胸阻抗斷層成像儀臨床前解決方案—Sciospec Lung EIT Kit

摘要

德國(guó)Sciospec的胸阻抗斷層成像儀以技術(shù)和性能，正在重新定義醫(yī)學(xué)成像的標(biāo)準(zhǔn)。這款設(shè)備結(jié)合了Fidelity-Embedded Regularization和GREIT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高精度和高分辨率的肺部成像，特別適用于科研單位和醫(yī)療公司檢測(cè)和監(jiān)測(cè)各種肺部疾病的實(shí)驗(yàn)。本技術(shù)文章將詳細(xì)介紹這些核心技術(shù)及其在胸阻抗斷層成像中的應(yīng)用，闡述Sciospec設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)豐富的圖片和文字展示其實(shí)際應(yīng)用效果。文章zui后將總結(jié)其在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛科研應(yīng)用前景，并呼吁醫(yī)療公司和科研單位選擇Sciospec作為可靠的合作伙伴。

一、技術(shù)背景

1.1電阻抗斷層成像（EIT）的基本原理

電阻抗斷層成像（EIT）是一種利用物體內(nèi)部不同部位電阻抗的差異來(lái)重建其內(nèi)部圖像的技術(shù)。它通過(guò)電極陣列在人體表面施加微弱的交流電流，然后測(cè)量由此產(chǎn)生的電壓，從而計(jì)算出不同部位的電阻抗分布。EIT因其無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)、便攜等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，特別是在胸部和肺部成像中。

同時(shí)EIT也是一種用于臨床監(jiān)測(cè)機(jī)械通氣患者的有吸引力的方法，因?yàn)樗梢蕴峁┮环N非侵入性、連續(xù)的肺阻抗圖像，顯示通氣的分布。然而，肺EIT的大多數(shù)臨床和生理研究都是使用舊的和專有的算法進(jìn)行的；這是解釋EIT圖像的一個(gè)障礙，因?yàn)橹亟ǖ膱D像并沒(méi)有得到很好的表征。

1.2Fidelity-Embedded Regularization方法

為了應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)不確定性的病態(tài)逆問(wèn)題，已經(jīng)開發(fā)了眾多圖像重建算法。在20世紀(jì)80年代初，基于X射線CT反投影算法的EIT版本被開發(fā)，常稱為線性化敏感性方法。還開發(fā)了幾種直接方法：層剝離法逐層恢復(fù)電導(dǎo)率分布，D-bar方法基于電導(dǎo)率問(wèn)題的構(gòu)造性唯yi性證明而來(lái)，分解法起源于逆散射問(wèn)題中的形狀重建方法。zui近，離散余弦變換被采用來(lái)減少逆電導(dǎo)率問(wèn)題中的未知數(shù)。有一個(gè)開源軟件包，稱為EIDORS，用于EIT的前向和逆向建模。也有一些新理論結(jié)果顯示在理想的EIT模型下電導(dǎo)率分布的唯yi識(shí)別。

在實(shí)際操作中，S的病態(tài)結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的不穩(wěn)定性。為了應(yīng)對(duì)這一基本困難，通常采用正則化的min二乘數(shù)據(jù)擬合方法來(lái)計(jì)算：

其中λ是適當(dāng)選擇的正則化參數(shù)，R是正則化算子。這樣的圖像重建依賴于λ的選擇（通常是經(jīng)驗(yàn)確定的）和R使用的先驗(yàn)信息，因而會(huì)出現(xiàn)過(guò)度正則化或不足正則化的問(wèn)題。我們提出了一種新的正則化方法，旨在在不依賴正則化參數(shù)選擇的情況下，實(shí)現(xiàn)保真度和穩(wěn)定性的良好性能。通過(guò)研究雅可比矩陣列向量之間的相關(guān)性，我們開發(fā)了一種新的正則化方法，在其中嵌入了數(shù)據(jù)保真度結(jié)構(gòu)。我們還開發(fā)了一種運(yùn)動(dòng)偽影減小濾波器，可在圖像重建前應(yīng)用于數(shù)據(jù)，通過(guò)使用雅可比矩陣的子矩陣。解釋所開發(fā)的方法后，我們描述了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示所提出的嵌入保真度正則化（FER）方法結(jié)合運(yùn)動(dòng)偽影減小濾波器在非常大的正則化參數(shù)值下也能提供穩(wěn)定的圖像重建，因而使方法獨(dú)立于參數(shù)值。

