胃排空三層電極模型的EIT仿真研究

重慶郵電大學生物信息學院　李章勇

重慶郵電大學生物醫學工程研究中心　劉兆宇　相尚志　馬成群　司淼淼　夏　爽

1　引言

胃腸道疾病是我國常見的一種慢性疾病，表現形式多樣，且存在近50%的患者出現了胃動力異常，目前關于胃動力功能的研究不如對胃的分泌功能和胃的形態學的研究，主要原因之一是目前缺少方便、有效的胃動力學檢測手段[1]。胃動力的表現方式分為胃排空和胃蠕動兩種形式，其中胃排空功能下降是多種疾病在上消化道的表現。對于消化不良來說，胃排空具有一定的治療指導價值，因為存在胃排空延遲的患者對于胃動力藥物的治療反應優于胃排空正常的患者[2]。生物電阻抗技術是一種利用人體組織和器官的電特性變化規律與人體組織的病理狀況聯系起來的生物醫學檢測技術，其具有方便、無創、廉價以及功能信息豐富的特點[3]。胃在消化過程中，會產生相應的電節律特性變化，該變化信號較強，功能信息豐富，檢測靈敏度較高[4]，因此可以應用電阻抗成像技術（Electrical Impedance Tomography,EIT）來對胃動力異常進行信息提取和處理。

EIT技術是近年來興起的一項無創性功能成像技術，可以實時監測胃體的體積變化情況。具體實現方式是通過配置人體體表的電極陣列，提取相應的電特性信號，通過相應計算，得到可以反映相關組織、器官功能狀態和相應變化規律的功能性圖像[5]。該技術具有準確、易操作、無輻射、適用性廣等優點，適合胃排空檢測。

EIT的核心是電極激勵模型研究和圖像重建算法研究，其中電極激勵模型是對目標區域進行信號采集的部分，圖像重建算法是將采集的信號進行處理而得到功能性圖像的部分。利用EIT技術檢測胃排空信息會受到很多因素干擾，包括皮膚阻抗干擾、呼吸誤差等，關于如何得到更準確的體表信號與胃動力之間的相關聯系，需要優化激勵模型，進行多種模式的嘗試。鑒于胃在人體的位置相對固定，人體體表電極陣列數越少，測量系統的外在干擾越少，因此，本文構建了兩種開放性三層胃區電極激勵模型，研究其在胃排空檢測中的有效性。衡量電極激勵模型的優劣可以用邊界測量電勢范圍，因為動態成像是基于電勢的相對變化來進行圖像重構的，邊界測量電勢越小，成像噪聲越大，穩定性越差，所以在不同電極激勵模型中，擁有比較小的邊界電勢范圍的模型更好[6]。

2　方法

利用COMSOL軟件構件類似于人體的橢圓柱模型，并分成1cm厚的脂肪層和其它填充物，在橢圓柱內構建類似胃體的模型，用以模擬人體腹腔環境。

2.1　1/4面電極模型

在橢圓柱外表面放置點電極，點電極位置為圓柱體右側一面，共三層，每層間隔8cm，每層6個電極，如圖1(a)所示。激勵電極做兩種選擇，一種為激勵與接地上下相鄰，稱為跨層近地模式；一種為激勵與接地距離同層較遠，稱為同層遠地模式，如圖1(b)、(c)所示。

圖1　1/4面電極模型

2.2　2/4面電極模型

將點電極均勻分布在圓柱體右側的前后兩面，其余分布形式同1/4面模型，如圖2(a)所示。激勵電極也同1/4面模型，如圖2(b)、(c)所示，其中遠地模式為跨層遠地模式。

圖2　2/4面電極模型

3　結果

3.1　1/4面電極模型

電極電導率設為1010S/m，脂肪層設為0.037S/m，中間填充物電導率設為0.7S/m，胃模型的電導率設為1S/m、0.5S/m、0.05S/m三種，并分別進行仿真。根據胃排空過程中的胃體積的變化，將胃模型的大小設為1.8倍、1.4倍、1倍三種，并分別進行仿真。選取代表性結果電勢分布如圖3所示。

圖3　1/4面電極模型電勢分布圖

圖4　1/4面電極模型中間截面電勢分布圖

從圖3可以看出，電極模型不同，電勢值并不同，其中近地模型的最高電勢為26.82，最低電勢為15.53；遠地模型最高電勢為12.65，最低電勢為9.359。從圖4可以看出隨著胃體積變大，電勢值逐漸變大，近地模型的電勢變化劇烈，遠地模型的電勢變化較平緩。近地模型的邊界電勢范圍較遠地模型的邊界電勢范圍大，可知近地模型會使成像的穩定性降低，故遠地模型更好。

3.2　2/4面電極模型

電極電導率與橢圓柱電導率同1/4面模型，仿真過程也與1/4面模型相同，選取代表性結果電勢分布圖如圖4所示。

圖5　2/4面電極模型電勢分布圖

圖6　2/4面電極模型中間截面電勢分布圖

從圖5可以看出，近地模型最高電勢為26.87，最低電勢為15.51；遠地模型最高電勢為26.84，最低電勢為15.54。從圖6可以看出隨著胃體積變大，電勢值逐漸變大，近地模型的電勢變化劇烈，遠地模型的電勢變化較平緩。兩種模型的邊界電勢范圍相差很小，較難區分哪個更好，但是可以看出近地模式的電勢變化十分劇烈，在穩定性上較差。

4　結論

以上研究對三維胃區阻抗的兩種不同電極模型進行了分析，對三維胃動力阻抗成像的研究具有重要價值，可以根據對兩種模型的電勢分布觀察可知，遠地模型較近地模型具有更好的穩定性，1/4面電極分布模型和2/4面電極分布模型相互對比可知，1/4面電極分布模型在同樣條件下擁有更穩定的仿真結果。在后續研究中，可以考慮1/4面的遠地電極模型進行系統設計，并進行實物實驗驗證。

[1]周呂,柯美云.神經胃腸病學與動力:基礎與臨床[M].科學出版社,2005.

[2]Marzio L,Falcucci M,Ciccaglione A F,et al.Relationship between gastric and gallbladder emptying and refilling in normal subjects and patients with H.pylori-positive and-negative idiopathic dyspepsia and correlation with symptoms[J].Digestive Diseases & Sciences,1996,41(1):26-31.

[3]任超世.生物電阻抗測量技術[J].中國醫療器械信息,2004,10(1):21-25.

[4]Liu R,Jin C,Song F,et al.Nanoparticle-enhanced electrical impedance detection and its potential significance in image tomography[J].International Journal of Nanomedicine,2013,8(1):33-38.

[5]Huertafranco M R,Vargasluna M,Montesfrausto J B,et al.Electrical bioimpedance and other techniques for gastric emptying and motility evaluation[J].World Journal of Gastrointestinal Pathophysiology,2012,3(1):10-18.

[6]范文茹.生物電阻抗成像技術研究[D].天津大學,2010.