电阻抗断层成像应用基础与临床应用的一些研究进展

任超世 李章勇 王 妍 沙 洪 赵 舒

1(重庆邮电大学生物信息学院，重庆 400065)

2(中国医学科学院 北京协和医学院 生物医学工程研究所，天津 300192)

引言

电阻抗断层成像(EIT)通过配置于人体体表的电极系统，提取与人体生理、病理状态相关的组织或器官的电特性信息，给出反映组织、器官功能状态及其变化规律的图像结果。它是当今生物医学工程学的重大研究课题之一，是继形态、结构成像之后，于近30余年出现、发展起来的新一代医学成像技术，具有功能成像、无损伤和医学图像监护三大突出优势［1］。

人体的基本构造单位是细胞，人体的生理功能和生化反应是在细胞及其产物的物质基础上进行的，由细胞构成的人体器官与组织具有独特的电特性。人体的生理和病理状况，通过组织电特性或阻抗特性的表达，与发生在分子与细胞层次的生物学变化相对应。在疾病的潜伏期或早期，在结构性或器质性病变尚未出现之前，伴随疾病在分子与细胞层次的生物学变化，相应的电特性改变已经发生，甚至十分明显。依据电特性及其变化，检测组织与器官在尚未出现结构性改变之前，开始于细胞水平发生的生理与病理事件，给出对应于疾病早期的预报性或前瞻性信息，是EIT技术的特点，也是区别于其他成像技术的诱人之处。

1 应用基础和临床应用研究

EIT的发展虽然只有约30年的历史，却以其无损伤、低成本和功能性图像的独特优势吸引了全世界越来越多的研究者。国外的EIT研究一直很活跃，每年都有国际学术会议，分布在世界各国的EIT研究小组已超过20个。

国内从20世纪80年代末由图像重建算法开始，进入EIT研究，至90年代末陆续进入 EIT系统研究。在国家自然科学基金以及相关部委、省市等的支持下，EIT方法学研究已基本完成，建立了多个EIT实验装置或研究平台，形成了一支水平较高、相对稳定的研究队伍。在2008年11月于西安举行的“生物电阻抗成像研究现状与发展战略研讨会”上，有约15个研究小组报告了其与EIT相关的研究工作。其中的一些小组已经在脑、腹部渗血监护［2］、肺通气测量［3］、胃动力功能［4］和乳腺肿瘤检测等方面进入了临床应用技术研究，显示了我国EIT研究工作的特色。我国的EIT研究已经具备较好的基础，一些关键技术和针对某些应用目标的研究已达到国际先进水平，为从EIT方法学研究向应用基础和临床应用研究过渡奠定了很好的基础［5－7］。

EIT的真正优势在于利用生物阻抗所携带的丰富生理和病理信息，实现无损伤功能性成像和医学图像监护。现有EIT系统的分辨力虽然还需要继续提高，但是片面地追求EIT结构图像的高分辨力而忽视其功能成像和图像监护的优势却是不可取的。虽然EIT方法学研究还需要不断深入和发展，但重点是进行有确定目标的应用基础研究和临床应用研究，例如:深入研究生物组织的阻抗特性，充分利用人体组织的容抗信息，注意提取在细胞层次上发生的与人体生理、病理状态相联系的功能性或前瞻性信息;依据现有的EIT技术和检测方法，发展用于人体某些器官功能检测与监护，如脑、腹部渗血检测与监护，肺通气功能成像，胃动力评价和乳腺肿瘤检测等EIT应用基础研究，建立实用化测量系统。

2 脑部和腹部渗血检测与监护

迄今为止，包括CT、MRI、超声等现有的一些医学成像技术，由于使用射线、核素，对人体有害，且价格昂贵或操作困难等，还不能实现长时间的连续检测。临床医学图像监护还是一个难题，特别是在灾难、事故急救与创伤外科中，医学图像监护尚属空白，往往由于缺乏方便、有效的连续监护手段，以至错过抢救时机，导致患者死亡的事例时有发生。

EIT依据人体组织和器官的电特性，提取对应的生理、病理信息，对血液、气体、体液和不同组织成份及其变化等具有独特的鉴别力［8］。EIT作为一种廉价的无损伤检测技术，无毒无害，可以多次测量、重复使用，可以对病人进行长时间、连续监护而不会造成损伤或带来不适，实现临床医学图像监护。

