01
引言
近年來生物醫學成像技術得到長足發展。其中,電阻抗斷層成像(Electrical Impedance Tomography, EIT)是一種新穎的生物成像技術,基本原理是通過給生物組織施加安全電流(小于 5mA),在生物組織內形成電流場,測量物體表面的電壓,分析電磁場在體內的響應,最后重構物體內部的電導率分布圖像。
EIT技術自誕生以來,便被視為臨床醫學中重要的輔助成像工具,尤其是在的生物的監測中,該技術目前已經發展到了與臨床應用十分接近的階段。EIT的無創、無輻射、便攜、可進行功能性成像等優點使其廣泛應用于醫學、地質勘探等成像領域。近期,國內外很多大型研究機構已經將EIT技術應用于監測呼吸機誘發或伴隨機械損傷的相關研究中。因此,利用 EIT技術在生物組織的相關研究中變得尤為重要。而且,在與X-CT、核磁共振成像、超聲波成像的對比中,EIT成像成本低廉、操作簡單以及對人體幾乎沒有損失,得到了眾多研究者的青睞。
成像技術 | 成像特點 | 清晰度 | 成本 | 簡易性 | 人體損傷性 |
X-CT | 解剖成像 | 清晰 | 昂貴 | 復雜 | 損傷 |
核磁共振成像 | 解剖成像與功能性成像 | 清晰 | 昂貴 | 復雜 | 損傷 |
超聲波成像 | 解剖成像與功能性成像 | 清晰 | 適中 | 簡便 | 輕微 |
EIT | 功能性成像 | 模糊 | 低廉 | 便捷 | 輕微 |
表 1-1:對各種醫學成像技術進行對比
02
EIT 系統的組成
EIT 系統主要由硬件平臺以及軟件成像算法構成,硬件平臺主要負責數據測量,在正弦信號的激勵下,從表面獲取信號并解調出能反應生物組織電導率分布的數值,后期在軟件重構成像算法中得到圖像。
圖1-1:EIT的簡要測量模型
上海昊量光電設備有限公司代理的德國Sciospec公司的EIT設備,為國內外科研院所提供了多種類型的設備,包括單通道、多通道的EIS設備和不同電極的EIT設備。我們的EIT設備的特點如下:我們的EIT設備以16電極為主,可以實現32、64、128以及256電極的測試,且是獨立通道。測試時間快,實時傳輸幀率最高可達100fps,精度達到±100ppm。設備測試范圍在100Hz 到1MHz,測試精度可以達到±100ppm (at 25°C),電流范圍可以控制在100nA到10mA,控制精度達到2.81μA。此EIT設備還有醫療級IsoIOport隔離同步模塊,醫療級隔離IO接口,醫療級電源和醫療級等各種隔離保護的能力,來保障使用者安全使用。
設備詳細參數如下:
激勵和測試頻率
頻率范圍 | 100Hz 到1MHz |
分辨率 | 40μHz @ 10kHz 2mHz @ 10kHz < f <500kHz 220mHz @ f>500kH |
絕對精度 | ±100ppm (at 25°C) |
溫漂 | ±10ppm |
長期穩定性 | ±5ppm first year |
激勵電流
電流范圍 | 100nA到10mA |
分辨率 | 2.81μA |
最大連續輸出電流 | 50mA |
規范電壓 | ±11V |
測量時間
幀率 | 0.1-100fps |
絕對時間精度 | ±100ppm |
幀到幀抖動 | ±200ns |
頻率掃描設置
掃描類型 | 線性,對數,列表 |
掃描點 | 1-128 |
注入/激勵模式掃描設置
模式數量 | 1-256 |
注入切換延遲 | 600μs(默認) |
表 1-2
03
EIT的使用方法展示
圖1:設備前后面板,測試通道16*2
圖2:實驗過程,水缸以及插在水缸上的16個電極,可以支持32個通道
圖2為現場測試,在我們連接好設備,打開軟件,做好校準后,就可以用Sciospec設備來測試生物的電阻抗,結果會以成像的形式展現給我們,從而更直觀的將生物體內與電阻抗有關的特性(比如說病變)體現出來。以下展示利用EIT設備測試不同物體的表現。
圖3:實驗數據界面展示
圖4:在水缸中測量橘子實時阻抗圖像展示
紅色的部分勾勒出物體的大致形態,且紅色部分會隨著物體的變化而不斷移動位置,這個變化的快慢取決于采集圖像幀的速度。設備的通道數越多,成像的清晰度就會越高。
圖5:特別設計的EIT芯片,用于微流控測試
圖6:利用EIT芯片測試物體實時圖像
04
總結
電阻抗斷層成像技術相對其它的成像技術,具有自身的優勢。在未來的生物成像領域研究中定會發揮巨大的作用。Sciospec公司提供商用化的EIT設備,設備性能優越,是研究者提供實驗的高效武器,同時設備類型多種多樣,針對不同客戶的需求提供OEM定制品。
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