趙志博，代 萌，付 峰，曹新生，文治洪，王 航，代 靜，王春晨，高志軍，劉 洋，楊 琳*

（1.空軍軍醫(yī)大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，西安 710032；2.空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，西安 710032；3.空軍軍醫(yī)大學(xué)航空航天醫(yī)學(xué)系，西安 710032）

0 引言

腦卒中（分為缺血性腦卒中和出血性腦卒中）具有發(fā)病急、病情兇險(xiǎn)等特點(diǎn)，已成為我國(guó)居民的第一位死亡原因，同時(shí)也是導(dǎo)致我國(guó)成人殘疾的首位病因[1]。臨床實(shí)踐表明，早期檢測(cè)和治療是改善腦卒中預(yù)后的關(guān)鍵[2]。目前，CT 和MRI 是診斷腦卒中的臨床金標(biāo)準(zhǔn)，但因設(shè)備體積龐大且價(jià)格昂貴，無(wú)法用于基層社區(qū)醫(yī)療單位或急救車等院前急救，患者只有到達(dá)醫(yī)院后方可行CT 或MRI 檢查，往往錯(cuò)失最佳治療時(shí)機(jī)[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前僅有3%～5%的缺血性腦卒中患者能在“時(shí)間窗”內(nèi)得到溶栓治療[4]。因此，臨床上迫切需要一種在院前急救階段便能夠開(kāi)展快速檢測(cè)與鑒別腦卒中的診斷技術(shù)。

多頻電阻抗斷層成像（electrical impedance tomography，EIT）是EIT 的一種成像模式，其基于人體組織的阻抗隨頻率變化的特性（阻抗頻譜特性），利用在同一時(shí)刻、多種頻率的測(cè)量數(shù)據(jù)重構(gòu)人體內(nèi)的阻抗分布，又被稱為準(zhǔn)靜態(tài)EIT[5]。與傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)EIT 相比，多頻EIT 具有不需要其他時(shí)刻數(shù)據(jù)作為參考的特點(diǎn)，在一次性快速檢測(cè)腦卒中方面極具潛力，有望成為快速檢測(cè)腦卒中的成像技術(shù)[6]。

由于多頻EIT 的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，利用多頻EIT 快速檢測(cè)腦卒中引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。諸多研究小組分別在組織阻抗頻譜測(cè)量[7]、多頻EIT 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[8]和成像算法[9]等方面開(kāi)展了研究，為多頻EIT 檢測(cè)腦卒中奠定了良好的基礎(chǔ)。截至目前，多頻EIT 尚無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際，制約其研究進(jìn)程的一個(gè)重要原因是腦卒中病灶對(duì)多頻EIT 邊界電壓譜特性的影響情況尚不清晰，致使無(wú)法深入開(kāi)展具有針對(duì)腦卒中檢測(cè)的特異性研究。為此，本文在課題組前期建立的人頭三維模型基礎(chǔ)上，系統(tǒng)性仿真不同位置、不同體積以及不同性質(zhì)的腦卒中病灶對(duì)多頻EIT 邊界電壓譜的影響，并量化分析多頻EIT 邊界電壓譜特征，獲得檢測(cè)和鑒別腦卒中的最優(yōu)頻率段，以期為未來(lái)多頻EIT 檢測(cè)腦卒中研究奠定良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 真實(shí)人頭模型的構(gòu)建

基于真實(shí)人腦CT 圖像，依次采用圖像重建軟件Mimics、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）和SolidWorks 軟件對(duì)人頭進(jìn)行真實(shí)邊界的重建，真實(shí)人頭模型包含頭皮層、顱骨層、腦脊液層、腦組織層和腦室5 個(gè)部分，具體構(gòu)建方法見(jiàn)課題組前期研究[10-11]，模型如圖1（a）所示。其次，在COMSOL Multiphysics 多物理場(chǎng)仿真軟件中，模擬腦卒中病灶，并分別根據(jù)人頭各種組織的電阻抗頻譜特性[電導(dǎo)率譜和介電虛部譜如圖1（b）和（c）所示]依次設(shè)置相應(yīng)組織，從而構(gòu)建具有真實(shí)組織阻抗頻譜特性的人頭模型。最后，依據(jù)電磁場(chǎng)求解方法，完成多頻EIT邊界電壓譜的仿真計(jì)算。正常腦組織和腦卒中組織的阻抗頻譜不但實(shí)部成分（電導(dǎo)率）有明顯的不同，而且虛部成分（介電虛部）也存在特異性差異[7]，因此，本研究采用了電導(dǎo)率和介電虛部分別定義人頭模型中各組織的電特性，以期綜合分析腦卒中組織對(duì)多頻EIT 邊界電壓譜的影響。

