胸部真實(shí)邊界的肺通氣電阻抗變化動態(tài)仿真研究

吳佳銘，尤富生

·研究與設(shè)計(jì)·

胸部真實(shí)邊界的肺通氣電阻抗變化動態(tài)仿真研究

吳佳銘，尤富生

目的：利用計(jì)算機(jī)仿真得到肺部在生理、病理狀態(tài)下，肺通氣、肺氣腫和肺部腫瘤發(fā)展過程引起的體表電阻抗改變，為胸部的阻抗成像技術(shù)提供理論指導(dǎo)。方法：利用COMSOL Multi-physics多物理場計(jì)算平臺，以胸部CT圖像為依據(jù)，建立二維真實(shí)邊界的胸部電阻抗動態(tài)變化模型，體表電極16個(gè)、激勵(lì)電流0.5 mA，對向驅(qū)動臨近測量模式，通過參數(shù)動態(tài)掃描，仿真獲得肺通氣、不同面積的單側(cè)肺氣腫及不同程度的肺腫瘤發(fā)生時(shí)，阻抗測量中胸部體表電極上的電位變化情況。結(jié)果：肺通氣量和肺氣腫面積增大時(shí)，引起肺整體或局部電導(dǎo)率降低，從而導(dǎo)致體表相鄰電極的電勢差絕對值增大；肺腫瘤引起局部電導(dǎo)率增大，導(dǎo)致相鄰電極的電勢差絕對值減小。結(jié)論：利用現(xiàn)有的軟件平臺，基于參數(shù)掃描方法，可直觀地對胸部及組織生理、病理的參數(shù)變化引起的阻抗改變進(jìn)行動態(tài)仿真，為胸部阻抗成像的定性和定量分析打下了基礎(chǔ)，也為腦部、腹部阻抗成像的動態(tài)仿真研究提供了有效的方法。

動態(tài)仿真；肺通氣；生物電阻抗；COMSOL Multi-physics

0 引言

生物電阻抗成像（electrical impedance tomography，EIT）技術(shù)是根據(jù)人體內(nèi)的不同組織在不同的生理、病理狀態(tài)下具有不同的電阻（導(dǎo)）率，通過各種方法給人體施加小的安全驅(qū)動電流（電壓），在體外測量響應(yīng)電壓（電流）信號以重建人體內(nèi)部的電阻率分布或其變化的圖像[1]。EIT技術(shù)是當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，具有無創(chuàng)、無輻射、操作簡便等優(yōu)勢特點(diǎn)，是繼形態(tài)、結(jié)構(gòu)成像之后的新型無創(chuàng)功能成像技術(shù)[2]。EIT所采用的生物阻抗技術(shù)提取的是與組織和器官的功能變化相聯(lián)系的電特性信息，對血液、氣體、體液和不同組織成分具有獨(dú)特的鑒別力，對血液的流動與分布、肺內(nèi)的血?dú)饨粨Q等非常敏感。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行心、腦、肺及相關(guān)循環(huán)系統(tǒng)的功能評價(jià)是EIT技術(shù)最顯著的優(yōu)勢[3]。

目前，EIT大部分仍處于應(yīng)用基礎(chǔ)研究階段，也有部分進(jìn)入了臨床應(yīng)用[4]。在研究中建立一個(gè)真實(shí)有效的生物組織阻抗分布模型尤為重要[5-6]。國內(nèi)外研究組針對腰椎[7]、腹部[8]、顱腦[9-10]等模型的建立方法有一些報(bào)道，但由于仿真軟件的功能限制、模型采用的規(guī)則形狀、阻抗的實(shí)際分布不易獲取等因素，仿真結(jié)果的一致性和實(shí)用性受到制約。

肺部的通氣及血?dú)饨粨Q能引起較大的阻抗變化。當(dāng)發(fā)生肺氣腫、肺腫瘤等常見疾病時(shí)，有望通過EIT技術(shù)對其進(jìn)行檢測或動態(tài)監(jiān)測，多個(gè)小組曾報(bào)道EIT在肺部監(jiān)測中的應(yīng)用價(jià)值[11-12]。進(jìn)一步研究表明[13-14]，采用胸部真實(shí)邊界的建?？梢愿玫乇碚鞣尾拷M織器官的真實(shí)構(gòu)造，提高胸部EIT的圖像質(zhì)量。

