福建省龙岩人民医院设备科 福建龙岩 364000
【摘 要】为了了解国内外生物电阻抗成像技术的临床应用研究基本情况，综述了国内外在此领域临床应用研究的基本内容与存在的主要问题。从而基本掌握了目前生物电阻抗成像技术在临床应用的基本情况。目前生物电阻抗成像技术的相关研究已经在许多临床领域广泛开展，并逐步向临床推广，虽然仍存在许多问题与局限性，但是其在临床应用方面依然具有非常大的发展潜力。
【关键词】生物电阻抗；成像技术；临床应用；研究现状；
【Abstract】In order to understand the current status of the clinical application of electrical impedance imaging（EII），the paper summarized the current status of domestic and foreign researches on clinical application of EII and main problems.EII has been applied in various clinical fields.Although EII still has various problems and limitations to be dealt with，its clinical application has proved to be prospective.
【Key Words】Electrical Impedance；Imaging Research；Status Clinical application
1.引言
生物电阻抗成像技术（electrical impedance imaging，EII）是在生物组织特性研究的基础上发展起来的一种新型成像技术，它是以生物组织的电阻抗变化为检测目标进行成像。其最早的研究开始于20世纪70年代末，之后迅速成为国际研究热点[1]。相对于其他成像技术而言生物电阻抗成像技术（EII）对器官的功能性病变更敏感。由于人体器官的功能性病变先于器质性病变且功能性恢复滞后于器质性恢复，所以在临床上生物电阻抗成像技术（EII）在疾病预防和早期诊断与疾病相关的器官和组织的功能恢复检测上有独特的优势[2]。生物电阻抗成像技术（EII）由于无创、廉价、无辐射、信息量丰富并适合长期的临床监护等优势在许多领域都得到了应用且发展迅速[3]。由于这些突出的优势，目前内外已有三十多个小组从事该领域的相关研究[1]。
2.原理及分类
2.1基本原理
生物电阻抗成像技术（EII）是依据人体不同组织的生理与病理特性下电阻抗的不同，采用不同的激励模式，以施加安全电流或者电压的方式检测影响信息并重建其电阻抗分布或变化的图像[4]。
2.2分类
生物电阻抗成像技术（EII）一般可分为1电阻抗频谱特性测量（electrical impedance spectroscopy，EI）：对人体在不同频率电流下的复阻抗特性进行测量的方法[5]。2扫描电阻抗成像（electrical impedance scanning imaging EISI）：对感兴趣的区域施加小的电刺激，根据介质中的电阻率变异从而检测相应的电流或者电压变化情况，进行多点或者多频成像[2]。3电阻抗断层成像（electrical impedance tomography，EIT）：对相应层面的电阻率或电阻变化情况进行图像重建[6]。4感应电流成像（induced current EIT，ICEIT）：在被测目标外施加时变电流从而产生出交变磁场，激励出目标中相应的感应电流并对检测到的电流信号进行图像重建[7]。5磁感应电阻抗成像（magnetic induction tomography，MIT）：根据电磁感应原理，测量生物组织的感应磁场，并通过重建算法重现出组织的电阻率分布情况图像[8]。6核磁感应电阻抗成像（magnetic resonanceelectrical impedance tomography，MREIT）：将电流密度成像（CDI）和电阻抗断层成像（EIT）相结合，克服了EIT成像系统在高分辨率静态图像重建方面的不足[9]。