圖1 人頭模型和人頭組織阻抗頻譜特性

1.2 腦卒中病灶的模擬

采用如下方案模擬不同類型、不同體積和不同位置的腦卒中病灶。為了模擬不同位置的腦卒中病灶，根據(jù)臨床顱腦解剖結(jié)構(gòu)，將顱內(nèi)區(qū)域劃分為額區(qū)、顳區(qū)和枕區(qū)，在每個(gè)區(qū)的軸向上，從邊緣逐漸靠近顱腦中心，即遠(yuǎn)、中、近3 個(gè)位置分別設(shè)置病灶；為了模擬臨床中不同體積的腦卒中病灶，根據(jù)臨床腦卒中病灶體積范圍，以整個(gè)腦體積的0.5%、2.5%和5%區(qū)域作為病灶體積，例如，圖2 表示位于枕區(qū)、靠近顱腦中心的3 種體積的病灶；為了模擬不同類型的腦卒中病灶，所有病灶都分為出血性和缺血性2 種情況。簡(jiǎn)言之，共模擬3 個(gè)區(qū)（額、顳、枕區(qū)）×3 個(gè)位置/區(qū)（遠(yuǎn)、中、近）×3 種體積/區(qū)/位置（0.5%、2.5%、5%）×2 種類型（缺血、出血）=54 種病變的情況。

圖2 位于枕區(qū)的距顱腦中心最近側(cè)位置的病灶

1.3 多頻EIT 邊界電壓譜的仿真計(jì)算

為了全面評(píng)估腦卒中病灶對(duì)多頻EIT 邊界電壓譜的影響，分別仿真計(jì)算在10 Hz～1 MHz 內(nèi)16 個(gè)頻率下的EIT 邊界電壓，頻率分別為10 Hz、20 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz、500 Hz、1 kHz、2.5 kHz、5 kHz、10 kHz、25 kHz、50 kHz、100 kHz、200 kHz、500 kHz和1 MHz。

人頭模型的皮膚表面共設(shè)置16 個(gè)電極（電極直徑為1 cm），為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，所有條件下的模型剖分單元數(shù)均大于350000。由于具有高阻抗的顱骨會(huì)對(duì)電流形成屏蔽作用，激勵(lì)電流難以到達(dá)顱內(nèi)，所以采用對(duì)向激勵(lì)-相鄰測(cè)量模式實(shí)施EIT數(shù)據(jù)仿真，以增強(qiáng)顱內(nèi)的敏感性[6]。仿真電流大小為500 μA。理論上，對(duì)向激勵(lì)-相鄰測(cè)量模式產(chǎn)生的1 幀EIT 數(shù)據(jù)包含了256 個(gè)通道電壓（16×16），但在實(shí)際中我們無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量激勵(lì)電極與皮膚之間的接觸阻抗，因此，將激勵(lì)電極作為測(cè)量電極的通道電壓去除，共64 個(gè)通道電壓（16×4），可獲得192 個(gè)有效通道電壓。

