电阻抗成像技术的原理及其发展
生物医学电阻抗成像技术
生物医学电阻抗成像技术
陈晓艳;顾鹏;常晓敏
【期刊名称】《生命科学仪器》
【年(卷),期】2017(015)003
【摘要】医学超声造影是一种能显著增强医学超声检测信号的新的医学超声成像方式.本文从造影剂的产生、发展、结构特点及应用领域等进行了简要的叙述,重点介绍了针对造影剂的信号分析,成像方法,纳米级造影剂的研究进展及临床应用前景,为人们全面了解超声造影技术提供了参考与借鉴.
【总页数】5页(P3-7)
【作者】陈晓艳;顾鹏;常晓敏
【作者单位】天津科技大学,天津,300222;天津科技大学,天津,300222;天津科技大学,天津,300222
【正文语种】中文
【中图分类】TH7
【相关文献】
1.中国生物医学工程界的新军——记中国科学院苏州生物医学工程技术研究所研究员胡军 [J], 王涵
2.面向生物医学工程专业的生物医学传感技术教材改革浅析 [J], 胡克;王伟;朱松盛;竺明月;段磊;吴小玲
3.中南大学生物医学工程研究院简介生物医学工程学是一门生命科学与工程技术相结合的具有高度综合性的学科。
它所包含的分支领域有：基因工程、组织工程、医
疗器械、生物力学、光电子学、材料学、生物信息学、计算机应用、纳米生物技术、人工器官、康复医学、医学成像技术等。
是 [J],
4.中欧专家牵手应对生物医学技术发展中的伦理困惑——生物医学和生物技术研究的伦理管理研讨会·第一次研讨在京召开 [J], 刘海客;李恩昌
5.生物医学电阻抗成像系统信号源的设计与实现 [J], 陈晓艳;熊伟
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开放式电阻抗成像基本原理和仿真实验研究
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｅ ｅ ｔ ｉａ ｍ ｐ ｄ ｎ ｅ Ｔｏ ｏ ｒ ｐ ｙ：Ｂａ ｉ ｅ ｒ ｔ ｄ ｎ Ｏｐ ｎ Ｅｌｃ ｒｃ ｌＩ ｅ ａ ｃ ｍ ｇ ａ ｈ ｓｃ Ｔｈ ｏ ｙ，Ｓ ｍ ｕ ａ ｉｎ ａ ｄ Ｅｘ ｅ ｉ ｅ ｔ ｉ Ｗｅ ｈ ａ・ ｎ ｉ
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Ｏｃｏ ｅ ２ ０ ｔｂ ｒ ０８
开 放 式 电 阻 抗 成 像 基 本 原 理 和 仿 真 实验 研 究
何传红 何 为 黄 嵩 徐 征 张占龙
（ 重庆 大 学 电 气 工程 学 院输 配 电装 备 及 系统 安 全 与新 技 术 国 家 重点 实 验 室 ， 庆 重 ４０ ３） ０００
电阻抗断层成像技术综述
电阻抗断层成像技术综述
徐桂芝;杨硕;李颖;颜威利
【期刊名称】《河北工业大学学报》
【年(卷),期】2004(033)002
【摘要】介绍了生物医学工程的重要研究课题之一的电阻抗断层成像(EIT)技术,它是利用对物体表面的电测量来重建反映物体内部结构及功能变化图像的一种新颖的计算机影像技术.本文对EIT技术的发展、正问题、逆问题及硬件系统作了较为详细的介绍,并给出本课题组在该研究方面所取得的部分结果.