Fidelity-Embedded Regularization方法通過(guò)在正則化過(guò)程中嵌入一個(gè)保真度項(xiàng)，可以更有效地抑制噪聲，提高圖像的分辨率和精度。為了達(dá)到以上目的，我們提出了嵌入保真度的正則化（FER）方法：

公式如下：

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1.3 GREIT算法

EITzui有前途的應(yīng)用之一是在胸腔內(nèi)描述生理事件，因?yàn)樾厍话瑤讉€(gè)在正常功能中電導(dǎo)率變化很大的器官。事實(shí)上，肺功能測(cè)量是這種技術(shù)zui早的生理應(yīng)用之一。EIT在于它能夠非侵入性地測(cè)量胸部阻抗，提供通氣分布的連續(xù)圖像?；谶@些優(yōu)勢(shì)，對(duì)EIT在監(jiān)測(cè)呼吸功能受損患者中的應(yīng)用有很大的興趣。

GREIT（Generalized Reconstruction Algorithm for Electrical Impedance Tomography）是EIT圖像重建的統(tǒng)一方法。它通過(guò)優(yōu)化不同的重建參數(shù)，能夠在保持計(jì)算效率的同時(shí)，生成高質(zhì)量的二維EIT圖像。GREIT算法在肺部成像中的應(yīng)用尤為廣泛，能夠精確識(shí)別肺部的病變區(qū)域，對(duì)肺部疾病的早期診斷和治療具有重要意義。

GREIT的以下規(guī)范已被定義：

使用Sheffield類型EIT系統(tǒng)的單環(huán)電極配置，采用相鄰電流注入和測(cè)量。

基于3D前向模型的2D電導(dǎo)率變化圖像的線性（即實(shí)時(shí)）重建。

定量差分重建，可以為EIT圖像分配單位。

在單環(huán)16、12和8個(gè)電極配置下，將圖像重建到32×32像素陣列中，適用于： 新生兒胸部，男性和女性成年胸部以及圓柱形水箱。

這些規(guī)范代表了我們認(rèn)為在EIT社區(qū)中達(dá)成共識(shí)的領(lǐng)域。我們并不認(rèn)為這些限制是理想的；事實(shí)上，我們積極鼓勵(lì)克服這些限制的工作，例如單環(huán)電極放置及其導(dǎo)致的缺乏3D圖像信息的問(wèn)題。

顯然，這些標(biāo)準(zhǔn)之間存在固有的權(quán)衡，不可能同時(shí)優(yōu)化所有指標(biāo)。因此，我們將按照以下步驟進(jìn)行：首先，我們確定理想算法的期望性能指標(biāo)；隨后，我們描述一種統(tǒng)一的方法來(lái)計(jì)算重建矩陣，該矩陣是在每個(gè)指標(biāo)的重要性權(quán)重下的優(yōu)化折衷。

我們考慮使用Sciospec EIT系統(tǒng)，并使用以下符號(hào)。使用nE個(gè)電極，依次應(yīng)用nE種電流刺激模式，并對(duì)每種刺激模式并行進(jìn)行nV次差分電壓測(cè)量。對(duì)于相鄰驅(qū)動(dòng)EIT系統(tǒng)，通常不在驅(qū)動(dòng)電極處測(cè)量電壓，且nV = nE - 3。每個(gè)數(shù)據(jù)幀測(cè)量一個(gè)向量v ∈ RnM，其中nM = nE * nV數(shù)據(jù)點(diǎn)（如果介質(zhì)沒(méi)有變化，其中一些是冗余的）。差分EIT計(jì)算差分?jǐn)?shù)據(jù)y，([y]i = [v]i - [vr]i)，或歸一化差分?jǐn)?shù)據(jù)[y]i = ([v]i - [vr]i)/[vr]i)，其中vr是對(duì)應(yīng)于背景電導(dǎo)率分布σr的一組參考測(cè)量。為了提高其精度，vr通常在多個(gè)數(shù)據(jù)幀中進(jìn)行平均；這種集合平均可以減少隨機(jī)噪聲。