EIT 邊界電壓譜仿真計(jì)算方法如下：（1）計(jì)算無(wú)病灶情況下的邊界電壓譜。將10 Hz 處各種人頭組織的阻抗分別設(shè)置對(duì)應(yīng)組織的電特性，包括電導(dǎo)率和介電虛部，并將激勵(lì)頻率設(shè)置為10 Hz，然后開(kāi)展EIT仿真，可獲得1 幀10 Hz 處的EIT 邊界電壓，包括實(shí)部和虛部?jī)刹糠郑灰源祟愅?，分別將20 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz、500 Hz、1 kHz、2.5 kHz、5 kHz、10 kHz、25 kHz、50 kHz、100 kHz、200 kHz、500 kHz 和1 MHz處各種人頭組織的阻抗分別設(shè)置對(duì)應(yīng)組織的電特性，并將激勵(lì)頻率設(shè)置為相應(yīng)的頻率，然后依次開(kāi)展EIT 仿真[11]，可分別獲得相應(yīng)頻率處的邊界電壓。通過(guò)以上計(jì)算，可獲得16 種頻率處的邊界電壓，并將其定義為無(wú)病灶情況下的EIT 邊界電壓譜。（2）分別計(jì)算54 種病變情況下的邊界電壓譜。仿真計(jì)算方法與無(wú)病灶情況相同，在設(shè)置完病灶的屬性（位置和大小等）后，分別以不同頻率處的人頭組織和病灶的阻抗定義相應(yīng)的人頭組織與病灶的電特性，以及設(shè)置相應(yīng)的激勵(lì)頻率，然后實(shí)施EIT 仿真，可分別獲得所有病變情況下的EIT 邊界電壓譜。

1.4 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)以上仿真計(jì)算，可獲得無(wú)腦卒中病灶和54種存在腦卒中病灶情況的EIT 邊界電壓譜。因?yàn)槿祟^模型中各種組織的阻抗分為實(shí)部和虛部?jī)刹糠?，所以獲得的EIT 邊界電壓也分為實(shí)部和虛部?jī)刹糠?。以Vreal和Vimg表示1 幀EIT 邊界電壓的實(shí)部和虛部，可通過(guò)將所有通道的測(cè)量電壓求和獲得，具體計(jì)算公式為

本研究采用對(duì)向激勵(lì)-相鄰測(cè)量的模式，因此有192 個(gè)有效測(cè)量通道[14]。通過(guò)計(jì)算所有頻率處的Vreal和Vimg，可獲得EIT 邊界電壓譜。依據(jù)此方法，可計(jì)算出所有存在腦卒中病灶情況下的EIT 邊界電壓譜。然后，分別對(duì)比分析發(fā)生腦卒中前后以及不同類型腦卒中引起的多頻EIT 邊界電壓譜，以獲得用于檢測(cè)腦卒中病灶和鑒別腦卒中類型的最優(yōu)頻率段。

1.4.1 定量分析腦卒中發(fā)生前后的多頻EIT 邊界電壓譜變化

為了達(dá)到利用多頻EIT 檢測(cè)腦卒中的目的，首先需要從正常組織中識(shí)別出腦卒中病灶。為此，提出邊界電壓譜變化指數(shù)（boundary voltage variation index，BVVI）分析腦卒中發(fā)生前后的多頻EIT 邊界電壓譜在所有頻率處的差異，BVVI 包括實(shí)部BVVIreal和虛部BVVIimg兩部分，具體計(jì)算公式如下：

根據(jù)BVVI 可獲得腦卒中發(fā)生前后多頻EIT 邊界電壓變化最大的頻率范圍，即區(qū)分正常組織和腦卒中組織的最優(yōu)頻率段。

1.4.2 定量分析不同類型腦卒中的多頻EIT 邊界電壓譜差異

在腦卒中發(fā)作早期，不但要從正常腦組織中檢測(cè)出腦卒中，而且需要鑒別腦卒中類型，因此，需要進(jìn)一步考察2 種不同類型腦卒中引起的EIT 邊界電壓譜差異。為此，將測(cè)量頻段劃分為3 個(gè)頻段：低頻段（10 Hz～＜1 kHz），中頻段（1 kHz～＜100 kHz）和高頻段（100 kHz～1 MHz），并提出利用頻差變化指數(shù)（frequency difference change index，F(xiàn)DCI）分別對(duì)比出血性病灶和缺血性病灶引起的多頻EIT 邊界電壓譜在3 個(gè)頻率段內(nèi)的差異。FDCI 包括實(shí)部FDCIreal和虛部FDCIimg兩部分，具體計(jì)算公式如下：