生物电阻抗成像技术（EII）中，电阻抗断层成像（EIT）是发展最早，并且在临床应用中最为广泛与普遍的生物电阻抗成像技术，它是当今生物医学工程发展的研究课题之一，也是医学成像技术发展的一个新方向[3]，而MIT和MEEIT还处于起步阶段[4]。EIT能充分显示组织的电阻抗特性并进行图像重建，相对其他电阻抗成像技术而言，其实现更加容易。作为电阻抗成像技术中发展和应用最为广泛的技术，其研究与发展在临床应用中的情况基本可以反映目前生物电阻抗成像技术（EII）的大致情况。
3.EIT技术临床应用研究现状
由于生物电阻抗成像技术（EII）的优势，其发展也逐渐由基础研究向临床应用研究过渡。目前国外在电阻抗断层成像（EIT）技术的临床研究上应用最多的是肺功能的监测和乳腺癌检测这两个方面。EIT技术的第一个临床应用图像是Sheffield小组开发的一种利用人体的不同组织获得的电阻抗分布的断层成像系统[10]，这被称为潜在应用断层（APT）。此后，Metherall P等[11]运用灵敏更加高的方法产生了第一个三维EIT图像。EIT技术潜在的临床应用主要体现在肺功能、乳腺检查功能、胃肠功能和脑功能成像等方面，但要作为常规的临床使用工具还需要进一步的发展[5]。
3.1肺功能临床应用研究
最早的EIT技术研究就开始于对肺通气量的研究，早在1987年就产生了第一幅通气量电阻抗图像[12]。目前，广泛的研究显示EIT有能力检测肺的区域生理和病理变化情况，并且能提供与之直接相关的图像。这个发现已经被应用在由Bodenstein M[6]等制造的二维肺通气监护设备的临床医疗试验中。
EIT由于无辐射、经济、便携等特性特别适用于做床边监护设备，尤其是对ICU。EIT的胸腔信息包含了肺通气量和灌注信息，所以独立地实时地检测这两个信息的变化是可行的。由于EIT对肺灌注的监测特别是在肺通风级和局部监测功能上的优势，其在肺功能和心血管疾病等方面的监测和诊断上有了很高的临床应用价值[13]。肺灌注EIT技术在临床上的应用已经有了一系列的研究。这些临床研究包括：诊断或治疗肺栓塞、急性肺损伤、慢性阻塞性肺疾病和肺高压病等。
肺栓塞是由于栓子随着血流运动而在肺部动脉或者其分支形成的多个堵塞。急性的非栓塞是很危险的，需要医务工作者及时采取适当的措施，例如注射抗凝剂或者溶栓药物[14]。肺栓塞一般是通过病史、肺通风/灌注扫描或肺血管造影进行诊断。这两种方式的劣势在于都需要将病人暴露在辐射的环境中，并且对于像在ICU这种极度不适的病人很不适用。McArdle FJ等[15]和Leathard AD等[16]的实验表明EIT能够检测到肺通风正常而肺灌注中断的区域，但是只能显示出大栓子。Fagerberg A等[17]等研究了猪的急性肺损伤，结果显示EIT在急性肺损伤的生理变化的早期检测中具有临床应用价值。
对于慢性肺栓塞疾病而言，研究显示与健康的人相比，肺肿胀的病人与心脏相关电阻抗变化明显较低。最近的一项研究显示，对于缺氧性肺血管舒张EIT有更高的检测灵敏度[7]，这样的检测对肺气肿的慢性肺栓塞疾病的病人而言决定氧疗法是否有效很有帮助。
急性的肺栓塞疾病是一种比较罕见的疾病，其主要发病人群是青年人，它是由于失去小的肺动脉而导致其他肺动脉血压过高。这种疾病是致命的，由于其早期症状并不明显，所以很难判定其严重程度。Smit HJ等[18]的研究显示，EIT有使用非侵入性技术诊断急性肺栓塞疾病的潜能。目前，Grant等[19]和Carlisle等[20]研究表明，使用EIT技术能够显示重力对成人和新生儿的影响并且区分成熟跟未成熟的肺。
由于EIT的分辨率比较低、重建方式也比较复杂、受噪声影响非常容易失真并且只能针对存在阻抗和没有绝对阻抗的图像区别进行识别。由于目前还没有建立一个统一的评估标准，两个不同的生理状态可能由于对照的不同而被判断成为相同的状态[21]。虽然有实现三维EIT的可能，但目前大多数的商业EIT系统仍然是二维的。上述缺点导致EIT还没有被应用在监测肺功能的床边监护设备中，但是依然存在很高的应用前景。
3.2肿瘤检测临床应用研究