目前，臨床上還很難對肺疾病不同階段的肺部整體或肺部局部區(qū)域的電學(xué)參數(shù)變化進(jìn)行動態(tài)連續(xù)監(jiān)測。為此，為了模擬肺通氣狀態(tài)、肺氣腫和肺部腫瘤的生理病理過程，本研究采用有限元法，在建立胸部二維真實(shí)邊界的基礎(chǔ)上，使用不同判據(jù)區(qū)分求解域，基于動態(tài)參數(shù)掃描仿真方法，分別對肺部通氣狀態(tài)、肺氣腫和肺部腫瘤的發(fā)生過程等首次進(jìn)行了動態(tài)仿真，直觀有效地獲得了各參數(shù)變化的仿真結(jié)果，為胸部EIT的深入研究和應(yīng)用打下了很好的基礎(chǔ)。

1 方法

1.1 胸部組織及臟器真實(shí)邊界輪廓的提取

圖1（a）為健康人的肺部CT圖，經(jīng)Matlab邊緣檢測可得圖1（b），導(dǎo)入Auto CAD中根據(jù)真實(shí)比例建立由皮膚、肺、心臟、骨骼肌和骨組成的真實(shí)邊界（如圖1（c）所示），在COMSOL中添加16個(gè)胸腔邊界電極（如圖1（d）所示）。

圖1 提取胸腔仿真的模型

1.2 胸部真實(shí)邊界模型的求解方程

本研究使用COMSOL二維AC/DC模塊下的電流物理場，求解域描述方程為

相應(yīng)的邊界條件為

電絕緣部分：-n·J=0

接地部分：φ=0

式中，J為電流密度，σ為目標(biāo)區(qū)域的電導(dǎo)率分布；φ為電位。取胸腔左前方的電極作為恒流輸入端，激勵(lì)電流I0=0.5 mA，該電極的對向電極接地，其他電極及皮膚表面邊界為電絕緣。

1.3 模型電學(xué)參量設(shè)置及剖分

在上述模型中，根據(jù)仿真研究的需要，設(shè)置計(jì)算變量見表1。

表1 添加計(jì)算變量

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，相關(guān)求解域的電學(xué)參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 各求解域電學(xué)參數(shù)

注：電極材料為銅，其材料屬性由COMSOL材料屬性庫中選取

綜合考慮計(jì)算精度和時(shí)間，有限元剖分網(wǎng)格尺寸選擇“粗略”，共得到68 084個(gè)單元。

1.4 動態(tài)仿真方法建立

為了模擬肺部的生理病理變化過程，基于參數(shù)動態(tài)掃描的思想，用一定區(qū)域的電導(dǎo)率動態(tài)變化或特定區(qū)域的面積變化，模擬肺通氣狀態(tài)、肺氣腫和肺部腫瘤引起的肺部阻抗改變，動態(tài)仿真流程如圖2所示。動態(tài)參數(shù)掃描設(shè)置分為以下3種情況。

圖2 動態(tài)仿真流程圖

1.4.1 肺通氣狀態(tài)的動態(tài)仿真

在正常呼吸狀態(tài)下，隨吸入氣量的逐漸增加，肺部的電導(dǎo)率將隨之減小，從而引起胸部體表阻抗測量信號及相應(yīng)EIT的變化。為了在COMSOL的仿真模型中模擬呼吸引起的體表阻抗測量信號的變化過程和趨勢，將整個(gè)吸氣過程雙肺的電導(dǎo)率變化作為動態(tài)掃描參數(shù)，在求解器下添加掃描參數(shù)sig1。

