三層電極電阻抗斷層成像胃排空檢測模擬實驗研究

王磊 趙舒 鄧娟 王妍 沙洪

300192天津，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所

三層電極電阻抗斷層成像胃排空檢測模擬實驗研究

王磊 趙舒 鄧娟 王妍 沙洪

300192天津，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所

目的 采用三層電阻抗斷層成像（EIT）系統(tǒng)進(jìn)行胃排空檢測模擬實驗，驗證多層EIT胃排空檢測方法的有效性。 方法 設(shè)計、構(gòu)建三層EIT系統(tǒng)和胃排空檢測模擬實驗裝置，重建模擬胃排空過程的電阻抗變化圖像，設(shè)置電特性變化興趣區(qū)，連續(xù)記錄每一層上興趣區(qū)域在每一幀圖像上的相對阻抗變化率值，以形成排空曲線，計算胃排空時間。 結(jié)果 三層圖像興趣區(qū)阻抗隨時間變化曲線的形態(tài)差異明顯，各層圖像的胃排空時間與過程也不相同。提示胃排空過程中，不同層面胃區(qū)的電阻抗圖像所反映的食物到達(dá)和經(jīng)過的情況是不一樣的；同時，驗證了本研究的三層EIT方法用于胃排空檢測的必要性和可行性。 結(jié)論 三層EIT胃排空檢測方法可提供更為豐富的與胃排空病理和生理狀態(tài)相聯(lián)系的胃動力功能信息，可望為胃排空和胃動力檢測與評價研究提供一種方便有效的無創(chuàng)圖像檢查手段。

電阻抗斷層成像； 三層圖像； 胃排空； 模擬實驗

0 引 言

胃排空功能下降是多種疾病的上消化道表現(xiàn)或疾病發(fā)生前生理功能衰退的表現(xiàn)[1]。研究表明，近半數(shù)的功能性消化不良患者存在胃排空延遲。對于消化不良[2]，因為胃排空延遲的患者對胃動力藥的治療反應(yīng)明顯優(yōu)于胃排空正常的患者，所以胃排空值具有一定的治療指導(dǎo)和預(yù)后判斷的價值。胃-食管反流性疾病往往與整個上消化道的動力異常有關(guān)[3]，因此了解胃排空情況對病因的診斷和治療的選擇均會有幫助。胃輕癱綜合征，簡稱胃輕癱，是以胃排空延遲為特征的癥狀群，大量國外資料顯示，大多數(shù)的糖尿病患者有胃排空延遲[4-6]，故及時了解和掌握胃排空情況，并診斷和治療糖尿病胃輕癱，將有助于血糖的控制。胃排空檢測的另一重要應(yīng)用是檢測食管和胃手術(shù)前、后的動力變化，其可幫助確立診斷和選擇合理的手術(shù)方式，以及制定進(jìn)一步的治療方案[7]。胃動力藥物的發(fā)展也促進(jìn)了胃排空檢測的臨床需求[8]，已有許多不同機(jī)制的胃動力藥可供臨床選擇。采用胃排空檢測判斷藥物療效更具優(yōu)勢，可用于篩選胃動力異常的治療藥物。

目前臨床常用的胃排空檢測為核素測定方法，是將放射性核素標(biāo)記的藥物混勻于標(biāo)準(zhǔn)試餐內(nèi)，口服后經(jīng)伽瑪照相機(jī)在胃區(qū)進(jìn)行連續(xù)照相，根據(jù)胃內(nèi)食物放射性核素的量的變化來評價胃排空的時間，也是目前胃排空測定的金標(biāo)準(zhǔn)[9]。但是核素具有放射性，不適合孕婦和嬰幼兒，且設(shè)備較昂貴，需要專門的技術(shù)人員。超聲檢查可清楚地顯示胃竇的形態(tài)與結(jié)構(gòu)及胃腔有無異常擴(kuò)張及狹窄[10]。通過實時超聲可觀察到胃收縮、舒張、胃壁蠕動及液體通過幽門等情況，觀察胃排空與核素顯像方法具有良好的相關(guān)性。但是超聲檢查要用于消化過程的長時間檢查，在操作技術(shù)上還存在不少困難，而且僅限于測定液體排空，不適合測定固體排空，因為腔內(nèi)氣體較多時會影響檢測結(jié)果。