由于发展初期的肿瘤其形态没有发生变化，所以CT成像与超声成像等常规的检查并不能准确地诊断出肿瘤的情况。但是，在肿瘤产生初期其电阻抗特性已产生变化，所以EIT技术在肿瘤初期的筛查中有独特的优势。虽然与CT跟MRI相比其分辨率不高，但是在肿瘤的前瞻性筛查中EIT技术有其重要的临床应用价值[22]。
随着EIT技术的不断发展，在肿瘤检查中的临床应用方面也在逐渐拓展，特别是乳腺肿瘤的筛查方面。有证据显示，恶性肿瘤组织的电阻抗特性与正常组织有显著的区别，所以生物电阻抗的组织成像可以被作为乳腺癌筛查的指标[23]。
现在已经有小组成功开发了三维的乳腺EIT系统。例如：美国TCI的三维乳腺EIT系统[24。目前，已经有使用EIT技术的乳腺癌监测产品被批准进入临床研究。以色列Trans Scan公司于1999年推出TS2000乳腺检测设备并获美国FDA批准正式进入临床研究[8]。现在，推出的T-SCAN乳腺癌筛查设备已经作为乳腺X摄影的补充检查被美国FDA批准在美国使用，它可以反映不同生理时期的乳腺癌电阻抗特性[9]。目前，该系统已被证实有良好的稳定性和重复性。
3.3脑部功能临床应用研究
脑部疾病和正常的脑功能活动都可能伴随着电阻抗的变化，人脑肿瘤与外科手术水肿等都会造成脑部电阻抗降低[24]。对脑部组织电特性的研究目前可分为有创与无创两种，由于有创检测为侵入式的一种研究方式，对人体伤害较大，对于脑功能的临床诊断和监护，无创的脑检测具有更大的优势。
脑部EIT相对于其他脑部成像技术而言发展相对较晚。EIT可以作为脑功能成像的辅助诊疗手段，例如：针对癫痫病等脑部疾病患者，如果能够对癫痫病患者进行长期的临床监护并且根据其脑部的电阻抗变化情况确定病变部位，对此类疾病的临床诊断方面将有非常高的参考价值[10]。
癫痫是一种与脑部结构异常相关的脑部疾病。癫痫病异常严重的患者手术前的检测癫痫准确病灶点至关重要。EIT研究显示在诱导癫痫发作时，脑部有大量的电导率变化[25]。用EIT可以检测到重复性的局部癫痫病灶发作导致的局部缺血[26]。由于癫痫发作的不确定性，必须进行持续性的临床监护，从长期的临床监护看，相对MIR等，EIT在适合对癫痫病灶位置的确定。目前，已经可以使用EIT电极监测癫痫发作期间脑电变化情况。这种遥测的方法在癫痫病灶的定位上已经很成功，但却不适合对大脑深处的检测。如果需要对大脑深处的活动情况进行监测，需要植入电极，这会对大脑造成不可逆的损伤。但是，EIT提供了一种尽量减少大脑伤害并更加有效的脑部情况监测方法。
伦敦大学TidswellAT等组织进行了一系列涉及到视觉、运动及躯体感觉刺激来评估EIT对人脑活动功能的测量情况[27]。实验结果显示，大脑的电阻抗增加或者降低可能会导致血容量变化，血液相对周围组织而言，电阻抗较低。这样的研究成果也可能在未来应用于脑部功能监测的临床应用中。
3.4胃肠道功能临床应用研究
目前EIT技术在胃肠道功能的临床应用研究比较多的是对胃功能的研究。由于胃在对食物的消化和吸收过程中，其形态、体积及内部物质变化情况改变较大，相应的电阻抗变化特性也较为明显，电阻抗信息丰富。所以，可以采用EIT技术对胃的信息进行连续的监测，提取相应的电特性变化特性，从而对胃功能进行检测和评价。
目前，已经有一些胃功能相关的EIT图像。胃排空的变化能够显示部分胃功能失调，例如：幽门狭窄。一般对胃功能的检查，采用的是同位素示踪或插管技术，这些技术在检查过程中人是极不舒服的，而EIT成像技术就很好地避免了该类问题。相对而言EIT技术的电极能够非常容易地在没有骨骼阻碍电流传递的腹部固定。并且，EIT能够很容易地对一般食物或混合了生理盐水的食物进行跟踪[28]。研究证明，EIT与放射性核素成像相对照，在胃排空的时间测量上具有非常好的一致性。
3.5胸部功能临床应用研究
在胸部功能检测中，EIT技术可以用来检测心输出量或者隔离缺陷。EIT可以显示不同心动周期的动态电阻抗图像[29]。Mueller JL等已经研究出了与心跳相关联的电导率图像[30]。并且，最近Hoetink AE等已经将一些从胸表面测量到的与心脏相关联数据的电阻抗波形进行了重建[31]。
