电阻抗成像硬件系统中的常用概念

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电阻抗成像硬件系统中的常用概念

1.激励模式

        电极激励模式是指激励信号注入成像目标时，两个电极之间的相对位置。其中主要的电极激励模式有相邻激励模式、相对激励模式、自适应激励模式等。相邻电极激励模式如图2-1。第一步如图2-1(a)，在电极1和电极2注入正弦激励电流，测量其它14个电极之间的相对电位，共13个电压值。第二步如图2-1(b)，注入电极由原来的电极1和电极2转换到电极2和电极3，测量电压为除电极2和电极3以外的14个电极的相对电压值，共13个电压值。依此类推共需要测量208个电压值。相邻电极激励模式的优点是在激励电极数一样的情况下获得的独立数据较多，缺点是激励电流主要分布在电极边缘，对成像目标的边缘分辨率较高，但对中间的成像分辨率较低。相对电极激励模式如图2-2所示。第一步如图2-2(a)，在电极1和电极9注入正弦激励电流，测量其它14个电极之间的相对电位，共12个电压值。第二步如图2-2(b)，注入电极由原来的电极1和电极9转换到电极2和电极10，测量电压为除电极2和电极10以外的14个电极的相对电压值，共12个电压,依次类推共测量192个电压值。相对电极激励模式的优点是激励电流能更多的分布到成像目标的中间，对中间的分辨率较高，缺点是由于成像目标和激励电极的对称性，相同电极数下获得独立数据较少。其它还有自适应激励模式、交叉激励模式等，目前，大多数的研究小组采用相邻电极模式或相对电极激励模式。

2.成像方式

       从电阻抗成像结果可以将电阻抗成像方式分为两种，静态阻抗成像和动态阻抗成像。

       i).静态阻抗成像，是指利用采集到的诱发电位直接重建出成像目标的内部阻抗分布，重建的图像是成像目标的绝对阻抗分布。静态阻抗成像的优点是可以对目标直接成像，在设计成熟的情况下有广阔的应用前景。其缺点是是计算量大，重建算法一般需要非线性重建算法，或者转化为多次迭代的线性重建算法，很难实现实时成像；抗噪性能差，对电极的安装，模型的设计都很敏感；图像对比度差等。目前静态阻抗成像的研究有乳腺癌检测，肺癌检测等，但由于其分辨率低，成像噪声大，成果有限。

       ii).动态阻抗成像，是利用两个不同时刻测量到的数据之差，重建出一幅两个时刻的电阻抗分布差值，从而重建出的是一幅差分图像。动态阻抗成像的优势是有较强的抗噪能力，易实现，用线性的重建算法就可以得到较好的成像效果，计算量小，可以实现实时成像。其缺点是必须有两个不同时刻的变化的测量值，应用范围较窄。考虑到人体在呼吸过程中肺部的阻抗会发生变化，目前大部分的肺部阻抗研究小组采用的是动态阻抗成像的方法，利用动态阻抗成像对肺部的通气情况进行监视或者指导呼吸机的参数设置。

3.成像维度

       从电阻抗成像的维度可以将胸腔阻抗成像的维度分为2DEIT和3D EIT。2D EIT即用一层电极带重建出电极层位置的阻抗分布图像，其优点是数据量少，电极相对好固定，鲁棒性好，目前有较为成熟的2DEIT模型和重建算法，Drager公司发布的产品也是2D EIT成像；其缺点是能提供的信息有限，在2DEIT中考虑的是电极层位置的阻抗变化，但是实际的测量过程中，在电极层以外的阻抗变化也会对电流的分布产生影响，所以在理论上2DEIT并不能重建出真实的阻抗分布情况。3D EIT即通过多个电极层实现对成像目标的三维重建，其优点是可以提供更多的信息，目前国内有河北工业大学的李颖研究小组，天津大学的王稼祥研究小组等研究小组在进行一些3DEIT肺部成像的尝试；但是3D EIT的缺点也很明显，它的数据量大，系统复杂，鲁棒性差，受模型影响较大，电极固定困难等。以目前的研究成果而言，3DEIT系统在肺部成像中是否真的有意义或者有必要研究还需要进一步的评估，因为3D EIT 系统在多个方面需要更多的代价。第一是硬件成本，3DEIT系统需要更多的采集通道，相应的硬件成本会增加，系统的设计复杂度会大大增加。第二，3DEIT系统需要付出更多的时间成本，对于一个16电极的系统的每次采集数据量是256，对于一个32个电极的系统的每次数据量是1024，EIT每扫描一帧图像的数据量会随着电极数呈平方倍增长，所以在系统的数据采集上就会消耗大量的时间成本；而图像的重建时间也会大大的增加，基于此，如果用普通的串行采集系统，很难实现3DEIT的实时性，如果采用全并行的设计，系统的成本会大幅度增加，并且通道的一致性也会受到影响。第三,系统的可靠性会受到影响，3DEIT意味着需要安装更多的电极，需要更复杂的系统，引入更多的通道一致性噪声。其中电极系统的不稳定，通道的一致性噪声都会直接影响重建图像的质量，如果不能保证电极系统的可靠和稳定，3DEIT系统会失去其价值。第四，3D EIT系统虽然能提供比2D EIT更多的信息，但是这些信息是否对医学诊断有实际的指导意义还需要进一步的评估。