在50 kHz下，肺組織的電導(dǎo)率為0．26 S/m，以此為基準(zhǔn)，以2種極端情況為限，即在肺被氣體充滿的情況下，取肺電導(dǎo)率0．01 S/m為下限；在肺中幾乎無氣體的情況下，電導(dǎo)率取其基準(zhǔn)值的2倍，即0．52 S/m為上限。每增大0．01 S/m仿真計(jì)算一次，共動態(tài)仿真52次，從而模擬肺部無氣體到最大通氣的極限狀態(tài)和動態(tài)變化過程。雙肺電導(dǎo)率參數(shù)從小到大的動態(tài)掃描仿真的實(shí)現(xiàn)，為獲得胸部體表測量與肺通氣狀態(tài)的理論關(guān)系打下了基礎(chǔ)。

1.4.2肺氣腫仿真

肺部由肺組織和氣體組成，肺氣腫時(shí)，對應(yīng)部位呈低電導(dǎo)率。為了便于動態(tài)掃描仿真，假定肺氣腫區(qū)域在右肺，模擬其為橢圓形，橢圓面積大小代表肺氣腫的范圍大小，肺氣腫的電導(dǎo)率恒定為0．018 S/m，動態(tài)改變橢圓面積的大?。ǜ淖儥E圓短半軸b）來仿真不同程度的肺氣腫。右肺的電學(xué)參數(shù)使用判斷語句表示如下：

右肺電導(dǎo)率：sig2+（sig1-sig2）×

右肺相對介電常數(shù)：eps2+（eps1-eps2）×

右側(cè)肺氣腫動態(tài)仿真在求解器下添加掃描參數(shù)b，模擬橢圓短半軸b從0．002 m增加到0．044 m的動態(tài)過程，每增大0．002 m仿真一次，共掃描仿真22次。

1.4.3肺部腫瘤仿真

為初步模擬肺部腫瘤的生長過程，假定肺部腫瘤為橢圓形，橢圓面積恒定，隨腫瘤的生長變化，其血供將明顯高于肺部正常組織，因此，在仿真中可通過改變橢圓內(nèi)的電導(dǎo)率大小模擬腫瘤區(qū)域的動態(tài)改變過程。右肺的電學(xué)參數(shù)仍然使用上述判斷語句，在求解器下添加參數(shù)sig2（此處代表腫瘤區(qū)域的電導(dǎo)率），模擬肺部腫瘤的電導(dǎo)率從0．01 S/m增加到0．5 S/m的變化過程，每增加0．01 S/m仿真一次，共動態(tài)仿真50次。

2 結(jié)果

2.13種仿真的電流線圖

肺組織的電導(dǎo)率sig1、肺氣腫區(qū)域的橢圓短半軸b、肺部腫瘤區(qū)域的電導(dǎo)率sig2 3個(gè)自變量分別對應(yīng)肺正常通氣狀態(tài)、右側(cè)肺氣腫以及右側(cè)肺腫瘤3次動態(tài)仿真，各取一定數(shù)值后對應(yīng)胸腔內(nèi)的電流線變化，分別如圖3～5所示。

2.23種仿真獲得的相鄰電極電勢差變化

圖3 肺正常通氣狀態(tài)動態(tài)仿真電流線圖

圖4 右側(cè)肺氣腫仿真電流線圖

圖5 右側(cè)肺腫瘤仿真電流線圖

標(biāo)記激勵(lì)電極為1號電極，順時(shí)針方向標(biāo)號，則在一對對向激勵(lì)下，忽略與激勵(lì)電極相關(guān)的4個(gè)臨近測量，可以獲得12個(gè)臨近電極的電勢差變化（即臨近測量）。

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在通氣狀態(tài)動態(tài)仿真中，隨著肺整體電導(dǎo)率的增大（通氣量減?。噜忞姌O的電勢差（絕對值）不斷減?。辉谟覀?cè)肺氣腫仿真中，隨著肺氣腫體積的增大，相鄰電極的電勢差（絕對值）增大；在右側(cè)肺部腫瘤仿真中，隨著腫瘤電導(dǎo)率的增加，相鄰電極的電勢差（絕對值）減小。

