一文详解|生物电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography, EIT)

一、引言

近年来生物医学成像技术得到长足发展。其中，电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography, EIT)是一种新颖的生物成像技术，基本原理是通过给生物组织施加安全电流（小于 5mA），在生物组织内形成电流场，测量物体表面的电压，分析电磁场在体内的响应，最后重构物体内部的电导率分布图像。

EIT技术自诞生以来，便被视为临床医学中重要的辅助成像工具，尤其是在的生物的监测中，该技术目前已经发展到了与临床应用十分接近的阶段。EIT的无创、无辐射、便携、可进行功能性成像等优点使其广泛应用于医学、地质勘探等成像领域。近期，国内外很多大型研究机构已经将EIT技术应用于监测呼吸机诱发或伴随机械损伤的相关研究中。因此，利用 EIT技术在生物组织的相关研究中变得尤为重要。而且，在与X-CT、核磁共振成像、超声波成像的对比中，EIT成像成本低廉、操作简单以及对人体几乎没有损失，得到了众多研究者的青睐。

成像技术	成像特点	清晰度	成本	简易性	人体损伤性
X-CT	解剖成像	清晰	昂贵	复杂	损伤
核磁共振成像	解剖成像与功能性成像	清晰	昂贵	复杂	损伤
超声波成像	解剖成像与功能性成像	清晰	适中	简便	轻微
EIT	功能性成像	模糊	低廉	便捷	轻微

表 1-1 对各种医学成像技术进行对比

 

二、EIT 系统的组成

EIT 系统主要由硬件平台以及软件成像算法构成，硬件平台主要负责数据测量，在正弦信号的激励下，从表面获取信号并解调出能反应生物组织电导率分布的数值，后期在软件重构成像算法中得到图像。

图1-1 EIT的简要测量模型

上海昊量光电设备有限公司代理的德国Sciospec公司的EIT设备，为国内外科研院所提供了多种类型的设备，包括单通道、多通道的EIS设备和不同电极的EIT设备。我们的EIT设备的特点如下：我们的EIT设备以16电极为主，可以实现32、64、128以及256电极的测试，且是独立通道。测试时间快，实时传输帧率最高可达100fps，精度达到±100ppm。设备测试范围在100Hz 到1MHz，测试精度可以达到±100ppm (at 25°C)，电流范围可以控制在100nA到10mA，控制精度达到2.81μA。此EIT设备还有医疗级IsoIOport隔离同步模块，医疗级隔离IO接口，医疗级电源和医疗级等各种隔离保护的能力，来保障使用者安全使用。

设备详细参数如下：

激励和测试频率

频率范围	100Hz 到1MHz
分辨率	40µHz @ 10kHz 2mHz @ 10kHz < f <500kHz 220mHz @ f>500kH
绝对精度	±100ppm (at 25°C)
温漂	±10ppm
长期稳定性	±5ppm first year

激励电流

电流范围	100nA到10mA
分辨率	2.81μA
最大连续输出电流	50mA
规范电压	±11V

测量时间

帧率	0.1-100fps
绝对时间精度	±100ppm
帧到帧抖动	±200ns

频率扫描设置

扫描类型	线性，对数，列表
扫描点	1-128

注入/激励模式扫描设置

模式数量	1-256
注入切换延迟	600μs（默认）

三、EIT的使用方法展示

　　图1 设备前后面板，测试通道16*2

　　图2 实验过程，水缸以及插在水缸上的16个电极，可以支持32个通道

         图2为现场测试，在我们连接好设备，打开软件，做好校准后，就可以用Sciospec设备来测试生物的电阻抗，结果会以成像的形式展现给我们，从而更直观的将生物体内与电阻抗有关的特性（比如说病变）体现出来。以下展示利用EIT设备测试不同物体的表现。

图3 实验数据界面展示

图4 在水缸中测量橘子实时阻抗图像展示

红色的部分勾勒出物体的大致形态，且红色部分会随着物体的变化而不断移动位置，这个变化的快慢取决于采集图像帧的速度。设备的通道数越多，成像的清晰度就会越高。

图5 特别设计的EIT芯片，用于微流控测试

图6 利用EIT芯片测试物体实时图像

 

四、总结

电阻抗断层成像技术相对其它的成像技术，具有自身的优势。在未来的生物成像领域研究中定会发挥巨大的作用。Sciospec公司提供商用化的EIT设备，设备性能优越，是研究者提供实验的高效武器，同时设备类型多种多样，针对不同客户的需求提供OEM定制品。上海昊量光电作为Sciospec在中国的独家代理，愿为科研工作者提供优质的服务。

您可以通过我们昊量光电的官方网站了解更多的产品信息，或直接来电咨询4006-888-532，我们将竭诚为您服务。