適用于腦卒中篩查的電阻抗成像電極的比較研究

郭大龍，尤富生，代 萌，史學(xué)濤，付 峰，楊 濱，徐燦華，董秀珍

適用于腦卒中篩查的電阻抗成像電極的比較研究

郭大龍，尤富生，代 萌，史學(xué)濤，付 峰，楊 濱，徐燦華，董秀珍

目的：針對(duì)新型的電阻抗斷層成像技術(shù)（electrical impedance tomography，EIT）應(yīng)用于腦卒中篩查時(shí)沒(méi)有合適的腦部阻抗檢測(cè)電極的難題，比較當(dāng)前常用的3種腦電電極——杯狀電極、管式電極和橋式電極，研究它們?cè)贓IT篩查腦卒中的可用性。方法：分別使用2電極法和16電極法對(duì)6名不同被試者的前臂和頭部進(jìn)行阻抗測(cè)量，從接觸阻抗、一致性、信噪比、配置時(shí)間4個(gè)方面對(duì)電極性能進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果：橋式電極的綜合性能較好，它具有最低的接觸阻抗（（330±6）Ω）、最好的一致性（0.97±0.02）、最高的信噪比（（63±1）dB）和最短的配置時(shí)間（（411±37）s）。結(jié)論：進(jìn)一步優(yōu)化電極并建立電極外圍支撐系統(tǒng)后，橋式電極有望被廣泛用于腦卒中的EIT篩查技術(shù)中。

電阻抗斷層成像；電極；腦卒中；篩查

0 引言

腦卒中是一種腦血液循環(huán)障礙性疾病，是近年國(guó)內(nèi)發(fā)病率和死亡率均進(jìn)入前三位[1]的一種嚴(yán)重疾病，早篩查、早發(fā)現(xiàn)是減少發(fā)病率、降低死亡率的關(guān)鍵[2]。

在腦卒中的檢測(cè)方面，以CT、MRI為代表的成像技術(shù)起到了積極而關(guān)鍵的作用。但由于這些設(shè)備體積龐大、造價(jià)高昂、操作復(fù)雜，大多只能在患者體檢或住院時(shí)才能檢查，難以及早發(fā)現(xiàn)病情，更難以實(shí)現(xiàn)大范圍的快速篩查。

電阻抗斷層成像技術(shù)（electrical impedance tomography，EIT）是一種通過(guò)體表激勵(lì)、體表無(wú)創(chuàng)測(cè)量的方式來(lái)估算體內(nèi)電阻抗分布或變化特性的成像技術(shù)。相對(duì)現(xiàn)有的成像技術(shù)而言，EIT具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、設(shè)備便攜、成像速度快、系統(tǒng)造價(jià)低和無(wú)創(chuàng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。最新研究證明，多頻EIT（multi-frequency EIT，MFEIT）的成像精度能夠滿(mǎn)足腦卒中檢測(cè)的需求，并能區(qū)分出血型和缺血型腦卒中，從而為醫(yī)生的診治提供有價(jià)值的參考[3]。

盡管EIT技術(shù)在腦卒中的快速篩查領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景，但還存在一些問(wèn)題尚待研究解決，較為突出的一點(diǎn)就是阻抗測(cè)量電極的問(wèn)題。電極系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其性能對(duì)EIT前端信息的有效提取和圖像分辨率都有較大的影響。因此，電極是整個(gè)EIT系統(tǒng)非常敏感和關(guān)鍵的部分之一，也是使用EIT技術(shù)進(jìn)行腦卒中篩查必須解決的問(wèn)題[4]。在使用EIT進(jìn)行腦部監(jiān)護(hù)時(shí)要先將被試者的頭發(fā)去除，再對(duì)電極下的皮膚進(jìn)行一定的摩擦處理。但在篩查腦卒中時(shí)不便于將被試者的頭發(fā)剃除，且要在較短時(shí)間內(nèi)得到穩(wěn)定的信號(hào)，這就需要一種能深入頭發(fā)內(nèi)部且放置速度快的電極?？紤]到腦電檢測(cè)與腦部EIT檢測(cè)均是從頭皮經(jīng)電極提取信號(hào)，本文擬根據(jù)腦EIT電極的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比研究現(xiàn)有成熟的腦電電極的綜合性能，為腦EIT電極系統(tǒng)的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