電阻抗斷層成像（electrical impedance tomography,EIT）技術(shù)以人體組織、器官的電阻抗特性及其變化為依據(jù)，通過配置于人體體表的電極陣列，提取與人體生理、病理狀態(tài)相關(guān)的組織或器官的電特性信息，給出反映組織、器官功能狀態(tài)及其變化規(guī)律的功能性圖像結(jié)果[11]。其主要優(yōu)勢在于實現(xiàn)無損傷功能性成像和圖像監(jiān)護(hù)，可以實時圖像的方式直接顯示體內(nèi)胃體的容積變化情況，具有準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、重復(fù)性好、容易操作、非侵入性、無輻射作用及液體固體食物均適用的特點，非常適合胃排空檢測[12]。

胃是消化管中最膨大的部分，大部分位于腹部上區(qū)，小部分在左季肋部和臍部。如圖1所示，胃可分為賁門、胃底、胃體、胃竇和幽門5個部分。胃的入口處稱為賁門，與食管相連接；胃底是胃-食管連接處水平以上的部分；胃體介于胃底和胃竇之間，面積最大；胃竇是胃的遠(yuǎn)端部分；胃的出口處稱為幽門，與十二指腸壺腹部相連接。食物通過食管進(jìn)入胃到排出幽門的過程中，胃底、胃體和胃竇起著不同的作用。

采用單層EIT進(jìn)行胃排空檢測的方法與應(yīng)用研究已顯示出良好的臨床應(yīng)用前景[13]。但是單層EIT胃排空檢測所獲得的圖像只反映電極陣列層面位置的電特性信息，很難完整表達(dá)胃部不同區(qū)域及在排空過程中，胃的整體運動與胃內(nèi)食物的動態(tài)變化。本研究提出一種三層EIT胃排空檢測方法，設(shè)計、構(gòu)建了胃排空模擬實驗檢測裝置，以研究三層EIT胃排空檢測方法的有效性。

圖1 胃的解剖示意圖

1 檢測系統(tǒng)與實驗裝置

1.1 三層電阻抗斷層成像實驗檢測系統(tǒng)

本研究設(shè)計的三層EIT系統(tǒng)（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所研制）包括3層電極陣列（每層8個電極）、激勵電流源、阻抗信息檢測模塊、基于現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）的系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集模塊及計算機(jī)圖像重建和信號處理等部分（圖2）。激勵電流源包含直接數(shù)字頻率合成（DDS）信號發(fā)生器和電壓電流轉(zhuǎn)換電路，三層檢測系統(tǒng)共用一個激勵電流源，通過激勵選通開關(guān)控制電流注入電極，激勵頻率為100 kHz，電流大小為2 mA（p-p）。單層電阻抗信息檢測包含8路信號檢測，3層共24路，對于單層成像來說，一次激勵的有效信號為5個（需去除與激勵電極對相關(guān)的3個信號），完成一層圖像重建需要循環(huán)激勵8次共40個有效信號；然后切換到下一層電極進(jìn)行激勵和檢測，完成3層電阻抗圖像的信息檢測共120個有效數(shù)據(jù)。每一路電阻抗信息檢測包含屏蔽驅(qū)動電路、前置放大電路、程控放大電路、二次放大濾波電路、交直流解調(diào)電路和8通道24位同步AD采樣電路。激勵電流源的控制和數(shù)據(jù)采集的控制通過主控FPGA芯片完成，并將數(shù)據(jù)采集的結(jié)果通過USB上傳到計算機(jī)，以進(jìn)行圖像重建。根據(jù)圖像重建結(jié)果選取電特性變化興趣區(qū)域，連續(xù)記錄每一副圖像中興趣區(qū)域的相對阻抗變化率以形成胃排空曲線。