【总页数】6页(P35-40)
【作者】徐桂芝;杨硕;李颖;颜威利
【作者单位】河北工业大学,电气与自动化学院,天津,300130;河北工业大学,电气与自动化学院,天津,300130;河北工业大学,电气与自动化学院,天津,300130;河北工业大学,电气与自动化学院,天津,300130
【正文语种】中文
【中图分类】TM153
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电阻抗检测原理
电阻抗检测原理
电阻抗检测原理是一种通过测量电路中的电阻抗来判断电路性
能的方法。
电阻抗是指电路中的电阻和电抗的总和，是电路对交流
电的阻碍程度。
电阻抗检测原理在电子工程、通信工程、医学影像
等领域有着广泛的应用。
电阻抗检测原理的基本概念是根据电路中的电压和电流之间的
关系来确定电路的阻抗。
在交流电路中，电压和电流不是简单的线
性关系，而是通过电阻、电感和电容等元件相互作用而产生相位差。
因此，通过测量电路中的电压和电流，可以计算出电路的电阻抗。
电阻抗检测原理的关键在于使用合适的仪器和方法来测量电路
中的电压和电流。
常用的方法包括使用示波器、信号发生器和多用
表等仪器进行测量。
通过测量电路中的电压和电流的幅值和相位差，可以计算出电路的电阻抗。
电阻抗检测原理在医学影像中有着重要的应用。
例如，生物组
织对不同频率的交流电具有不同的电阻抗，通过测量生物组织的电
阻抗可以得到组织的电学特性，从而用于医学影像的诊断和治疗。
另外，在电子工程和通信工程中，电阻抗检测原理也常用于测试电
路的性能和质量。
总的来说，电阻抗检测原理是一种通过测量电路中的电阻抗来
判断电路性能的方法。
通过测量电路中的电压和电流，计算出电路
的电阻抗，可以帮助工程师和医生了解电路和生物组织的电学特性，从而应用于不同领域的工程和医学应用中。
eit 参数-解释说明
eit 参数-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述电阻抗层析成像(EIT)是一种无创、无辐射的医学成像技术，它通过测量物体内部的电阻抗分布情况，重建出物体的内部结构和电导率分布。
EIT 技术起源于上世纪80年代，经过多年的发展，已经在医学、工业、环境监测等领域得到了广泛的应用。
本文将对EIT技术的参数进行深入探讨。
作为EIT技术的基础，了解和研究EIT的参数对于提高成像质量、优化成像算法以及拓展EIT在不同领域的应用非常重要。
在本文的正文部分，我们将会介绍EIT的定义以及它在医学、工业和环境监测领域的应用。
随后，我们将重点关注EIT参数的意义和测量方法，对不同参数的影响进行分析和讨论。
在结论部分，我们将总结EIT参数的重要性，归纳总结EIT参数的测量方法，并展望EIT在不同领域的应用前景。
最后，我们将以一段简短的结束语来总结本文的主要观点。
通过本文的阅读，读者将对EIT技术的参数有一个全面的了解，为进一步研究和应用EIT技术提供理论基础和指导。
文章结构部分的内容：本文将按照以下结构来探讨EIT参数的相关内容：1. 引言1.1 概述：介绍EIT参数的基本概念和背景，以及其在科学研究和工程领域中的重要性。
1.2 文章结构：介绍本文的结构和各个章节的内容安排。
1.3 目的：阐明本文的研究目的和探讨重点。
1.4 总结：总结引言部分，为接下来的正文做铺垫。
2. 正文2.1 EIT的定义：详细阐述EIT参数的定义和基本原理，包括电阻成像技术和电导成像技术。
2.2 EIT的应用领域：探讨EIT在医学、工业、环境等领域的广泛应用，包括生物成像、流体监测、材料检测等方面。
2.3 EIT参数的意义：强调EIT参数在实际应用中的重要性，如影响图像质量和定量分析的准确性等。
2.4 EIT参数的测量方法：详细介绍常用的EIT参数测量方法，包括电极布置、信号注入和数据处理等方面。
3. 结论3.1 对EIT参数的重要性的总结：总结EIT参数对成像结果和分析的重要性，以及当前研究中存在的问题和挑战。
AD5933阻抗测量芯片原理及其应用
AD5933阻抗测量芯片原理及其应用AD5933芯片的工作原理基于频率扫描技术。
频率扫描技术的基本原理是通过改变信号的频率，从而改变信号在被测物体中的传播速度和吸收程度，进而得到被测物体的阻抗数值。
AD5933芯片内部集成了数字锁相放大器、频率合成器和模数转换器等电路，可以实现频率扫描功能。
在生物医学领域，AD5933芯片能够用于测量生物体的阻抗，实现生物电阻抗成像。
生物电阻抗成像是一种无创且实时的成像技术，可以用于观察和分析生物体组织中的电阻抗分布情况，从而提供有关组织状态和功能的信息。
AD5933芯片可以通过扫描不同频率的信号，测量生物体不同部位的阻抗，并将测量结果反馈给计算机进行处理。
这种成像技术在医学诊断、医疗监测和健康评估等方面具有重要的应用价值。