性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算概要

給定一個(gè)EIT差分或歸一化差分?jǐn)?shù)據(jù)向量y（長(zhǎng)度為nE * nV），我們基于一個(gè)表示為矩陣R的EIT線性重建算法計(jì)算出重建的EIT圖像x?。x?是一個(gè)列向量，表示32×32像素網(wǎng)格的圖像。經(jīng)過(guò)重重優(yōu)化，我們的EIT設(shè)備再一次精進(jìn)了GREIT算法，達(dá)到了科研工作者們的使用目的。

二、技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1 高精度成像

Sciospec胸阻抗斷層成像儀采用了Fidelity-Embedded Regularization和GREIT技術(shù)，能夠在噪聲較高的環(huán)境中，依然保持圖像的高分辨率和高精度。這對(duì)肺部疾病的早期發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)診斷科學(xué)研究具有重要作用。

2.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的肺部監(jiān)測(cè)，對(duì)于需要持續(xù)觀察肺功能變化的患者尤為適用。例如，在重癥監(jiān)護(hù)室中，醫(yī)生可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人的肺部狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整治療方案，提高治療效果。

2.3 無(wú)創(chuàng)檢測(cè)

Sciospec胸阻抗斷層成像儀是一種無(wú)創(chuàng)的檢測(cè)方法，避免了傳統(tǒng)檢測(cè)手段可能帶來(lái)的痛苦和風(fēng)險(xiǎn)。特別適用于兒童、老人等特殊志愿者人群的肺部檢測(cè)。

三、實(shí)際應(yīng)用案例

3.1 重癥監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用

在重癥監(jiān)護(hù)室中，Sciospec胸阻抗斷層成像儀能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)患者的肺部狀況，幫助醫(yī)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)肺部異常變化。例如，對(duì)于急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）患者，設(shè)備可以實(shí)時(shí)提供肺部阻抗圖像，幫助醫(yī)生制定更為有效的呼吸支持策略。

3.2 慢性肺病的管理

對(duì)于慢性阻塞性肺病（COPD）患者，Sciospec胸阻抗斷層成像儀的OEM醫(yī)療合作伙伴利用設(shè)備進(jìn)行日常的肺功能監(jiān)測(cè)，幫助志愿患者和醫(yī)生了解病情變化，及時(shí)調(diào)整治療方案，避免病情惡化。

3.3 肺部腫瘤的早期篩查

在肺部腫瘤的早期篩查中，Sciospec胸阻抗斷層成像儀通過(guò)和國(guó)外z名醫(yī)學(xué)單位合作檢測(cè)到早期的病變區(qū)域，提供高分辨率的肺部圖像，有助于早期診斷和治療，提高患者的生存率。

四、LungEIT 試劑盒的亮點(diǎn)

LungEIT試劑盒配備符合IEC60601-1標(biāo)準(zhǔn)的安全功能，確保可靠和安全的運(yùn)行。

該試劑盒包括所有必要的附件，如布線和電極帶，可無(wú)縫應(yīng)用于肺部成像。

集成在Sciospec的軟件套件中，專用的肺成像應(yīng)用程序有助于輕松高效地進(jìn)行肺部成像。

該設(shè)備允許用戶開發(fā)自己的應(yīng)用程序，確保靈活性和定制性，并與EIDORS等標(biāo)準(zhǔn)兼容。

通過(guò)心電圖同步和外部傳感器和設(shè)備的隔離I/O等模塊，增強(qiáng)了研究能力。

五、核心優(yōu)勢(shì)

5.1 輕松進(jìn)入肺部成像

LungEIT試劑盒提供了很簡(jiǎn)單的肺部成像入口，提供了一種即用型解決方案，簡(jiǎn)化了初始設(shè)置和應(yīng)用過(guò)程。唯yi能為您提供研究系統(tǒng)靈活性的解決方案，并結(jié)合了醫(yī)療安全功能的優(yōu)勢(shì)，從而簡(jiǎn)化了進(jìn)入臨床環(huán)境和研究的方式。