目前，臨床上的腦電電極根據(jù)是否使用導(dǎo)電介質(zhì)可分為濕電極和干電極。

干電極不使用導(dǎo)電膏，可直接進(jìn)行生物電勢(shì)的

測(cè)量，以微針電極[5]和碳納米管電極[6]最具代表性。但本小組對(duì)目前的微針電極進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，其阻抗信號(hào)會(huì)隨著時(shí)間大幅下降，并且皮膚因微針刺激會(huì)出現(xiàn)紅腫，而碳納米管電極較高的價(jià)格也限制了它的應(yīng)用。而且目前的干電極都普遍存在一定的缺陷，即信號(hào)精度低、生物相容性和穩(wěn)定性較差、受毛發(fā)和體動(dòng)的干擾大[7]、與皮膚的接觸阻抗高[6]等問(wèn)題。因此，對(duì)于腦EIT，應(yīng)用干電極目前難度較大。

從腦EIT的技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)來(lái)看，傳統(tǒng)的腦電濕電極技術(shù)較為成熟。濕電極使用導(dǎo)電膏等導(dǎo)電介質(zhì)用以降低電極和皮膚的接觸阻抗，在腦電測(cè)量中已廣泛應(yīng)用，具有信號(hào)質(zhì)量較好、可重復(fù)使用、價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)。雖然有報(bào)道稱(chēng)，使用濕電極長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)以后，信號(hào)質(zhì)量會(huì)有所降低，而且導(dǎo)電膏的使用妨礙了大密度的電極陣列的應(yīng)用[8]。但腦EIT篩查病情時(shí)，所用電極無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)，也不用大密度的電極陣列，更為重要的是，隨著導(dǎo)電膏技術(shù)的發(fā)展，濕電極更加易用和安全[9]。

因此，本文采用在臨床上常用的杯狀、管式和橋式3種濕電極進(jìn)行比較研究。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)電極

選取臨床上常用的3種濕電極，它們均能在不剃發(fā)的前提下深入到頭發(fā)內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量，且在測(cè)量中都能得到穩(wěn)定的腦電信號(hào)，電極外形如圖1所示。其中，從左到右依次為杯狀電極（A）、管式電極（B）、橋式電極（C）。

圖1 被測(cè)電極

杯狀電極（西安宏星公司）是目前在臨床腦電檢測(cè)中最常使用的一種電極，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定，不足是需要對(duì)每個(gè)電極分別進(jìn)行粘貼、不易固定。

管式電極（格林泰克公司）為Ag/AgCl粉末固體電極，適合弱信號(hào)、低頻范圍的精密測(cè)量，用于誘發(fā)電位和事件相關(guān)電位的腦電測(cè)量，使用時(shí)只需佩戴合適的電極帽，并為每個(gè)電極注入導(dǎo)電膏即可。

橋式電極（康泰醫(yī)學(xué)公司）廣泛用于腦電檢測(cè)，它的前端附有吸水層，可以吸收導(dǎo)電膏和鹽溶液，進(jìn)而起到降低接觸阻抗的作用。其獨(dú)特的橋式構(gòu)造能夠使其伸入到濃密的頭發(fā)中，使其電極前端緊密地與頭皮長(zhǎng)期良好的接觸。

1.2 導(dǎo)電膏的選擇

在使用濕電極時(shí)，導(dǎo)電膏和皮膚形成了導(dǎo)電膏-皮膚層，用以降低接觸阻抗和提高信噪比[10]。適宜的導(dǎo)電膏能大幅降低接觸阻抗，并能使?jié)耠姌O的性能更加穩(wěn)定。若導(dǎo)電膏選擇不當(dāng)，不僅會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量降低，還可能引起皮膚的過(guò)敏反應(yīng)。同時(shí)，頭發(fā)的存在阻礙了導(dǎo)電膏與頭皮的充分接觸，且使導(dǎo)電膏中的水分更快地蒸發(fā)[11]，這就要求導(dǎo)電膏既流動(dòng)性好，又不易揮發(fā)。在前期的試用中發(fā)現(xiàn)，格林泰克GT 10導(dǎo)電膏能滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求，因此，使用該導(dǎo)電膏。

1.3 性能指標(biāo)

對(duì)于電阻抗斷層成像用電極，目前為止國(guó)際上還沒(méi)有一套公認(rèn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。為全面準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)電極性能，依據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道并結(jié)合腦卒中篩查的實(shí)際應(yīng)用，采用接觸阻抗、一致性、信噪比、易用性4個(gè)指標(biāo)對(duì)每種電極的性能進(jìn)行評(píng)估。