在电化学领域，AD5933芯片可以用于电化学阻抗谱的测量。
电化学阻抗谱是通过测量电化学系统在不同频率下的电流响应来得到的，可以提供关于电化学体系性质和界面特性的信息。
AD5933芯片的高精度和稳定性使其能够准确地测量电化学体系的阻抗，并通过计算得到电化学参数。
这对于电化学传感器、电化学储能器件等的研究和开发具有重要意义。
在控制系统领域，AD5933芯片可以用于多变量控制系统、自适应控制系统和非线性控制系统的阻抗测量。
阻抗测量可以提供控制系统所需的关键参数，如体系动态特性和输入输出关系，从而实现对复杂控制系统的精确分析和设计。
AD5933芯片的高精度和快速响应能力使其适用于工业控制系统、航空航天控制系统等领域。
总之，AD5933阻抗测量芯片通过频率扫描技术实现了对复阻抗的高精度测量，广泛应用于生物医学、电化学和控制系统等领域。
它为这些领域的研究、诊断和控制提供了重要的技术支持，具有广阔的应用前景。
电阻抗检测原理
电阻抗检测原理电阻抗检测是一种用于测量生物组织电学特性的方法，它通过测量生物组织对交流电的阻抗来获取组织的电学参数，从而实现对组织状态的监测和分析。
电阻抗检测原理是基于生物组织对电流的传导和阻抗特性进行分析，通过对生物组织的电学特性进行测量和分析，可以实现对组织的健康状况进行评估，并为临床诊断和治疗提供参考依据。
首先，电阻抗检测原理基于生物组织对交流电的传导特性。
生物组织是一种具有一定电导率和介电常数的复杂介质，当生物组织受到交流电刺激时，电流会在组织内部传导，而不同类型的组织对电流的传导特性也会有所不同。
通过测量生物组织对交流电的传导情况，可以获取组织的电导率和介电常数等电学参数，从而实现对组织状态的监测和分析。
其次，电阻抗检测原理还基于生物组织对交流电的阻抗特性。
生物组织在受到交流电刺激时会产生阻抗，即组织对交流电的阻力和反应。
不同类型的生物组织对电流的阻抗特性也会有所不同，通过测量生物组织的阻抗情况，可以获取组织的阻抗谱，从而实现对组织状态的监测和分析。
此外，电阻抗检测原理还基于生物组织的电学特性与组织状态的关联。
生物组织的电学特性受到组织结构、细胞状态、液体含量等多种因素的影响，而这些因素又与组织的健康状况密切相关。
通过对生物组织的电学特性进行测量和分析，可以获取组织的健康信息，从而实现对组织状态的监测和分析。
综上所述，电阻抗检测原理是基于生物组织对交流电的传导和阻抗特性进行分析，通过测量生物组织的电学特性，可以实现对组织状态的监测和分析。
电阻抗检测在临床诊断、生物医学研究等领域具有重要应用价值，可以为医学诊断和治疗提供重要参考信息，有着广阔的发展前景。
希望通过对电阻抗检测原理的深入研究和应用，可以更好地实现对生物组织状态的监测和分析，为人类健康事业做出更大的贡献。
关于电阻抗断层功能成像技术的发展
关于电阻抗断层功能成像技术的发展【关键词】电阻抗断层图像关键词: 电阻抗断层图像;功能成像;参数成像;频谱成像;三维成像摘要: 电阻抗断层图像技术是继形态、结构成像之后出现的新一代功能成像技术.在多个临床领域，阻抗断层成像与现有方法相比具有明显优势.作者综述功能成像，虚部成像、参数成像、频谱成像和三维成像等EIT技术的新发展.Keywords:electrical impedance tomography;functionalimaging;parametric imaging;spectroscopic imaging;3D imagingAbstract:Electrical impedance tomography is a new genera-tion of functional imaging developed in recent ten or more years after the morphology and structure imaging technolo-gy.It suggests that EIT could offer significant advantages over existing methods in the areas of clinical medicine.This paper reviews some new techniques including the functional imaging，the imaginary imaging，the parametric imaging，the spectroscopic imaging，and3D imaging.0 引言电阻抗断层图像技术（electrical impedance tomog-raphy，EIT）是当今生物医学工程学重大研究课题之一.它是继形态、结构成像之后，于近20a才出现的新一代更为有效的无损伤功能成像技术.EIT通过配置于人体体表的电极阵，提取与人体生理、病理状态相关的组织或器官的电特性信息，不但反映了解剖学结构，更重要的是可望给出功能性图像结果.