胃排空三层电极模型的EIT仿真研究

重庆邮电大学生物信息学院　李章勇

重庆邮电大学生物医学工程研究中心　刘兆宇　相尚志　马成群　司淼淼　夏　爽

1　引言

胃肠道疾病是我国常见的一种慢性疾病，表现形式多样，且存在近50%的患者出现了胃动力异常，目前关于胃动力功能的研究不如对胃的分泌功能和胃的形态学的研究，主要原因之一是目前缺少方便、有效的胃动力学检测手段[1]。胃动力的表现方式分为胃排空和胃蠕动两种形式，其中胃排空功能下降是多种疾病在上消化道的表现。对于消化不良来说，胃排空具有一定的治疗指导价值，因为存在胃排空延迟的患者对于胃动力药物的治疗反应优于胃排空正常的患者[2]。生物电阻抗技术是一种利用人体组织和器官的电特性变化规律与人体组织的病理状况联系起来的生物医学检测技术，其具有方便、无创、廉价以及功能信息丰富的特点[3]。胃在消化过程中，会产生相应的电节律特性变化，该变化信号较强，功能信息丰富，检测灵敏度较高[4]，因此可以应用电阻抗成像技术（Electrical Impedance Tomography,EIT）来对胃动力异常进行信息提取和处理。

EIT技术是近年来兴起的一项无创性功能成像技术，可以实时监测胃体的体积变化情况。具体实现方式是通过配置人体体表的电极阵列，提取相应的电特性信号，通过相应计算，得到可以反映相关组织、器官功能状态和相应变化规律的功能性图像[5]。该技术具有准确、易操作、无辐射、适用性广等优点，适合胃排空检测。

EIT的核心是电极激励模型研究和图像重建算法研究，其中电极激励模型是对目标区域进行信号采集的部分，图像重建算法是将采集的信号进行处理而得到功能性图像的部分。利用EIT技术检测胃排空信息会受到很多因素干扰，包括皮肤阻抗干扰、呼吸误差等，关于如何得到更准确的体表信号与胃动力之间的相关联系，需要优化激励模型，进行多种模式的尝试。鉴于胃在人体的位置相对固定，人体体表电极阵列数越少，测量系统的外在干扰越少，因此，本文构建了两种开放性三层胃区电极激励模型，研究其在胃排空检测中的有效性。衡量电极激励模型的优劣可以用边界测量电势范围，因为动态成像是基于电势的相对变化来进行图像重构的，边界测量电势越小，成像噪声越大，稳定性越差，所以在不同电极激励模型中，拥有比较小的边界电势范围的模型更好[6]。

2　方法

利用COMSOL软件构件类似于人体的椭圆柱模型，并分成1cm厚的脂肪层和其它填充物，在椭圆柱内构建类似胃体的模型，用以模拟人体腹腔环境。

2.1　1/4面电极模型

在椭圆柱外表面放置点电极，点电极位置为圆柱体右侧一面，共三层，每层间隔8cm，每层6个电极，如图1(a)所示。激励电极做两种选择，一种为激励与接地上下相邻，称为跨层近地模式；一种为激励与接地距离同层较远，称为同层远地模式，如图1(b)、(c)所示。

图1　1/4面电极模型

2.2　2/4面电极模型

将点电极均匀分布在圆柱体右侧的前后两面，其余分布形式同1/4面模型，如图2(a)所示。激励电极也同1/4面模型，如图2(b)、(c)所示，其中远地模式为跨层远地模式。

图2　2/4面电极模型

3　结果

3.1　1/4面电极模型

电极电导率设为1010S/m，脂肪层设为0.037S/m，中间填充物电导率设为0.7S/m，胃模型的电导率设为1S/m、0.5S/m、0.05S/m三种，并分别进行仿真。根据胃排空过程中的胃体积的变化，将胃模型的大小设为1.8倍、1.4倍、1倍三种，并分别进行仿真。选取代表性结果电势分布如图3所示。

图3　1/4面电极模型电势分布图

图4　1/4面电极模型中间截面电势分布图

从图3可以看出，电极模型不同，电势值并不同，其中近地模型的最高电势为26.82，最低电势为15.53；远地模型最高电势为12.65，最低电势为9.359。从图4可以看出随着胃体积变大，电势值逐渐变大，近地模型的电势变化剧烈，远地模型的电势变化较平缓。近地模型的边界电势范围较远地模型的边界电势范围大，可知近地模型会使成像的稳定性降低，故远地模型更好。

3.2　2/4面电极模型

电极电导率与椭圆柱电导率同1/4面模型，仿真过程也与1/4面模型相同，选取代表性结果电势分布图如图4所示。

图5　2/4面电极模型电势分布图

图6　2/4面电极模型中间截面电势分布图

从图5可以看出，近地模型最高电势为26.87，最低电势为15.51；远地模型最高电势为26.84，最低电势为15.54。从图6可以看出随着胃体积变大，电势值逐渐变大，近地模型的电势变化剧烈，远地模型的电势变化较平缓。两种模型的边界电势范围相差很小，较难区分哪个更好，但是可以看出近地模式的电势变化十分剧烈，在稳定性上较差。

4　结论

以上研究对三维胃区阻抗的两种不同电极模型进行了分析，对三维胃动力阻抗成像的研究具有重要价值，可以根据对两种模型的电势分布观察可知，远地模型较近地模型具有更好的稳定性，1/4面电极分布模型和2/4面电极分布模型相互对比可知，1/4面电极分布模型在同样条件下拥有更稳定的仿真结果。在后续研究中，可以考虑1/4面的远地电极模型进行系统设计，并进行实物实验验证。

[1]周吕,柯美云.神经胃肠病学与动力:基础与临床[M].科学出版社,2005.

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[3]任超世.生物电阻抗测量技术[J].中国医疗器械信息,2004,10(1):21-25.

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[6]范文茹.生物电阻抗成像技术研究[D].天津大学,2010.