在灾难、事故发生时，伤者的脑、胸、腹部渗血，积液、积气等大量发生。其中，很多伤者并不表现出急性症状，当时的CT、MRI等检查也可能显示为正常，不为人们注意。过了一段时间后，这些慢性伤者的伤势发展，出现某些临床症状，经CT、MRI等检查发现渗血、积液，这对再实施急救，往往可能错过了最佳的抢救时机，导致不可挽回的恶性后果。血液、气体、体液和人体不同组织成份具有不同的电特性，体内渗血、积液、积气的发生与发展过程与明显的阻抗特性变化相对应。采用EIT方法，以脑、胸、腹部的阻抗特性及其变化为依据，实现渗血、积液、积气的检测与监护［9－10］;在灾难、事故急救与创伤外科中，用于跟踪颅脑、胸、腹部等体内组织和器官渗血或血、水、气肿的发生与发展过程，及时报警，争取宝贵的抢救与治疗时间，是体现EIT医学图像监护优势的重要应用目标，应该成为EIT应用基础和临床应用研究的重要发展方向。

3 区域性肺功能成像

肺功能测定是呼吸、循环系统疾病诊断的主要检查手段之一。目前，以肺量计测定呼吸气体为主的各种肺功能仪虽应用广泛，但已难以满足肺功能研究与临床应用发展的要求。肺脏作为人体血-气交换的主要器官，其内部的血气分布状态及血液动力学和流变学变化，直接地反映肺功能和肺内血液气体交换的情况。目前，临床上除了肺血管造影、静脉注射同位素或其标记物后做肺扫描的方法(有创、使用射线或同位素、昂贵、患者难以接受，也不能作为监护方法使用)可以较好地反映血管与血流状况外，其他方法均通过测定呼吸气体，间接推断全肺功能状况。这类方法难以区分肺脏不同部位的区域性肺功能状态，更不能提取直接反映肺内血液气体交换情况的信息，因而很难有效地评价肺脏的功能状态，更无法探查呼吸、循环系统疾病的区域性早期功能变化。呼吸研究与临床肺功能检查的发展需要简便、无创、无害，可连续监测肺区域性血流分布，有效地反映肺内血气交换情况的检测方法。

肺脏组织以及肺内血液和气体的电特性有明显的差异。肺内的血气分布、血气交换及血液动力学、流变学变化，与呼吸过程中肺脏组织的电特性变化规律相对应［11］。采用 EIT方法，提取对血液、气体和肺脏组织成份及其变化等具有独特鉴别力的电特性信息［12］，以图像形式实现肺脏区域性肺功能状态检测与连续监护［13-14］，将为呼吸、循环系统的疾病诊断提供一种全新的无创检测方法，是值得重点研究和倾力发展的EIT应用基础和临床应用研究目标。

4 胃动力功能检测与评价

胃肠疾病常见多发，发生率超过总人口的1%，严重影响人们的工作、学习和生活质量。胃肠疾病患者中的50%与胃动力异常相关，已受到国内外消化科医生的特别关注和重视。

胃肠动力学是一门多学科交叉、正迅速发展的新兴学科，也是还十分年轻的医学前沿课题。长期以来，人们对胃动力功能的研究落后于对胃的内、外分泌功能及胃的形态学的研究。其中，一个很重要的原因就是缺乏方便、有效的胃动力学的检查手段。虽然近20年来，人们对胃肠动力生理及胃肠功能紊乱所引起的胃肠动力障碍性疾病的认识也有了显著的进步，但是胃动力学检查目前仍缺乏可完整了解胃运动和排空情况的方法以作为诊断常规。胃动力学研究的深入和发展，需要提供全面、准确地了解胃动力状态的检测技术和评价方法。

胃动力包含复杂的电-机耦合机制。空腹状态下(消化间期)的胃内压也呈现周期性变化，表现为消化间期移行性复合运动(migrating motor complex，MMC)。进餐后，MMC消失，胃的运动进入了一个相对规则的运动期(消化期)。胃的收缩是发生在平滑肌细胞膜表面肌电活动的机械性表现，由胃平滑肌的电活动开始，引发胃体、胃窦收缩并向远端的幽门传播，是一个从电活动开始，到机械收缩、胃体蠕动、传导的复杂过程。它遵从电活动的节律，也取决于传导性收缩的幅度、收缩时限、方向以及传导距离等因素的影响。必须从电-机复合系统的高度，认识和研究胃动力［4，15］。