（1）接觸阻抗。過(guò)大的接觸阻抗會(huì)引起系統(tǒng)誤差。在EIT成像系統(tǒng)中，接觸阻抗每改變100 Ω便會(huì)產(chǎn)生3%的系統(tǒng)誤差[12]，這就要求接觸阻抗要足夠小，并且在測(cè)量期間要足夠穩(wěn)定。然而，接觸阻抗的信息通常難以直接測(cè)量到，本實(shí)驗(yàn)采用2電極法測(cè)量前臂阻抗信息從而間接反映接觸阻抗的大小[5]。如圖2所示，2個(gè)電極的中心間距固定為5 cm。

圖2 左前臂的2電極法測(cè)量

（2）一致性。目前，利用EIT技術(shù)對(duì)腦部阻抗進(jìn)行成像需要16個(gè)電極均勻地環(huán)繞頭部一圈，16個(gè)電極性能之間的差異將直接影響到阻抗測(cè)量的準(zhǔn)確性及圖像的質(zhì)量[13]。所以，本研究使用相關(guān)文獻(xiàn)的方法[9]，利用計(jì)算得出的相關(guān)系數(shù)的大小，對(duì)每套電極系統(tǒng)的一致性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（3）信噪比。信噪比是指信號(hào)與噪聲的比例，它對(duì)成像質(zhì)量有著直接的影響，過(guò)大的信噪比會(huì)使圖像出現(xiàn)偽影，降低成像精度[13]。本研究計(jì)算每一種電極的12種激勵(lì)角度下的平均信噪比，然后進(jìn)行平均處理得到電極系統(tǒng)的總體信噪比[9]，再進(jìn)行對(duì)比研究。

（4）配置時(shí)間。腦卒中篩查需要檢測(cè)設(shè)備方便快捷，能在較短時(shí)間內(nèi)完成電極的準(zhǔn)備及頭部電極的放置。因此，本實(shí)驗(yàn)記錄從開(kāi)始準(zhǔn)備電極到采集到穩(wěn)

定信號(hào)的時(shí)間為電極配置時(shí)間。

1.4 被試對(duì)象

實(shí)驗(yàn)選擇了6名成年人，其中3名男性，3名女性（年齡為（24.5±4.6）歲，體質(zhì)量為（62.1±8.7）kg）。長(zhǎng)發(fā)受試者因?yàn)閷?dǎo)電膏中的水分蒸發(fā)較快導(dǎo)致接觸阻抗上升較快，短發(fā)受試者則相反[11]。因此，選擇的3名男性頭發(fā)長(zhǎng)度均不同，分為短發(fā)（1 cm）、較長(zhǎng)發(fā)（5 cm）和長(zhǎng)發(fā)（10 cm），女性志愿者也分為短發(fā)（15 cm）、較長(zhǎng)發(fā)（20 cm）和長(zhǎng)發(fā)（30 cm）。另外，頭發(fā)中的水分和污物也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響，因此，實(shí)驗(yàn)前對(duì)每名受試者洗發(fā)并吹干，休息3 h后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度控制在（25±1）℃，濕度（55±5）%。受試者保持坐立姿勢(shì)并盡可能進(jìn)入平靜休養(yǎng)狀態(tài)以保持大腦功能處在平穩(wěn)狀態(tài)，如果被試者違反了上述規(guī)定則中止實(shí)驗(yàn)重新開(kāi)始。上述實(shí)驗(yàn)經(jīng)第四軍醫(yī)大學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，并且所有的受試者簽署了知情同意書(shū)。

1.5 測(cè)量設(shè)備

選用精密阻抗分析儀（Agilent 4294，Palo Alto，USA）進(jìn)行2電極法的阻抗測(cè)量，其工作頻率為40 Hz～110 MHz，阻抗測(cè)量范圍為3～500 MΩ，測(cè)量精度為±0.08%。

利用本課題組所研制的腦部EIT系統(tǒng)（如圖3所示）進(jìn)行16電極測(cè)量，測(cè)量精度為±0.01%，工作頻率為40 Hz~110 MHz，采用對(duì)向驅(qū)動(dòng)鄰位測(cè)量模式。驅(qū)動(dòng)電流幅值為1 250 μA，頻率為50 kHz，采集的速率是1幀/s，共采集1 000幀數(shù)據(jù)。

圖3 腦部EIT阻抗測(cè)量系統(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以上所有實(shí)驗(yàn)均按既定計(jì)劃進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中所有志愿者均未出現(xiàn)不良反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)條件控制良好。

2.1 接觸阻抗

如圖4所示，阻抗值隨測(cè)量頻率的增加而減小。電極A和電極C的電阻抗較低，而電極B的電阻抗則一直相對(duì)較高。在低頻范圍（40~300 Hz），電極C的測(cè)量值比電極A低。在中頻范圍（300 Hz~10 kHz），則顯示電極 C的測(cè)量值比電極 A高，在高頻段（10 kHz~110 MHz）又恢復(fù)到電極C的測(cè)量值最低的情況。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在50 kHz時(shí)，電極C的阻抗均值和標(biāo)準(zhǔn)差最小。50 kHz時(shí)的阻抗值顯示，此時(shí)電極C的阻抗值最低。

