決于傳導性收縮的幅度、收縮時限、方向以及傳導距離等因素的影響。必須從電-機復合系統(tǒng)的高度，認識和研究胃動力［4，15］。

EIT通過置于人體體表的電極系統(tǒng)，提取與生理、病理狀態(tài)相關的組織或器官的電特性信息，給出反映組織、器官功能狀態(tài)及其變化規(guī)律的圖像結果。在食物消化期間，由于胃的收縮和運動，其形態(tài)、體積及胃內(nèi)食物狀況改變較大，相應的電特性變化明顯，信號強，檢測靈敏度高，功能信息豐富。對于采用代表生物阻抗技術發(fā)展方向的EIT技術，以圖像形式進行胃動力檢測與評價將是十分有利的［16］。

胃的收縮和蠕動頻率約為每3次/min，對 EIT系統(tǒng)的實時性要求不高，是阻抗信息易于提取、能發(fā)揮EIT技術特點的應用目標之一。采用EIT技術，以圖像方式顯示胃動力電-機復合過程，獲取相應的胃運動節(jié)律、傳導和排空特性，將為胃動力學基礎研究和臨床檢查提供一種方便、有效，能完整、準確了解胃動力狀態(tài)的檢測與評價方法［15，17］。

5 乳腺腫瘤早期檢測

乳腺癌已成為女性健康的“第一殺手”，歐美等地區(qū)的發(fā)病率已超過100/10萬，乳腺癌是西方婦女的第一死因，已成為嚴重危害婦女健康和生命的主要疾病之一。我國雖屬乳腺癌較低發(fā)國家，但近年來發(fā)病率成快速增加趨勢，已居女性惡性腫瘤的首位，且發(fā)病年齡明顯年輕化，防控形勢不容樂觀。

腫瘤的本質(zhì)是細胞的間變(anaplasia)，又稱退行發(fā)育，指的是幼稚細胞在成長、發(fā)育、分化途中“誤入歧途”，發(fā)生質(zhì)變，導致形態(tài)、功能、代謝、免疫、行為的分化不良，成為有特殊表現(xiàn)的腫瘤細胞。腫瘤性增生表現(xiàn)為分化異常(abnoma1ityof differentiation)，包括細胞形態(tài)、功能、代謝、免疫行為等多個方面，如腫瘤細胞大小、形狀、排列上的多形性，核質(zhì)比例增大、染色質(zhì)濃集、核分裂象質(zhì)與量的異常，原有功能的缺失、異常功能(運動、失接觸抑制、異位激素分泌)的顯現(xiàn)，特殊代謝表現(xiàn)(細胞膜離子變化、合成代謝亢進、有氧糖酵解導致大量乳酸形成、酶系變化等)，免疫變化(胚胎性抗原AFP、CEA的產(chǎn)生，某些相對特異抗原的形成)，以及行為的改變(侵襲、浸潤、轉移)等［18］。

上述腫瘤細胞異形性變化和腫瘤組織結構的異形性變化，是發(fā)生在乳腺腫瘤早期和潛伏期的分子與細胞生物學變化。此時，由于腫瘤實體尚未形成，現(xiàn)有的一些臨床檢查方法(包括乳房X射線攝影等)難以探知。相比之下，在腫瘤的潛伏期和早期，伴隨這些分子與細胞生物學變化，乳腺組織的電特性變化已經(jīng)發(fā)生，甚至十分明顯［19］。采用 EIT方法，檢測腫瘤在分子水平和細胞層次變化引發(fā)的組織電特性改變，實現(xiàn)乳腺腫瘤的無損傷、早期發(fā)現(xiàn)和前瞻性預報將是十分有效、完全可能的［20-21］。

乳腺癌的早期發(fā)現(xiàn)是提高乳腺癌生存率和降低死亡率的關鍵所在。乳房為人體淺表組織，突出于胸部，形狀規(guī)則，左右對稱，是EIT技術較為容易實現(xiàn)、較好實際應用的領域之—［22］。EIT具有無創(chuàng)、方便和廉價的優(yōu)勢，發(fā)展EIT乳腺檢測將為乳腺癌的大面積普查、早期發(fā)現(xiàn)和及時治療提供全新的手段，是EIT技術向應用基礎研究與臨床應用發(fā)展的重要方向。

6 結論

EIT方法學研究在于探索EIT成像原理，通常希望成像裝置簡單，影響因素最少。實用化EIT系統(tǒng)則要針對確定的應用目標，希望獲得與一定臨床價值相對應的檢測靈敏度和圖像質(zhì)量，任務艱巨。要深入研究器官與組織阻抗特性，要根據(jù)人體生理、病理狀況及其變化規(guī)律，研究與臨床應用目標相聯(lián)系的特征信息識別與提取方法，建立臨床判據(jù)。

EIT是一種全新的醫(yī)學成像技術，和其他成熟技術一樣，需要一個從方法學研究到應用基礎研究、再到臨床應用的發(fā)展過程。臨床醫(yī)生要根據(jù)EIT圖像報告和一定的判據(jù)才能給出正確的診斷結果，所以EIT進入臨床應用還要包括一個臨床EIT數(shù)據(jù)收集和建立診斷判據(jù)這樣一個要求工程技術與臨床應用緊密結合、相互促進的過程。這個過程可能會很長、很艱苦，但卻是EIT走向臨床應用所必須的。它需要多方面的合作，特別需要臨床醫(yī)生和工程研究人員的默契、相互支持和通力合作。

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