EIT通过置于人体体表的电极系统，提取与生理、病理状态相关的组织或器官的电特性信息，给出反映组织、器官功能状态及其变化规律的图像结果。在食物消化期间，由于胃的收缩和运动，其形态、体积及胃内食物状况改变较大，相应的电特性变化明显，信号强，检测灵敏度高，功能信息丰富。对于采用代表生物阻抗技术发展方向的EIT技术，以图像形式进行胃动力检测与评价将是十分有利的［16］。

胃的收缩和蠕动频率约为每3次/min，对 EIT系统的实时性要求不高，是阻抗信息易于提取、能发挥EIT技术特点的应用目标之一。采用EIT技术，以图像方式显示胃动力电-机复合过程，获取相应的胃运动节律、传导和排空特性，将为胃动力学基础研究和临床检查提供一种方便、有效，能完整、准确了解胃动力状态的检测与评价方法［15，17］。

5 乳腺肿瘤早期检测

乳腺癌已成为女性健康的“第一杀手”，欧美等地区的发病率已超过100/10万，乳腺癌是西方妇女的第一死因，已成为严重危害妇女健康和生命的主要疾病之一。我国虽属乳腺癌较低发国家，但近年来发病率成快速增加趋势，已居女性恶性肿瘤的首位，且发病年龄明显年轻化，防控形势不容乐观。

肿瘤的本质是细胞的间变(anaplasia)，又称退行发育，指的是幼稚细胞在成长、发育、分化途中“误入歧途”，发生质变，导致形态、功能、代谢、免疫、行为的分化不良，成为有特殊表现的肿瘤细胞。肿瘤性增生表现为分化异常(abnoma1ityof differentiation)，包括细胞形态、功能、代谢、免疫行为等多个方面，如肿瘤细胞大小、形状、排列上的多形性，核质比例增大、染色质浓集、核分裂象质与量的异常，原有功能的缺失、异常功能(运动、失接触抑制、异位激素分泌)的显现，特殊代谢表现(细胞膜离子变化、合成代谢亢进、有氧糖酵解导致大量乳酸形成、酶系变化等)，免疫变化(胚胎性抗原AFP、CEA的产生，某些相对特异抗原的形成)，以及行为的改变(侵袭、浸润、转移)等［18］。

上述肿瘤细胞异形性变化和肿瘤组织结构的异形性变化，是发生在乳腺肿瘤早期和潜伏期的分子与细胞生物学变化。此时，由于肿瘤实体尚未形成，现有的一些临床检查方法(包括乳房X射线摄影等)难以探知。相比之下，在肿瘤的潜伏期和早期，伴随这些分子与细胞生物学变化，乳腺组织的电特性变化已经发生，甚至十分明显［19］。采用 EIT方法，检测肿瘤在分子水平和细胞层次变化引发的组织电特性改变，实现乳腺肿瘤的无损伤、早期发现和前瞻性预报将是十分有效、完全可能的［20-21］。

乳腺癌的早期发现是提高乳腺癌生存率和降低死亡率的关键所在。乳房为人体浅表组织，突出于胸部，形状规则，左右对称，是EIT技术较为容易实现、较好实际应用的领域之—［22］。EIT具有无创、方便和廉价的优势，发展EIT乳腺检测将为乳腺癌的大面积普查、早期发现和及时治疗提供全新的手段，是EIT技术向应用基础研究与临床应用发展的重要方向。

6 结论

EIT方法学研究在于探索EIT成像原理，通常希望成像装置简单，影响因素最少。实用化EIT系统则要针对确定的应用目标，希望获得与一定临床价值相对应的检测灵敏度和图像质量，任务艰巨。要深入研究器官与组织阻抗特性，要根据人体生理、病理状况及其变化规律，研究与临床应用目标相联系的特征信息识别与提取方法，建立临床判据。

EIT是一种全新的医学成像技术，和其他成熟技术一样，需要一个从方法学研究到应用基础研究、再到临床应用的发展过程。临床医生要根据EIT图像报告和一定的判据才能给出正确的诊断结果，所以EIT进入临床应用还要包括一个临床EIT数据收集和建立诊断判据这样一个要求工程技术与临床应用紧密结合、相互促进的过程。这个过程可能会很长、很艰苦，但却是EIT走向临床应用所必须的。它需要多方面的合作，特别需要临床医生和工程研究人员的默契、相互支持和通力合作。

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