电阻抗断层成像应用基础与临床应用的一些研究进展
2022-03-28
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29卷2期 中 国 生 物 医 学 工 程学报 Vo1.29 No.2 2010年4月 Chinese Journal of Biomedical Engineering April 2010 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 (重庆邮电大学生物信息学院,重庆400065) 。(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) 摘要:综述电阻抗断层成像(EIT)在应用基础和临床应用方面的一些研究进展。有针对性地深入研究生物组织 的电特性,提取在细胞层次上发生的、与人体生理和病理状态相联系的功能性信息。介绍用于脑、腹部渗血检测与 监护,区域性肺功能成像,胃动力检测与评价,以及乳腺肿瘤早期发现等实用化的EIT方法。对未来进行展望,提 出在EIT方法学研究不断深入和发展的基础上,进行有确定目标的应用基础研究和临床应用研究。 关键词:电阻抗断层成像(EIT);渗血监护;肺功能成像;胃动力评价;乳腺肿瘤检测 中图分类号R318 文献标识码A 文章编号0258—802l(2010)02—0300—05 Some Progresses in Application Foundation and Clinical Application Research of Electrical Impedance Tomography REN Chao—Shi LI Zhang—Yong WANG Yan SHA Hong ZHAO Shu 【College of Bioi, rmation,Chongqing University of Posts and fec0mm“n cⅡ£ 0n5。Chongqing 400065,China) (Institute of Biomedical Engineering。Chinese Academy of Medical Science&Peking Union Medical College,Tianjin 300192,China) Abstract:Some progresses in the application foundation and clinical application research of electrical impedance tomography(EIT)were reviewed in this paper.It is important Io investigate electric prope ̄y of human body tissue and organ,pay attention to extract the functional and information concerning the cell level and physiological and pathological state of human body.EIT methods used in hemorrhage monitoring in brain。 chest and abdomen,imaging of regional lung function,gastric motility evaluation t breast tumor detection were introdueed. Key words:electrical impedance tomography(EIT); motility evaluation;breast tumor detection 引言 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 电阻抗断层成像(EIT)通过配置于人体体表的 性。人体的生理和病理状况,通过组织电特性或阻 电极系统,提取与人体生理、病理状态相关的组织 抗特性的表达,与发生在分子与细胞层次的生物学 或器官的电特性信息,给出反映组织、器官功能状 变化相对应。在疾病的潜伏期或早期,在结构性或 态及其变化规律的图像结果。它是当今生物医学 器质性病变尚未出现之前,伴随疾病在分子与细胞 工程学的重大研究课题之一,是继形态、结构成像 层次的生物学变化,相应的电特性改变已经发生, 之后,于近30余年出现、发展起来的新一代医学成 甚至十分明显。依据电特性及其变化,检测组织与 像技术,具有功能成像、无损伤和医学图像监护三 器官在尚未出现结构性改变之前,开始于细胞水平 大突出优势 。 发生的生理与病理事件,给出对应于疾病早期的预 人体的基本构造单位是细胞,人体的生理功能 报性或前瞻性信息,是EIT技术的特点,也是区别于 doi:10.3969/j.issn.0258—8021.2010.02.024 收稿日期:2009 ̄4.15,修回13期:2010 ̄1-05 基金项目:国家科技支撑计划(2006915104031393);重庆市教委科技基金(KJ080519) }通讯作者。 E-mail:renbme@163.corn 2期 任超世等:电阻抗断层成像应用基础与临床应用的一些研究进展 3Ol 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 、肺通气测量 、胃动力功能 和乳腺肿瘤检 测等方面进人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 一 。 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 。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问、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 ;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 中 国生物 医学工程学报 29卷 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。 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 。 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” 。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 胃的收缩和蠕动频率约为每3次/min,对EIT 的电特性信息 ,以图像形式实现肺脏区域性肺功 能状态检测与连续监护 ,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。必须从电一机复合系统的 高度,认识和研究胃动力 ’” 。 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 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 “ 。 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(abnomality of 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 。 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 。采用EIT 方法,检测肿瘤在分子水平和细胞层次变化引发的 2期 任超世等:电阻抗断层成像应用基础与临床应用的一些研究进展 3O3 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 。’ 。 [5]Xu Zheng,Luo Haijun,He Wei.et a1.A multi.channel magnetic induction tomography measurement system for human 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一_2 。EIT具有无 创、方便和廉价的优势,发展EIT乳腺检测将为乳腺 brain model imaging[J].Physiological Measurement,2009,30 (6):S175一Sl86. 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