每搏心输出量（SV）对心脏泵血功能的检测有很高的临床诊断价值，心脏活动期间，由于其对血管的影响，胸部电导率分布会发生很大的变化，可以根据这些变化测量心脏的SV。ZlochiverS等[32]研究评估了用参数EIT检测SV的可能性，结果证明EIT有检测SV的潜力，并有望在临床上得到应用。
3.6其他临床应用研究
由于EIT技术的突出优势，在许多其他临床方面也有相关应用。EIT作为一种无损测温技术，在肿瘤热疗中可以对温度进行监测从而为临床诊断提供帮助[33]。此外，由于对血液电阻抗变化的敏感度，EIT还可被用来监测腹部淤血和内出血[34-35]。
4.临床应用现状存在问题及局限性
虽然，EIT技术有独特的特点与优势，并已广泛应用于许多临床基础研究中并部分正式投入临床应用及使用。但是，后续发展仍然存在一些问题限制了其临床应用的发展。
4.1图像分辨率低
相对CT与MRI这些成像技术成熟、临床应用广泛的成像技术而言，图像分辨率较低。EIT技术是对生物组织电阻抗变化情况信息的提取，电阻抗特性相对其他组织特性而言空间指向性不强且分布规律复杂，在测量过程中又进行了简化，造成了较低的空间分辨率。EIT的图像矩阵仅仅有32×32个像素点，不仅时间分辨率无法与其他的成像技术相比，其空间分辨率也有一定的限制[36]。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对于这种情况目前为止还没有一个比较合理的解决方案。
4.2缺少专门的分析软件
现在临床使用的医疗设备中，大部分取样和分析软件在临床使用中是可兼容的，但是EIT还缺少一种适用于临床的可分析软件。建立一个简单可操作的临床采样和分析软件是有必要的，这样的软件可以进行集成采样控制和数据分析[11]，并且进一步的自动化可便于临床接受并使用。
4.3缺少专门有效的图像重建算法
对临床应用的数据而言，合适的重建算法能够为医生提供充分的临床诊断信息。但是目前EIT技术的图像重建算法并不能将临床检测到的边界信息和电极位置等所有先验信息进行充分的综合，而只是对部分需要的信息提取并进行了图像重建，这样的结果就会导致检测到的部分信息的丢失。现在的EIT成像研究很多使用的还是有明显缺陷的算法，其中的关键问题之一就是使用二维算法去解决三维问题。目前大多数的生物电阻抗成像技术算法都是针对断层成像的，完全的三维电阻抗成像算法是以后临床应用发展的方向之一。
4.4针对临床应用的技术研究不够
现在，EIT技术的研究已经有许多广泛的积累，其数据采集和图像重建技术都有了一定程度的研究。在许多实际应用过程中，其仿真效果较好，但是针对临床应用的效果并不好[12]。目前的生物电阻抗成像研究许多还处于试验或者研究阶段，真正应用于临床试验或实际临床检测的EIT技术还不多。所以，建议对上述给类方法进改进并且针对临床实际检测目标提高电极测量精度及后期图像处理技术，将该项技术的研究逐渐引进并应用于临床研究领域。
4.5其他问题
在EIT技术方面，面对临床应用研究的情况，还存在许多其他值得注意的问题。例如：1电极的设计问题，要从电极的材料、测量模式及转化算法等方面着手，提高电极的测量准确性。2EIT技术的数学物理等基础研究方面的问题，基础研究的改进与提高能进一步促进与发展电阻抗成像技术。稳定的电阻抗成像算法必须首先在基础理论上得到验证，才能在实际过程中应用到成像过程中。
5.小结
生物电阻抗成像技术（EII）由于无创、廉价、无辐射等优势，其临床应用研究已经涉及到了肺部、乳腺、脑部、肠胃、胸部等不同部位的功能检测与监测中。相对于目前临床应用较为成熟的成像技术而言，它有其独特的检测与监测优势，并已在上述各类临床应用研究和实际的临床应用中发挥优势及潜能。但是，目前的生物电阻抗成像技术在临床应用研究方面还存在许多问题，这阻碍了其在实际临床应用中的发展。在今后与临床应用相关的研究中，可针对实际临床应用存在的具体问题，深入地进行研究与探讨，充分地发挥出生物电阻抗成像技术（EII）的临床诊断价值，并将其发展成为一项能够与CT和MRI等成像技术相媲美的医学成像技术。
参考文献：
[1]中国科学技术协会.生物医学工程学科发展报告[M].北京：中国科学技术出报社，2012，45-56.