式中，f0表示在各頻段內(nèi)的最低頻率，在低頻段內(nèi)f0=10 Hz；在中頻段內(nèi)，f0=1 kHz；在高頻段內(nèi)，f0=100 kHz。

FDCI 表示存在病變組織的EIT 邊界電壓譜變化減去無(wú)腦卒中組織的EIT 邊界電壓譜變化，等效為腦卒中病變對(duì)應(yīng)的邊界電壓譜變化減去等體積的正常腦組織對(duì)應(yīng)的邊界電壓譜變化。由于2 種腦卒中（出血性和缺血性）病灶都與正常腦組織相比較，所以FDCI 可一定程度上反映2 種腦卒中病灶的EIT 邊界電壓譜差異。

2 結(jié)果

2.1 腦卒中發(fā)生前后的多頻EIT 邊界電壓譜差異

缺血性和出血性腦卒中發(fā)生前后的多頻EIT 邊界電壓譜變化如圖3 所示。圖3（a）和（b）為缺血性腦卒中發(fā)生前后的多頻EIT 邊界電壓譜變化的實(shí)部BVVIreal和虛部BVVIimg。整體上，BVVIreal隨頻率升高而降低，變化范圍為0.61%（10 Hz，顳區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最遠(yuǎn)處）至0.001%（1 MHz，枕區(qū)，0.5%腦體積，距顱腦中心最近處，因表中數(shù)據(jù)保留小數(shù)點(diǎn)后2 位，故0.001%在表1 中對(duì)應(yīng)值為0.00%）。另外，相同體積的缺血性病灶，BVVIreal隨著病灶與顱腦中心之間距離的增大而增大，例如，位于額區(qū)、5%腦體積的缺血性病灶、10 Hz 處，近、中、遠(yuǎn)處的BVVIreal分別為0.47%、0.51%和0.57%。此外，缺血性病灶引起的BVVIimg在10～100 Hz 范圍內(nèi)的變化小于1.00%，而在100～500 Hz 內(nèi)迅速增加，最大值可達(dá)8.30%（500 Hz，顳區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最遠(yuǎn)處）。而且，針對(duì)同一病灶，BVVIimg明顯大于BVVIreal，例如，位于顳區(qū)、距顱腦中心最遠(yuǎn)處、5%腦體積的缺血性病灶，BVVIimg和BVVIreal分別為8.30%和0.61%。詳見(jiàn)表1。

表1 缺血性腦卒中病灶引起的多頻EIT 邊界電壓譜變化 單位：%

圖3（c）和（d）為出血性腦卒中發(fā)生前后的多頻EIT 邊界電壓譜變化的實(shí)部BVVIreal和虛部BVVIimg。在10 Hz～200 kHz 范圍內(nèi)，BVVIreal隨頻率升高而逐漸減低，變化范圍為1.3%（10 Hz，顳區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最遠(yuǎn)處）至0.07%（200 kHz，額區(qū)，0.5%腦體積，距顱腦中心最近處）；但在200 kHz～1 MHz 范圍內(nèi)，BVVIreal迅速升高，最大值為1.7%（1 MHz，顳區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最遠(yuǎn)處）。BVVIimg在100 Hz～2.5 kHz范圍內(nèi)升高，然后降低至0.01%（100 kHz，顳區(qū)，0.5%腦體積，距顱腦中心最遠(yuǎn)處），繼而隨頻率升高而迅速升高，在1 MHz 處達(dá)到最大值，BVVIimg的范圍為5.50%（1 MHz，枕區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最近處）至7.20%（1 MHz，顳區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最遠(yuǎn)處）。詳見(jiàn)表2。