这是CT、超声等其他成像技术无法与之相比的.EIT不使用核素或射线，对人体无害，可以多次测量，重复使用，可以成为对患者进行长期、连续监护而不会给患者造成损伤或带来不适的医院监护设备.加之其成本低廉，不要求特殊的工作环境等，因而是一种理想的、具有诱人应用前景的无损伤医学成像技术［1］ .1 功能成像当疾病发生时，相关组织与器官的功能性变化往往要先于器质性病变和其他临床症状.在经过一定的功能代偿期或潜伏期后，发展成器质性病变，出现组织与器官结构性变化或其他临床症状.如能在疾病的潜伏期或功能代偿期，即在组织与器官结构性变化出现之前，及时检测和确认该组织与器官的功能性变化，对于相关疾病的普查，预防和早期诊断与治疗将是非常有利的.与疾病发生时的情况相对应，当疾病治愈、康复时，相关组织与器官的功能恢复也往往滞后于疾病的治愈.在疾病的康复期，监测和确认病愈组织与器官的功能恢复情况，对于疾病的康复指导和愈后评价是十分有效和重要的.向功能性检查和疾病的早期诊断发展，向疾病的康复和愈后评价延伸，这是现代医学发展所追求的目标.检测与评价人体组织与器官的功能性变化，正是EIT技术的优势.EIT所采用的生物阻抗技术，提取的是与组织和器官的功能变化相联系的电特性信息，对血液、气体、体液和不同组织成分及其变化等具有独特的鉴别力，对那些影响组织与器官电特性的因素，如血液的流动与分布，肺内气体容量变化，体内体液变化与移动等非常敏感.以此为基础，进行心、脑、肺循环系统的功能评价，血液动力学与流变学在体动态研究，肿瘤的早期发现与诊断以及人体组成成分分析等功能成像研究，是EIT显示优越性，展现其诱人应用前景的广阔天地［2］ .2 EIT图像1991年后，各种EIT方法不断涌现出来，但都以给出像素信息为特点.归纳起来，其图像信息可以是:在频率f1 处的导纳或阻抗绝对值（静态像）;频率f2 与参考频率f1 的相对导纳值（准静态像）;在频率f1 处的介电率绝对值（静态像）;频率f2 与参考频率f1 的相对介电率（准静态像）;频率f1 处导纳随时间的变化（动态像）;频率f1 处介电率随时间的变化（动态像）;频率f2 与参考频率f1的介电率相对值;频率f2 与参考频率f1 的导纳相对值;频率f1 处的相位;复导纳或复阻抗的Cole-Cole图.这种图上的像素可以是:特征频率 RC或SC或R/S或R或S或C的变化信息.3 虚部成像由于生物组织自身具有复阻抗特性，生物膜性质的改变、细胞内外液变化等特性与复阻抗的虚部成分关系非常密切.所以，随着研究的深入，研究者对虚部阻抗变化和多频率阻抗投入更多的关注［3，4］ .1987年，Griffiths等［5］通过计算机模拟证实了应用EIT信号中的实部和虚部测量结果进行介电率成像的可能性.1991年Griffiths等［6］报告了使用40.96kHz频率，测量的人体阻容模型和自愿者呼吸期间阻抗变化的复阻抗图像，其中实部像显示了清晰的肺部边界，虚部像的内容难以解读.Jossinet等使用精心设计的前级电路以降低杂散电容，进行了31.25kHz和250kHz双频率的测量，用信号的实部和虚部成分重建了容性阻抗目标图像.Blad［7］测量了16.7～100kHz频段上的实部和虚部电压信号，以50kHz的虚部信号做参考，50kHz与16.7kHz之间的容抗变化可显示呼气时的肺部图像.Osypka等描述了10～50kHz频段，16电极16通道并行信号处理的多频EIT系统，计算和存储实部和虚部的所有数据，频率为20kHz时，一幅图像的数据采集时间约56ms.迄今为止，可行的在体应用重建算法是差值算法，这种算法只能对异纳，或阻抗的变化进行成像.在绝对值成像中，以足够的精度解前向问题还存在难度，尽管已取得了一些进步［8，9］，但离解决问题看来还有相当的距离.前向问题原本就是三维的，这增加了计算规模，限制了成像目标形态的测量精度和电极构型.差值成像的另一个问题是在两组测量数据之间不能有运动发生，否则图像中会出现伪差.离体实验中获得的优于图像直径10%的分辨率，在体情况下很难实现.因为提高分辨率需要增加电极数，而电极数目的增加也同时提高了对运动和其他伪差的灵敏度.除非在技术上有大的突破，否则单频率EIT至少在医学应用方面已经几乎达到了它的性能极限.4 参数成像电阻抗谱断层成像（EITS），可生成组织阻抗随频率变化的图像，向静态成像发展［10］为了通过阻抗谱描述组织特征，必须在一个合适的阻抗模型中引入相关参数，Cole模型（RSC电路）是最基本的模型.若想用多频率数据来拟合一个Cole-Cole模型，则可用数据越多模型参数的确定性越好.Cole模型中阻抗取决于3个参数:R，S，C，而重建的像素信息可以是变量R，S，C，R/S，RC或SC，也可以是特征频率Fc=［2π（R+S）C］-1 .