圖2 三層電阻抗斷層成像系統(tǒng)框圖

1.2 胃排空檢測模擬實驗裝置

胃排空模擬裝置包括鹽水槽、三層環(huán)狀電極、支架、電機(jī)系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、絲桿和食物模型（圖3）。鹽水槽為內(nèi)徑25 cm、高30 cm的有機(jī)玻璃圓柱桶，用于模擬人體上腹部胃部區(qū)域；三層環(huán)狀電極均勻分布在鹽水槽內(nèi)壁上（自下而上為第1層、第2層和第3層），層間距為5 cm，每層均勻分布16個錳鈦合金電極（可用于8電極或16電極EIT模擬檢測），電極片高2 cm、寬1.5 cm、厚0.1 cm；鹽水槽頂端為一個有機(jī)玻璃材料制成的長25.6 cm、寬10 cm、高10 cm、壁厚1.5 cm的板凳支架；電機(jī)和傳動系統(tǒng)固定在支架的平面板上，傳動系統(tǒng)由一個齒輪和皮帶輪組成，電機(jī)旋轉(zhuǎn)通過齒輪帶動絲桿上下運動，食物模型為亞克力圓型扁柱體，固定于絲桿的底部，隨絲桿同步運動。以食物模型從鹽水槽底部位置逐步上升并浮出鹽水槽水面來模擬食物進(jìn)入胃底到排出幽門的過程。采用三層EIT系統(tǒng)采集鹽水槽邊界電特性信息進(jìn)行三層圖像重建，其輸出速率為5次/s，每次3幀。在每一層重建圖像中選取與食物模型對應(yīng)的區(qū)域為興趣區(qū)（ROI），連續(xù)記錄每一興趣區(qū)阻抗的相對變化率隨時間的變化情況，以形成排空曲線。根據(jù)三層圖像興趣區(qū)阻抗的變化可計算食物在胃部不同區(qū)域的排空和整體排空時間。

圖3 三層電阻抗斷層成像胃排空模擬裝置

2 結(jié) 果

在本研究設(shè)計的三層EIT胃排空模擬實驗裝置中，背景（鹽水）電導(dǎo)率設(shè)為0.5 S/m，模擬胃內(nèi)組織電特性環(huán)境；以空場時3個電極層面的圖像作為參考圖像，模擬空腹時的情況；食物模型從鹽水槽底部按照設(shè)定的速度逐步上升，直至浮出水面，以模擬其在胃內(nèi)的運動和排空過程。食物模型從鹽水槽底部到浮出水面的過程用時220 s，按5幀/s圖像計算，每一層總計采集1 100幀圖像。圖4A、4B、4C分別代表食物模型上升到鹽水槽不同位置時，第1、2、3層的同步重建圖像。A1～A6、B1～B6、C1～C6分別為胃排空過程中第1、2、3電極層阻抗的相對變化，每幅圖像間隔200幀。圖4中的3層圖像清楚表明，食物模型運動過程中到達(dá)鹽水槽不同位置時引起各電極層的電特性狀況改變，反映了食物模型運動導(dǎo)致的電特性及其變化，有效模擬了食物在胃內(nèi)的運動和排空過程。提取每一層圖像興趣區(qū)阻抗變化信息可得到3層胃排空圖像的電特性隨時間的動態(tài)變化曲線（圖5），圖中的藍(lán)、紅、綠線分別代表食物模型排空過程中第1、2、3電極層圖像興趣區(qū)的相對阻抗變化情況，其中藍(lán)色、紅色和綠色圓點分別代表食物模型排空過程中各層圖像興趣區(qū)相對阻抗變化的最大值。依據(jù)圖5曲線可計算第1電極層位置從藍(lán)色圓點處到相對阻抗變化率值為零的時間為190 s，第2層為118 s，第3層為46 s。食物從第1電極層運動到第2電極層的時間與從第2電極層運動到第3電極層的時間相等（72 s），這一結(jié)果與電極層的等距離設(shè)定相吻合。三層圖像從相對阻抗變化率最大值（圓點處）下降到零的時間各不相同，以及其興趣區(qū)阻抗隨時間的變化曲線的形態(tài)差異提示了胃排空過程中，胃區(qū)不同位置的圖像結(jié)果所反映的食物到達(dá)和經(jīng)過的情況是不一樣的。表明本研究的三層EIT方法用于胃排空檢測，可提供更為豐富的胃內(nèi)食物的運動信息，更有效地反映食物在胃內(nèi)不同部位的運動狀態(tài)和較完整的排空過程。驗證了本研究采用三層EIT胃排空檢測方法的必要性與可行性，表明多層面胃興趣區(qū)域的阻抗變化可為胃排空和胃動力研究與臨床評價提供信息更為豐富的檢測手段。

