EIT操作手册（2）

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Dräger PulmoVista® 500 应用的 EIT 原则

胸腔内区域生物电特性的动态测定

PulmoVista 500（图 9）被设计为临床使用的肺功能监测器，它通过应用电阻抗断层扫描 (EIT) 技术连续生成肺功能的横截面图像。

为了进行生物阻抗测量，在胸壁周围放置一个包含 16 个电极的电极带。此外，必须将一个参考电极连接到身体的中心点（图 10），最好是在腹部。参考电极确保不同电极对的所有测量值都参考相同的电势。

测量原理

PulmoVista 500 通过将已知的交流电“I1”施加到第一对电极并测量其余 13 个电极对处产生的表面电位“Vn”来确定胸腔内生物阻抗的分布（图 11）。应用欧姆定律，根据已知的施加电流和测量电压确定注入电极和测量电极对之间的生物电阻抗。随后，相邻的电极对用于下一次电流应用，并执行另外 13 次电压测量。注射和测量电极对的位置依次围绕整个胸部旋转。

一整圈在 16 个电极位置创建电压分布，每个位置包含 13 个电压测量值（图 13）。由此产生的 208 个值，也称为帧，用于重建一个横截面 EIT 图像。

图 12：受试者内部等势线的分布。当前应用旁边的电压 (C) 最高，如白色所示。电流施加对面的电压（D）最低，用深蓝色表示

图像重建

在具有均匀生物电特性的对象表面施加电流 (A) 会导致对象内部电位的可再现分布（图 12）。由于施加电流，胸部中具有相同电位的区域称为等电位线 (B)。

等电位线的分布有助于身体表面的可预测电压分布

图 13：存在阻抗局部增加时的电压偏差曲线。在该图中，白色和浅蓝色代表非均匀介质中电压分布的偏差。没有偏差的电压用黑色表示

对象阻抗 (E) 的区域性增加会导致构成一帧的 16 个电压配置文件中的每一个发生变化。无论在何处施加电流，阻抗的区域增加总是会导致阻抗增加区域“后面”的电压增加。

最初由 Barber 和 Brown [16] 描述的 Sheffield 反投影重建算法利用类似于计算机断层扫描的原理，被开发用于将记录的电压分布编译成横截面图像。

重建算法将 16 个电压分布相互叠加（图 14）。通过应用选择性边界过滤消除了重建伪影。结果图像（图 15）显示了在正确位置增加阻抗 (E) 的区域。

与 CT 扫描一样，显示的 EIT 图像的投影是从尾部到颅骨。这意味着图像的左侧显示患者的右侧。图像的上部显示患者的腹侧。

然而，正如 Yorkey 等人所描述的那样。  [17]，谢菲尔德反投影重建算法具有一些固有的局限性，例如固定到圆形对象的几何形状，无法抑制损坏的数据，并且在电流注入和电压测量的顺序方面没有灵活性。此后已经证明迭代逼近方法（例如 Newton-Raphson 算法）可提供更好的结果。

由于这些原因，PulmoVista 500 使用基于有限元方法 (FEM) 的线性牛顿-拉夫森重建算法将帧的 208 个电压转换为椭球 EIT 图像。

这种方法将电极平面分成 340 个三角形元素，其中每个元素都被赋予了均匀和各向同性的生物电特性（图 16）。

对于该网格内阻抗值的任意分布，该方法允许计算模型边界节点处产生的表面电压，这是所谓的“正向问题”的数值解。

然而，对于 EIT 图像的重建，该方法是相反的：在测量体表电压后，通过将它们与灵敏度矩阵相乘，将它们的相对变化输入 Newton-Raphson 重建算法。该矩阵在过去几年中通过考虑来自数百名患者的真实 EIT 数据进行了优化。

该算法将相对阻抗变化分配给每个单独的有限元，以实现 FEM 的这个所谓“逆问题”的数值解与实际电压分布的最佳匹配（图 17）。

在图像重建之后，三角形结构被转换为矩形图案（“协同配准”）以进行进一步的图像处理（图 18）。此外，还应用了边界伪影的阻尼。

在下一步中，使用高斯滤波器来平滑图像（图 19）。

高斯滤波广泛用于图形软件，通常用于减少图像噪声和细节。这种技术的视觉效果是平滑的模糊，类似于通过半透明屏幕查看图像。高斯平滑也被广泛用作计算机视觉算法中的预处理阶段，以增强不同尺度的图像结构。

每个 EIT 图像由一个 32 × 32 像素的矩阵组成。为了创建更大的图像以获得更好的图形表示和可解释性，双线性插值允许将 EIT 图像的虚拟分辨率增加到任意大小的矩阵，因为更大格式的 EIT 图像可以让观察者更好地分离显示的结构（ 图 20)。但是，图像的基本分辨率保持不变。

肺组织的生物电特性

正如附录 II 中详细讨论的那样，众所周知，肺组织的阻抗随空气含量而变化。因此，在 EIT 敏感区域内发生的通气和呼气末肺容积的变化会导致在体表测量的电压发生变化。潮汐（阻抗）变化和潮汐量之间的相关性通常很高（图 21），并且已经在各种验证研究中进行了评估（参见第 8 章）。

在人类中，从残气量到总肺活量的吸气操作会将局部生物阻抗放大约 300% [18, 19]。

心脏活动和灌注会导致胸部生物阻抗从舒张期到收缩期的变化范围为 3% [20]。

血管外肺水、身体运动和皮肤电极电阻也可能对胸部生物阻抗产生各种影响。

EIT 敏感区

在 EIT 的上下文中，术语“EIT 敏感区”描述了晶状体形状的胸腔内体积，其阻抗变化有助于生成 EIT 图像。

该 EIT 敏感区域的实际厚度和形状取决于胸部的尺寸、生物电特性和形状，尤其是其内部的形态结构。此外，经胸生物电特性的均匀程度也对该 EIT 敏感区域的尺寸有影响。

与 PulmoVista 500 一起使用的电极带使用 40 毫米宽的电极。因此，靠近体表的 EIT 敏感区域至少有 40 毫米厚。敏感区域的厚度朝向主体的中心区域增加。阻抗变化的影响随着与横截面距离的增加而降低（图 22 左）。增加与横截面的距离会使阻抗变化的位置靠近体表，沿着所描绘的投影线朝向中心区域（图 22 右）。然而，由于阻抗变化的贡献随着与横截面距离的增加而减小，因此对图像的影响是有限的。

功能性 EIT

PulmoVista 500 执行功能性 EIT，这意味着它主要显示作为肺功能结果的相对阻抗变化，即通气和呼气末肺容积变化。如果信号未被过滤，还会显示与心脏相关的阻抗变化。通过仅显示相对阻抗变化而不是绝对阻抗值来消除影响绝对阻抗的因素。

因此，PulmoVista 500 生成的动态图像包含有关 EIT 敏感区域内不同肺区域功能状况的信息。