因为像素或体元的信息至少依赖于3个变量（R，S，C），更可能是4个变量（R，S，C和离散参数）.在1994-04法国土鲁斯举行的欧洲阻抗断层成像会议上，第一次出现了以R/S，SC，RC和特征频率为参数的肺在体图像.对12名正常人进行了临床应用实验，高特征频率和低SC，RC值区域与肺组织的解剖位置符合，还给出了肺和心脏区域的特征值.使用8个驱动电极和8个接收电极的Sheffield EITS系统监测了10名婴儿.用Cole公式求出了R/S，特征频率，RC和SC参数.将这组参数与在另一研究中收集的正常成人数据进行比较表明，取得新生儿肺的EITS参数像是可能的，成人组和新生儿组的Cole参数有区别［11］ .对屏息状态下的7名受试者，采用ECG控制的EITS进行肺部测量的结果提示，这项技术可测量由心搏引起的肺阻抗变化.多频率测量的潜力显而易见，在离体组织样品上测量到的，作为频率函数的各组织间复数电特性的明显差异，和这些数据的模拟成像表明，获得器官结构的参数像是可行的.使用Cole模型可使这些特性量化到相当精确的程度.差值方法将一频率范围的测量值与某个参考频率下的值相比较，形成这些电特性（例如组织的特征频率）图像，并表征绝对组织特性.这些图像不反映导纳的绝对值，它们是参数像，对与组织特性相关的特定变化敏感，包括与疾病相关的变化.图像重建中的一个重要问题是怎样将与频率相关的变化应用于图像重建，以及信号中的实部和虚部数据是否都需要.因为信号幅度变化通常小于差值成像的变化，所以差值成像的线性要求要更为满意.然而由于信号较小，主要是虚部成分，使这些系统的分辨率受到进一步的限制.5 三维成像为了进行三维电阻抗成像，必须对整个体积内的测量数据进行图像重建，但是要象X线成像那样获得一组彼此独立的二维图像是不可能的.在X线扫描中使用反投影进行图像重建相对容易，因为X线在人体中传播的离散率很低，衰减主要取决于其圆柱形传播路径上组织的吸收率.但电流成三维发散分布，其边界上的电位差因阻抗的三维分布而异.考虑平面外电流，设目标为对称圆柱或平面以外区域为均匀的修正二维算法，已有初步结果［12］ .Sheffield研究组使用三维电极阵进行全三维成像［13］ .系统采用64电极数据采集装置和专用矩阵技术.32独立电流驱动和32电压测量通道环绕被测对象.重建算法将被测区域分成4608个四面体单元，每层576个单元共8层.与二维算法一样，使用Geselowitz关于电导幅值的微小变化引起物体边界上电位差改变的灵敏度理论，建立了3136×4608元素的灵敏度矩阵.应用Moore-Penrose伪逆技术进行矩阵的逆运算.尽管所发表的图像在横截面上的分辨率只有直径的10%，而轴向截面上的分辨率只有12.5%，却显示了有希望的前景，为新的发展开辟了道路.作者使用该三维系统进行临床试研究其在探测肺栓子方面的可行性.为了改善EIT的分辨率，降低噪声，很多人探索新的重建算法和误差修正方法.Mengxing等［12］报道了一种称为严格EIT重建算法改进的通用求逆算法（MGIA）.通过减少前向矩阵F的条件数和改进的有限元方案来降低噪声，此MGIA可适合更大的有限元模型（248元）.计算机模拟证明MGIA较之GIA的重建图像具有更低的误差率.Taktak等［13］研究了针对某一通道由于电极脱落等原因引起的数据采集失败情况下的数据恢复算法，并使用盐水池模拟单通道数据采集失败的图像重建检验该算法，结果明显地改善了图像质量，估计会对婴儿的EIT监护的数据恢复有所帮助.Vauhkonen等［14］提出一种生成Tikhonov调整矩阵的方法:近似子空间逼近先验阻抗分布假设法，模拟实验证实，生成的调整矩阵在先验信息正确时，较其他方法得到的重建图像更准确，先验信息错误时，生成的调整矩阵也能较好地重建图像.参考文献:［1］ Ren Cs，Wang H，An Y.Development of electrical bioimpedance technology in the future 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电阻抗成像中有限元法的算法实现
电阻抗成像中有限元法的算法实现电阻抗成像（ResistivityImaging，RI）是一种地球物理学技术，它可以用于探测地下的地质构造和矿物资源。
电阻抗成像的核心是一种以电阻率为目标的成像技术。
它可以提供非入侵性、全地球视角，快速、无损耗地测量地下物质结构，特别是深部地质成分。
电阻抗成像中有限元法被用作研究地球物理学中的电阻抗成像问题，但是在复杂大型系统中，有限元法算法仍然是一个挑战。
首先，有限元法是一种经典的数值方法，该方法用来求解偏微分方程组。
它将求解的区域分割成一系列相互连接的小单元，通过利用这些小单元的内积弱形式，建立起系统的整体形式。
该方法可以处理任何形状的物质体，对于复杂的物质构造，它具有更高的计算效率。