3 結(jié)論

研究表明，超過半數(shù)的胃腸疾病患者存在胃動力異常，胃部疾病一般從胃動力失調(diào)開始，向惡性化方向發(fā)展，并一直伴隨胃動力異常，其是胃腸疾病的源頭之一。有些胃動力失調(diào)患者就是因為未及時去醫(yī)院就醫(yī)而耽誤了最佳治療時間，進(jìn)而演變成胃炎、胃潰瘍甚至胃癌。明確胃動力障礙癥狀、檢查表現(xiàn)、病理生理機(jī)制及治療方法選擇之間的關(guān)系，始終是胃腸病學(xué)專家努力的方向。胃排空過緩和過速是胃動力異常的主要臨床表現(xiàn)。對于各種類型的胃動力異常，盡管胃排空值只能提示而不能診斷某種疾病，但在排除器質(zhì)性原因之后，明確外在癥狀和內(nèi)在胃動力異常的關(guān)系對臨床成功進(jìn)行診斷和治療均有很大幫助。食物從食道進(jìn)入胃底到排出幽門是一個緩慢和復(fù)雜的過程，其間很容易受到各種因素的影響。單層電阻抗斷層成像（EIT）方法用于胃排空檢測提取的是胃部某一個層面的電特性信息，很難完整表達(dá)不同胃區(qū)在排空過程中的情況。本研究的三層EIT技術(shù)用于胃排空過程檢測，可望提取食物排空過程中，胃不同部位的電特性變化規(guī)律，以獲取更加豐富的與胃排空病理和生理狀態(tài)相聯(lián)系的胃動力功能信息。三層EIT胃排空測量可望為胃排空和胃動力檢測與評價研究提供一種方便有效的無創(chuàng)圖像檢查手段，具有良好的應(yīng)用前景。

利益沖突 無

（圖4、5見插頁2-4）

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Simulation research on gastric emptying measurement experiment by electrical impedance tomography with three-layer electrodes

Wang Lei,Zhao Shu,Deng Juan,Wang Yan,Sha Hong
Institute of Biomedical Engineering,Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College,Tianjin 300192,China Corresponding author:Sha Hong,Email:shahong2000@163.com

Objective To verify the effectiveness of electrical impedance tomography(EIT)with multi-layer electrodes in gastric emptying measurement by simulation experiments using EIT with three-layer electrodes. Methods Firstly,EIT system with three-layer electrodes and gastric emptying measurement simulation equipment was designed and constructed to simulate gastric emptying process and obtain EIT reconstruction images.Secondly, the region where the electrical characteristic of gastric changes was selected as region of interest.Finally,the relative impedance change rate in region of interest for every image obtained from all three layers was consecutively recorded, then the gastric emptying curve was formed and gastric emptying time was calculated.Results There are obvious differences among the sharp of impedance change curves of interested region for three layers,and the gastric emptying time and process of each layer is also different from one another.It is suggested that the passing path and emptying manner of food in gastric emptying process reflected by EIT images varied from layer to layer.Therefore,the necessity and feasibility of using EIT with three-layer electrodes in gastric emptying measurement study is verified. Conclusions EIT with three-layer electrodes can provide more abundant information of gastric motility function associated with gastric emptying pathology and physiology state.It is likely to be a noninvasive,convenient and effective imaging method for the detection and evaluation research on gastric emptying and gastric motility.

Electrical impedance tomography; Three-layer imaging; Gastric emptying; Simulation experiments

National Natural Science Foundation of China(81301288)

沙洪，Email：shahong2000@163.com

10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．02．009

國家自然科學(xué)基金（81301288）

2016-01-30）