5.2 創(chuàng)新與測(cè)試

該試劑盒允許用戶在進(jìn)樣模式和測(cè)量參數(shù)方面自由配置，訪問(wèn)原始數(shù)據(jù)，開放接口，并與EIDORS等標(biāo)準(zhǔn)兼容。Sciospec LungEIT試劑盒擁有您嘗試想法、構(gòu)建創(chuàng)新研究和產(chǎn)品所需的一切。為了進(jìn)一步遷移到商業(yè)規(guī)模的應(yīng)用，我們提供定制的OEM版本的EIT解決方案，以滿足您的產(chǎn)品需求。

5.3 全面的支持和附加組件

我們的試劑盒包括所有必要的組件和專用應(yīng)用程序，確保您的肺部成像研究的起點(diǎn)。如果您需要超越這一點(diǎn)，我們有無(wú)數(shù)的選擇來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)，從擴(kuò)大通道數(shù)、增加外部傳感器和儀器的接口或同步到ECG信號(hào)——我們都能滿足您的需求。當(dāng)事情變得復(fù)雜時(shí)，我們經(jīng)驗(yàn)豐富的專家會(huì)在您身邊，支持您構(gòu)建應(yīng)用程序。

六、技術(shù)規(guī)格

6.1 并行測(cè)量與同步切換

真正的并行測(cè)量和緊密同步的切換可實(shí)現(xiàn)快速幀速率，并且具有我們EIT平臺(tái)的所有功能，該套件擁有肺部成像和任何其他EIT應(yīng)用所需的一切。

高達(dá)100 fps的高幀率

通道數(shù)從16到256

醫(yī)療級(jí)安全功能（符合ISO 60601-1標(biāo)準(zhǔn)）

多頻測(cè)量范圍從100 Hz到1 MHz

無(wú)數(shù)選項(xiàng)，如ECG同步和隔離I/O，用于與外部傳感器和設(shè)備集成

6.2 易于使用的軟件

Sciospec LungEIT試劑盒配備了我們直觀的軟件套件，包括專用的肺部成像應(yīng)用程序。這使得配置和運(yùn)行EIT測(cè)量變得非常容易和快速，包括美觀的圖像重建。對(duì)于那些想要擴(kuò)展這一點(diǎn)并使用自己的算法或進(jìn)行不同類型的數(shù)據(jù)處理的人，我們提供了許多選項(xiàng)，包括自定義重建矩陣、原始數(shù)據(jù)導(dǎo)出和EIDORS兼容性。具有數(shù)據(jù)訪問(wèn)能力，還具備強(qiáng)大的功能，支持各種研究和開發(fā)需求。

6.3安全特性

外殼：防止電路與外部設(shè)備或人員接觸，屏蔽測(cè)量前端（降噪）和機(jī)械安全

醫(yī)療級(jí)電源：外部隔離的AC/DC轉(zhuǎn)換器為設(shè)備供電，并可獨(dú)立電池操作

隔離的全速USB接口：用于儀器控制和數(shù)據(jù)讀取

以太網(wǎng)接口：標(biāo)準(zhǔn)RJ45接口，用于遠(yuǎn)程控制儀器

IsoIO模塊：低級(jí)通信接口，包括硬件同步和靈活可編程的IO標(biāo)準(zhǔn)（如UART、SPI、I2C）

測(cè)量和控制模塊：包括測(cè)量控制、信號(hào)處理、激勵(lì)生成和模擬測(cè)量功能

AC耦合前端：用于測(cè)量端口的AC耦合模塊，隔離儀器與測(cè)量對(duì)象或患者接口

結(jié)論

Sciospec胸阻抗斷層成像儀是一款科研型設(shè)備，為臨床前醫(yī)學(xué)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)，胸阻抗斷層成像儀融合了Fidelity-Embedded Regularization和GREIT技術(shù)，提供了高精度、實(shí)時(shí)、無(wú)創(chuàng)的肺部成像解決方案。無(wú)論是在對(duì)志愿單位重癥監(jiān)護(hù)、慢性病管理還是腫瘤篩查中，這款設(shè)備都展示出了優(yōu)勢(shì)。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，Sciospec將繼續(xù)致力于為醫(yī)療行業(yè)提供更為可靠的科研設(shè)備，助力健康事業(yè)的發(fā)展。

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