其次，在利用有限元法解决电阻抗成像问题时，有以下几个基本步骤：（1）定义空间坐标和有限元网格；（2）建立有限元空间模型；（3）计算各个有限元的电阻和电流；（4）利用牛顿迭代法求解电流流动在空间网格结构中的电阻系数。
第三，当电阻系数求解完成后，就可以进行地球电阻抗成像。
它需要在空间网格中定义一组测量点，采集电阻抗参数和电流流量的观测值，然后使用测量数据对电阻抗模型进行参数拟合，使用拟合参数得到电阻系数分布图，绘制地球电阻抗成像图。
最后，电阻抗成像中有限元法的算法实现可以实现电阻抗成像的高精度测量和快速运算，同时也可以用于分析复杂的物质构造和结构特征。
有限元法的优点在于可以求解任何形状的物质体，风格灵活，同时运算速度快，效率高，对复杂的系统和大型系统也能满足高精度的求解要求。
但是，由于网格细化费时费力，耗费计算资源，它还可能发生无法收敛和信号丢失等问题。
因此，电阻抗成像中有限元法的算法实现需要选择合适的网格细化程度，同时通过引入新的求解技术，如多面体网格有限元法，提高求解效率，解决上述收敛和信号丢失的问题。
另外，在实施电阻抗成像测量时，也可以采用其他技术，如地阻抗测量技术和无线电波测量技术，来实现较高的测量精度和解决电阻抗成像中的技术问题。
电阻层析成像
电阻层析成像电阻层析成像（Electrical Resistance Tomography, ERT）是一种非侵入式的成像技术，利用电流通过物体时的电阻变化来重建物体内部的电导率分布。
它广泛应用于医学、工业领域以及地质勘探等领域。
电阻层析成像的原理是利用电流通过物体时，不同组织或介质对电流的导电性有不同的响应。
当电流通过物体时，不同组织或介质对电流的传导有不同的阻力，从而产生不同的电压分布。
通过测量物体表面上的电压分布，可以推断出物体内部的电阻分布情况。
通过多个测量点的电压分布，可以建立一个数学模型，并利用数值计算方法来求解物体内部的电阻分布，从而得到物体内部的电导率分布。
电阻层析成像技术具有许多优点。
首先，它是一种非侵入式的成像技术，无需对被测物体进行破坏性操作。
其次，电阻层析成像可以实时监测物体内部的电导率分布，能够提供连续的成像结果。
此外，电阻层析成像的设备相对简单，成本较低，易于实现。
电阻层析成像在医学领域应用广泛。
在医学影像诊断中，电阻层析成像可以用于检测人体内部的异常情况，如肿瘤、内脏器官的炎症等。
通过测量人体表面的电压分布，可以重建人体内部的电导率分布，从而实现对病灶的检测和定位。
与传统的X射线成像相比，电阻层析成像无辐射，安全性更高。
在工业领域，电阻层析成像可以用于监测材料的质量和流动状态。
例如，在注塑过程中，电阻层析成像可以实时监测塑料熔体的流动情况，检测是否存在气泡、缺陷等问题。
此外，电阻层析成像还可以应用于液体分布的监测、管道堵塞的检测等工业应用。
在地质勘探中，电阻层析成像可以用于地下水的探测和矿产资源的勘查。
通过测量地下的电阻分布，可以了解地下水的分布情况，指导水资源的开发利用。
同时，电阻层析成像还可以用于矿产资源的勘查，通过测量地下矿体的电阻分布，可以推断出矿体的位置和形状。
然而，电阻层析成像技术也存在一些挑战和局限性。
首先，由于电流在物体内部的传导受到许多因素的影响，如电极接触电阻、电极位置等，所以测量结果可能存在一定的误差。
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北京航空航天大学学报980204北京航空航天大学学报 JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS 1998年4月 第24卷 第2期
科技期刊
电阻抗成像技术的原理及其发展1)程吉宽 孙进平 杜 岩 柳重堪（北京航空航天大学 电子工程系） 摘 要 介绍了一种新的图像重建技术——电阻抗成像（EIT）技术.它根据物体内部不同物质的导电参数（如电阻率、电容率）的不同，通过对物体表面电流、电压的施加及测量来获知物体内部导电参数的分布，进而重建出反映物体内部结构的图像.作为一个数学物理反问题，EIT技术具有其本身的特点和难点，因而目前还处于探索性研究阶段.本文在EIT数学物理模型基础上对整个EIT技术作了较为全面的介绍，包括理论原理、技术上的难点、系统分析、以及目前国际国内的研究现况和研究方向.通过对ACT3的介绍，对EIT系统的具体实现也做了简要分析. 关键词 图像处理；重建；数据采集；反问题；电阻抗成像(EIT) 分类号 TM 938.84
EIT(Electrical Impedance Tomography)技术是一种新颖的图像重建技术.它根据物体内部不同物质的导电参数（如电阻率、电容率）的不同，通过对物体表面电流、电压的施加、测量来获知物体内部导电参数的分布，进而重建出反映物体内部结构的图像.