3 結(jié)論與討論

從圖3～5中可見，肺部電場仿真中的電流線都主要從導(dǎo)電性能較好的組織流過。通過控制感興趣區(qū)域的電導(dǎo)率或體積變化，流經(jīng)該區(qū)域的電流線疏密也隨之發(fā)生明顯變化。電導(dǎo)率越大，流過此處的電流線越多，符合阻抗成像對組織或器官的電導(dǎo)率變化敏感的預(yù)期。

3次仿真獲得的相鄰電極的電勢差變化情況進(jìn)一步表明，在阻抗成像中，成像區(qū)域內(nèi)整體或局部電導(dǎo)率增大時(shí)，因等效阻抗降低，在恒流激勵(lì)下（本研究中為0．5 mA），體表臨近測量電勢差（絕對值）將隨之降低；反之，電導(dǎo)率減小時(shí)，體表臨近測量電勢差（絕對值）將增大。

本研究初步建立了真實(shí)邊界的胸部模型，采用參數(shù)動態(tài)掃描的方法，對胸腔內(nèi)部的參數(shù)變化引起的內(nèi)部電場變化及體表電極測量變化分別進(jìn)行了定性研究，對胸部生理、病理變化過程的阻抗變化趨勢進(jìn)行了分析，為深入進(jìn)行定量分析提供了方法學(xué)依據(jù)，也為腦部、腹部阻抗成像的動態(tài)仿真研究提供了有效方法。相比于之前的建模仿真方法，本實(shí)驗(yàn)綜合運(yùn)用了多款建模軟件，結(jié)果顯示符合動態(tài)監(jiān)護(hù)的需求，更加直觀有效。

下一步將在3D胸部模型建模、激勵(lì)電極的自動掃描以及體表測量電極的數(shù)據(jù)分析方法上進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)2D到3D、定性到定量的系統(tǒng)研究。

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（收稿：2014-03-07 修回：2014-06-04）

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Dynamic simulating on impedance changes of lung ventilation in chest model with real shape

WU Jia-ming1,2,YOU Fu-sheng1
（1.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China; 2.Shijiazhuang Bethune Military Medical College,Shijiazhuang 050000,China）

ObjectiveThrough computer simulation to obtain surface electrical impedance changes in lung under physiological and pathological conditions,such as lung ventilation,pulmonary emphysema and lung tumor development processes,etc.,so as to provide theoretical guidance for chest electrical impedance tomography(EIT).MethodsWith COMSOL Multi-physics computing platform and chest CT images,the two-dimensional chest electrical impedance dynamic change model was built up with real boundary,with 16 surface electrodes,0.5 mA driving current and polardriving adjacent-measuring mode.Through dynamic parameter scanning(DPS)method,the potential changes of surface electrodes during chest impedance measurement were obtained by dynamically simulating the lung ventilation,unilateral pulmonary emphysema with different sizes and lung tumor with different stages.ResultsThe volume increasing of lung ventilation and pulmonary emphysema led the total or local lung conductivity decreasing,thus caused the abstract value of the potential differences between adjacent electrodes increased,while lung tumor led local lung conductivity increasing,and that of the potential differences between adjacent electrodes decreased.ConclusionsBased on the software platform and the DPS method,the impedance changes caused by chest and tissue's physiological or pathological parameters can be simulated directly,which not only lays a foundation of qualitative and quantitative analysis of the chest EIT,but also provides an effective method for dynamic simulation of brain and abdominal EIT.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（9）：1-4]

dynamic simulation;lung ventilation;electrical impedance;COMSOL Multi-physics

2014年《醫(yī)療衛(wèi)生裝備》雜志訂閱回執(zhí)單

R318；Q-334

A

1003-8868（2014）09-0001-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.09.001

國家自然科學(xué)基金（51177166）；軍隊(duì)“十二五”面上項(xiàng)目（CWS11C147）

吳佳銘（1992—），男，助教，主要從事衛(wèi)生裝備技術(shù)保障方面的研究工作，E-mail：wujiamingbme@163.com。

710032西安，第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（吳佳銘，尤富生）；050000石家莊，白求恩醫(yī)務(wù)士官學(xué)校裝備維修教研室（吳佳銘）

尤富生，E-mail：fushengyou@fmmu.edu.cn