[2]董秀珍.生物电阻抗技术研究进展[J].中国医学物理学杂志，2004，21（6）：311-320.
[3]周继芳，陈涛，李玉红等.生物电阻抗技术及成像法在医学上的应用研究[J].中国电子商务，2010（6）：104-106.
[4]Cheney M，IsaacsonD，NewellJC.Electrical impedance tomography[J].Siam Review.1999，4l（1）：85-101．
[5]董秀珍.生物电阻抗成像研究的现状与挑战[J].中国生物医学工程学报，2008，27（5）：641-649.
[6]Bayford RH.Bioimpedancetomography（electrical impedance tomography）[J].Annual Review of Biomedical Engineering.2006（8）：63—91.
[7]刘鑫，任超世.几种发展中的生物电阻抗成像方法和系统[J].医疗卫生装备.2008，29（10）：33-38.
[8]StojadinovicA，NissanA，GallimidiZ，etc.Electrical impedance scanning for the early detection of breast cancer in young women：preliminary results of a multicenter prospective clinical trial[J].Journal of Clinical Oncology.2005，23（12）：2703-2715．
[9]Seo Jin Keun，WooEungJe.Magnetic Resonance Electrical Impedance Tomography（MREIT）[J].Siam Review.2011，53（1）：40-68.
[10]Brown BH，Seager AD.The Sheffield data collection system[J].Clinical Physics and Physiological Measurement.1987（8）：91-97.
[11]Metherall P，Barber DC，Smallwood RH，Brown BH.Three-dimensionalelectrical impedance tomography[J].Nature.1996，380（6574）：509-512.
[12]Bodenstein M，David M，Markstaller K.Principles of electrical impedance tomography and its clinicalapplication[J].Critical Care Medicine.2009，37（7）：13–24.
[13]NguyenDT，JinC.ThiagalingamA，etc.A review on electrical impedance tomography for pulmonary perfusion imaging[J].Physiological Measurement.2012，33（5）：695-706.
[14]FrerichsI，HinzJ，HerrmannP，etc.Regional lung perfusion asdetermined by electrical impedance tomography in comparison with electron beam CT imaging[J]IEEE Transactions on Medical Imaging.2002 21（6）646-652.
[15]McArdle FJ，Suggett AJ，Brown BH，Barber DC.An assessment of dynamic images by applied potentialtomography for monitoring pulmonary perfusion[J].Clinical Physics and Physiological Measurement.1988（9）：87–91.
[16]Leathard AD，Brown BH，CampbellJ，etc.A comparison of ventilatory andcardiac related changes in EIT images of normal human lungs and of lungs with pulmonary emboli[J].Physiological Measurement.1994，（15）：37–46.
[17]Fagerberg A，S?ndergaard S，Karason S，Aneman A.Electrical impedance tomography and heterogeneityof pulmonary perfusion and ventilation in porcine acute lung injury[J].Acta Anaesthesiologica Scandinavica.2009，53（10）：1300-1309.
[18]Smit HJ，Vonk-Noordegraaf A，Boonstra A，etc.Assessment of the pulmonaryvolume pulse in idiopathic pulmonary arterial hypertension by means of electrical impedance tomography[J].Respiration.2006，73（5）：597–602.