1 EIT技术简介 1.1 EIT的原理 EIT的图像重建过程实质上是利用边界测量数据求解物体内部电阻率分布函数ρ的过程.测量时通过加在物体表面的电极向物体注入电流，测量物体表面电压分布，然后利用重构算法得到物体内部电阻率分布.例如人体不同组织和体液就具有不同的电阻率，并且当某些组织发生病变时，电阻率也会相应发生变化.EIT数学模型由下述椭圆方程边值问题描述：
(1)(2)file:///E|/qk/bjhkhtdxxb/980204.htm（第 1／6 页）2010-3-22 15:21:50万方数据北京航空航天大学学报980204(3)式中 V、J分别为边界电压和边界电流密度分布；ρ为待求电阻率分布函数;Ω为物体所在空间区域，Ω为其边界.由于边界形状的复杂性，一般采用有限元（FEM）方法来求解EIT正问题（指在ρ设定情况下，求F(ρ)=V的过程，对于给定的注入电流J，F:ρ→V）.由于已知的边界信息（2)、(3）式比唯一确定（1）式的解所需要的信息多，所以可利用这些多余的边界条件用最优化迭代算法求解ρ，这也就是EIT的反问题.图1为EIT系统的基本构成框图.
图1 EIT的系统框图1.2 EIT技术的难点 EIT本身的困难在于反问题的非适定性（Hadamard意义下）.文献［1］说明了EIT固有病态（inherent ill-posedness），即边界电压数据的微小扰动可能引起解的巨大变化，这就要求EIT测量系统有很高的精度.另一个困难是它的信息量小，虽然可以用增加电极个数的方法来增加测量数据量.但就现有算法而言，数据量的增加往往使得计算量迅速增长.同时，电极数目的增加也是有限度的.此外，目前最大可实现的生理性阻抗变化只引起测量电压10%的变动，所以通常认为EIT测量硬件必须有至少0.1%的精度.如何实现系统的高精度、高分辨率和算法的快速收敛是目前EIT技术的主要难点.
2 EIT研究的现状及方向 EIT自70年代末提出，80年代初中期进展一直较为缓慢，直到80年代末特别是进入90年代以来，才进入了迅速发展时期.EIT的研究目前主要包括3个方面：图像重建算法、数据采集的理论及方法和系统实现以及EIT的应用，下面将分别予以介绍. 2.1 图像重建算法 EIT有两种不同的图像重建方式：动态式成像和静态式成像.动态式成像利用两个不同时刻的测量数据，通过图像重建算法来获得这两个时刻电阻抗分布的差值，从而重构出一幅S差分图像.动态式成像是图像重建算法中发展较早的一类，EIT最初的研究
者Barber等人便是采用这种方法.动态式成像主要是反投影型算法［2，3］，其优点是许
多测量数据中的噪声可以在相减时得到消除，因而它的图像重建算法对数据采集系统的要求不是太高，实现起来容易，另外它的计算量一般也较小.缺点是应用范围窄.如果在数据采集的两个时刻电阻抗分布没有变化，则它不能成像.因为它的推导过程是基于电流在同一平面内流动的，所以该类算法难以推广到一般的三维情况，即使在一些特
file:///E|/qk/bjhkhtdxxb/980204.htm（第 2／6 页）2010-3-22 15:21:50万方数据北京航空航天大学学报980204殊情况下的推广［3］,也并不象静态式成像那么直接.
静态式成像重建算法的发展则相对较晚一些，但由于其应用的广泛性及相对较好
的成像效果，受到普遍重视［4］，已成为EIT成像重建算法研究的主流.现在流行的算
法主要是Newton-Raphson类算法［4～6］.另外扰动算法［7］,拟Newton类算法［8］，以
及一些特殊的算法［9,10］，也得到发展.静态式成像的缺点：计算量大，抗噪声性能较
差.如何解决这个问题，已成为EIT技术研究的重点和难点.以Newton类算法为例，每步迭代必须计算Jacobi矩阵，而每计算一次矩阵需求解关于正问题的有限元刚度方程组P×N次（P为注入电流次数，N为未知数个数，一般为几百甚至几千），计算量之大由此可见.在这方面，文献［8］中提出的基于快速梯度算法的拟Newton算法是解决计算量随分辨率提高而迅速增长的有效手段，它避开了Jacobi矩阵的计算，使计算量大为减少.由于最优化中的拟Newton类算法有多种形式、多种改进，因而EIT的这类算法有着较好的发展前景. 由于EIT反问题的病态，造成图像重建算法对测量数据中的噪声以及计算中的舍入误差特别敏感.如何设计出数值稳定性较好的图像重建算法是很重要的.特别地，如何改进现有算法使之数值稳定性得到提高，也将是EIT算法研究中的重要方面.这方面的工作，文献［6］成功地将Newton-Raphson算法进行了改进，使之抗噪声能力得到明显提高，同时计算量还有所减少. 2.2 数据采集理论和系统的实现 数据采集理论是EIT技术的重要组成部分.良好的数据采集方法不仅可以提高数据采集的信噪比，而且还有助于提高图像重建算法的收敛速度.增加电极个数以增大采集数据量虽然是提高整个EIT系统抗噪声能力的重要方法，但数据量的增加往往导致图像重建算法计算量的大幅增加，而且电极个数的增加也是有限度的.最优电流理论自从
Isaacson D的开创性工作［11］以来，已有很大的进展［12～14］，是目前EIT的重要研究
方向之一.其目的，一是减少测量误差的影响，二是增加算法的收敛速度.最优即指注入的电流能使相应的边界电压数据的改变为最大.最优电流理论是抗噪声能力最强的数据采集方法，可使SNR（信噪比）达到最大.目前所使用的自适应电流注入法即将最优电流组加至所有电极，在图像重建的迭代过程中，自适应地改变最优电流组，以提高EIT的分辨率.最优电流组依赖于未知电阻率分布函数和对电阻率分布函数的当前估计值（迭代值），这给实际应用造成了一些困难，文献［13］中介绍的计算最优电流的直
接方法克服了这一困难，在某些应用场合，Walsh电流组使用起来更为方便［14］.