圖4 電極在頻率40 Hz～110 MHz內(nèi)利用2電極法測(cè)量的阻抗值

2.2 一致性

對(duì)于一致性而言，每種電極系統(tǒng)的16個(gè)電極之間的相關(guān)性系數(shù)如圖5所示。結(jié)果表明，電極C具有最大的均值和最小的標(biāo)準(zhǔn)差，反映出其一致性最優(yōu)。而電極A、B具有相對(duì)較小的均值和較大的標(biāo)準(zhǔn)差，顯示出較低的一致性。

圖5 每種電極系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)

2.3 信噪比

圖6是信噪比均值和方差的直方圖，表明電極A具有最小的信噪比均值和最大的方差，電極C則具有相對(duì)較高的信噪比。

圖6 每種電極的信噪比均值和方差

2.4 配置時(shí)間

實(shí)驗(yàn)表明，在同樣使用電極帶的情況下，電極A的配置時(shí)間較長(zhǎng)，電極C的配置時(shí)間最短。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，表明電極C與另外2種類(lèi)型的電極相比具有較優(yōu)的性能，即較低的接觸阻抗、較高的信噪比以及較好的易用性。

表1 3種電極的總體性能比較

3 討論

本文根據(jù)EIT技術(shù)在腦卒中篩查時(shí)對(duì)電極的需求，對(duì)3種濕電極進(jìn)行了比較研究。研究結(jié)果表明，橋式電極具有相對(duì)最優(yōu)的綜合性能，即較低的接觸阻抗、良好的一致性、較高的信噪比和相對(duì)最少的配置時(shí)間。橋式電極的接觸阻抗較低與其結(jié)構(gòu)有關(guān)。前端采用多孔洞的彈性海綿制成，與人體皮膚接觸后會(huì)產(chǎn)生許多微小的腔體，而杯狀電極和管式電極均采用單腔體結(jié)構(gòu)，多腔體結(jié)構(gòu)在降低接觸阻抗方面。更具有優(yōu)勢(shì)[14]。

此外，腦EIT電極支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致一定的系統(tǒng)誤差，在本試驗(yàn)中為保證電極位置的準(zhǔn)確，均采用電極帶的形式進(jìn)行支撐。16個(gè)電極放置在電極帶對(duì)應(yīng)的16等分點(diǎn)上，每次實(shí)驗(yàn)均固定在頭部的相同位置，在很大程度上降低了因電極位置不同所導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差。

總之，在進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)電極以及其外圍支撐系統(tǒng)后，橋式電極有望被廣泛用于面向腦卒中的EIT技術(shù)之中，為腦卒中的篩查提供可靠的支持。

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（收稿：2013-05-13 修回：2013-10-15）

Comparative Study of Bio-electrodes Applied to Stroke Screening in Brain Electrical Impedance Tomography

GUO Da-long,YOU Fu-sheng,DAI Meng,SHI Xue-tao,FU Feng,YANG Bin,XU Can-hua,DONG Xiu-zhen
(School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)

Objective To compare the performances of three bio-electrodesofcup electrode,tube electrode and bridge electrodein brain electrical impedance tomography(EIT)in order toobtain the suitable one for stroke screening.Methods Measurementsof2-electrode and 16-electrode were used tomeasure the impedances of the forearms and brains of six different subjects．Theperformance of each electrode system was assessed from the aspects of contact impedance,uniformity,signal-to-noise ratio(SNR)and setup time.Results Bridgeelectrodebehaved thebestin the threeones,with the contactimpedanceof(330±6)Ω,theuniformity of(0.97±0.02),the SNR of(63±1)dB and the setup time of(411±37)s.Conclusion Bridge electrodemay be appliedwidely to EIT screening ofstroke based on further optimization and supportsystem.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（3）：19-22]

EIT;electrode system;stroke;screening

R318

A

1003-8868（2014）03-0019-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.03.019

國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2011BAI08B09，2012BAI20B00）

郭大龍（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娮杩箶鄬映上窦夹g(shù)的臨床應(yīng)用，E-mail：woshiguodalong@163.com。

710032西安，第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（郭大龍，尤富生，代 萌，史學(xué)濤，付 峰，楊 濱，徐燦華，董秀珍）

董秀珍，E-mail：dongxiuzhen@fmmu.edu.cn