[19]Grant，Caroline A.；Trang Pham；Hough，Judith；etc.Measurement of ventilation and cardiacrelated impedance changes with electrical impedance tomography[J].Critical Care.2011，15（1）：37.
[20]Carlisle Hazel R，ArmstrongRuth K.，Davis Peter G，etc.Regional distribution ofblood volume within the preterm infant thorax during synchronised mechanical ventilation[J].Intensive Care Medicine.2010，36（12）：2101-2108.
[21]MoererOnnen，Hahn Guenter，Quintel Michael.Lung impedance measurements to monitor alveolar ventilation[J].Current Opinion in Critical.2011，17（3）：260-267.
[22]范文茹.生物电阻抗成像技术研究[D].天津：天津大学，2010：1-20.
[23]ZouY，GuoZ.A review of electrical impedance techniques for breast cancer detection[J].Medical Engineering&Physics.2003，25（2）：79-90.
[24]Cherepenin，Karpov A，Korjenevsky A，etc.A 3D electrical impedance tomography（EIT）system for breast cancer detection[J].Physiological Measurement.2001，22（1）：9-18.
[25]闫丹丹，刘阳，李重视.头部组织电阻抗成像研究进展[J].国际生物医学工程杂志.2009，32（1）：31-35.
[26]Holder DS，Rao A，Hanquan Y.Imaging of physiologically evoked responses by electrical impedance tomography with cortical electrodes in the anaesthetized rabbit[J].Physiological Measurement.1996（17）：197-186.
[27]Lux HD，Heinemann U，Dietzel I.Ionic changes and alterations in the size of the extracellular space during epileptic activity[J].Annals of Neurology.1986，44（6）：19-39.
[28]Tidswell AT，Gibson A，Bayford RH，Holder DS.Validation of a 3D reconstruction algorithm for EIT of human brain function in a realistic head-shaped tank[J].Physiological Measurement.2001：22（1）：177-185.
[29]PodczeckFridrun，Mitchell Catherine L，Newton J，Michael，etc.The gastric emptying of food as measured by gamma-scintigraphy and electrical impedance tomography（EIT）and its influence on the gastric emptying of tablets of different dimensions[J].Journal of Pharmacyand Pharmacology.2007，59（11）：1527-1536.
[30]Eyübo?lu BM，Brown BH，Barber DC，Seagar AD.Localisation of cardiac related impedance changes in the thorax[J].Clinical Physics and Physiological Measurement.1987（8）：167-173.
[31]Mueller JL，IsaacsonD，Newell JC.Reconstruction of conductivity changes due to ventilation and perfusion from EIT data collected on a rectangular electrode array[J].Physiological Measurement.2001，22（1）：97-106.
[32]Hoetink AE，Faes TJ，Marcus JT，Kerkkamp HJ，Heethaar RM.Imaging of thoracic blood volume changes during the heart cycle with electrical impedance using a linear spot-electrode array[J].IEEE Transactions on Medical Imaging.2002，21（6）：653-661..
[33]Zlochiver S，Freimark D，Arad M，Adunsky A，Abboud S.Parametric EIT for monitoring cardiac stroke volume[J].Physiological Measurement.2006，27（5）：139-146.
[34]Foster KR，Schwann HP.Dielectric properties of tissues and biologicalmaterials：a critical review[J].Critical Review in BiomedicalEngineering.1989，17（1）：25–104
[35]Thomas DC，McardleFJ，Rogers VE，etc．Local Blood Volume Changesin Women With Pelvic Congestion Measured by Applied Potential Tomography[J].Clinical Science.l991，81（3）：401-404.
[36]Sadleir RJ，Fox RA.Detection and quantification of intraperitoneal fluid using electrical impedance tomography[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering.2001，48（4）：484-491.
[37]Bodenstein Marc，David Matthias，Markstaller Klaus.Principles of electrical impedance tomography and its clinical application[J].Critical Care Medicine.2009，37（2）：713-724.；
论文作者:廖添发
论文发表刊物:《航空军医》2016年第9期
论文发表时间:2016/6/23
标签：技术论文; 阻抗论文; 电阻论文; 临床应用论文; 功能论文; 生物电论文; 脑部论文; 《航空军医》2016年第9期论文;