目前，模拟集成技术的发展十分迅速，VLSI以及DSP（数字信号处理器）的普及，使得EIT系统的设计尽可能地使用数字技术，模拟部分也尽可能地使用集成元件.一是为了提高系统的稳定性，二是充分使用数字技术，提高系统SNR.采用DSP技术，可实现实时的快速数据处理和系统的模块化，对于EIT在不同场合下的应用提供灵活性.因而，在目前比较成功的EIT系统中，都采用了DSP来进行数据的快速处理.比如Sheffield小组的实时APT(Applied Potential Tomography)系统，就采用了美国德州仪器公司的DSP来进行测量数据的快速处理和图像重建.在文献［15］中对基于DSP（Motorola 的DSP 9600）的EIT系统作了比较详细的介绍. 在发展和完善已有的理论和方法的同时，也在探索实现EIT技术的其它新方法和新
途径，比如近年来提出的感生电流EIT技术［16］.这种技术的优点是采集数据中的噪声
比较容易控制，电极系统设计简单；缺点是数学物理模型复杂，设备也相对复杂，这
file:///E|/qk/bjhkhtdxxb/980204.htm（第 3／6 页）2010-3-22 15:21:50万方数据北京航空航天大学学报980204种方法目前还在发展中. 2.3 EIT的当前研究动态 目前对EIT技术研究比较成功的小组有美国的Wisconsin小组及Renselaer小组，英国的Sheffield小组.Wisconsin小组着重算法研究，Renselaer小组则在系统设计和算法研究上都作出了有价值的工作.下面介绍的ACT3系统即是该小组1993年描述的第3代EIT设备.Sheffield大学医学院已制成EIT商售样机，销往美英各大学和医院.英国的UMIST和美国Wisconsin大学图像处理实验室也对动态图像的重构进行了大量的模拟实验.就目前所发表的EIT系统而言，动态成像系统一般能达到心肺功能监视等成像生理活动的目的，但成像质量离实用还有很大的距离.静态成像目前仍然处于实验阶段.国内从80年代
末开始EIT技术的研究，目前在算法方面取得了比较大的进展［8，9］，但在系统实现
方面，一直没有大的突破,同国外比较，仍有很大的差距.
3 EIT数据采集系统及相关应用技术介绍3.1 EIT系统ACT3介绍 ACT3（第三代Adaptive Current Tomography）是Rensselaer小组1993年描述的新一
代EIT系统［17］.该系统为32电极系统，能够输入任意模式的电流，电流值和电压测量
均达到16bit精度，采集1组完整电压数据的时间约为133ms.此外系统可自动校正电压测量和电流源，以及在计算机控制下调整电流源输出阻抗.系统相位解调的精度达到16bit，相当于在输入为满幅正弦信号时SNR要达到104dB.为达到这样高的SNR，系统用DSP构成的数字解调器代替模拟解调.电流源电压波形输出采用数字合成方法，即将采样后的正弦波数据存于PROM中，顺序读取后通过MDAC输出为模拟波形，此方法可保证电流源输出相位和幅度的稳定.另外精度为16bit时，电流源输出阻抗不能小于64MΩ，在ACT3中使用程序控制的数字电位器来调节电流源输出阻抗.ACT3的安全措施包括：输入电流的限幅，为使输入电流在人体安全电流以内，电极电流的峰值被限制为0.5mA；当系统发生误操作时，地回路电流监视部分将切断所有的电极连接；数据通讯的光隔离等. 3.2 EIT系统主要误差分析 1) 电极