表2 出血性腦卒中病灶引起的多頻EIT 邊界電壓譜變化 單位：%

圖3 缺血性和出血性腦卒中發(fā)生前后的多頻EIT 邊界電壓譜變化

2.2 不同類型腦卒中引起的多頻EIT 邊界電壓譜差異

缺血性和出血性腦卒中病灶引起的多頻EIT 邊界電壓譜FDCI 如圖4 所示。圖4（a）和（b）為缺血性腦卒中病灶引起的多頻EIT 邊界電壓FDCI 的實(shí)部和虛部。整體上，處于低頻段的FDCIreal明顯大于處于中頻段和高頻段的FDCIreal。在低頻段內(nèi)，F(xiàn)DCIreal先隨著頻率的升高而升高，于100 Hz 處達(dá)到峰值，然后逐漸降低；FDCIreal在100 Hz 處的最大值范圍為0.28%（枕區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最近處）至0.42%（顳區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最遠(yuǎn)處）。在中頻段內(nèi)，F(xiàn)DCIreal隨頻率升高而降低，最大值為0.13%（顳區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最遠(yuǎn)處；顳區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心中等距離處；額區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最遠(yuǎn)處）。在高頻段內(nèi)，F(xiàn)DCIreal基本無(wú)變 化，F(xiàn)DCIreal值 均 為0.02。FDCIimg在3 個(gè)頻段內(nèi)均先隨頻率升高而升高，然后隨頻率升高而降低。FDCIimg在低頻段內(nèi)的最大值位于100 Hz 處，范圍為0.30%（枕區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最近處）至0.45%（顳區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最遠(yuǎn)處）。在中頻段和高頻段內(nèi)的最大值均小于0.2%。詳見(jiàn)表3。

表3 缺血性腦卒中病灶引起的多頻EIT 邊界電壓譜FDCI 單位：%

圖4（c）和（d）為出血性腦卒中病灶引起的多頻EIT 邊界電壓譜FDCI。FDCIreal在3個(gè)頻段內(nèi)均隨頻率升高呈增加趨勢(shì)，但在高頻段內(nèi)FDCIreal變化（最大值為0.57%，顳區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最遠(yuǎn)處）明顯大于在中頻段內(nèi)變化（最大值為0.17%，顳區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最遠(yuǎn)處）、低頻段內(nèi)變化（最大值為0.14%，顳區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最遠(yuǎn)處）。此外，F(xiàn)DCIimg在高頻段內(nèi)變化（最大值為1.50%，顳區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最遠(yuǎn)處）遠(yuǎn)大于在中頻段內(nèi)變化（最大值為0.32%，顳區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最近處）和低頻段內(nèi)變化（最大值為0.42%，顳區(qū)，5%腦體積，距顱腦中心最近處）。詳見(jiàn)表4。

表4 出血性腦卒中病灶引起的多頻EIT 邊界電壓譜FDCI 單位：%

圖4 缺血性和出血性腦卒中病灶引起的多頻EIT 邊界電壓譜FDCI

3 討論

從BVVI 的結(jié)果可知，缺血性腦卒中病灶在10 Hz～100 kHz范圍內(nèi)的BVVIreal較大，最大值約為0.6%，而B(niǎo)VVIimg在100 Hz～＜10 kHz 范圍內(nèi)較大，最大值約為8%，說(shuō)明在10 Hz～＜100 kHz 頻段內(nèi)，缺血性腦卒中病灶與正常腦組織具有明顯的阻抗差異。因此，利用10 Hz～100 kHz 頻段內(nèi)的多頻EIT 邊界電壓譜信息有利于區(qū)分缺血性病灶和正常腦組織，其中，應(yīng)著重關(guān)注10～100 Hz 的EIT 邊界電壓譜實(shí)部、100 Hz～＜1 kHz 的EIT邊界電壓譜虛部。對(duì)于出血性腦卒中病灶，BVVIreal在200 kHz～1 MHz 范圍內(nèi)變化較大，最大值可達(dá)1.7%，并且BVVIimg同樣在此頻段內(nèi)變化較大，表明在200 kHz～1 MHz 范圍內(nèi)的EIT 邊界電壓譜包含了區(qū)分出血性病灶和正常腦組織的重要信息。

從FDCI 的結(jié)果可知，缺血性腦卒中引起的FDCIreal和FDCIimg均在低頻段（10 Hz～＜1 kHz）變化最明顯，F(xiàn)DCIreal最大值約為0.4%，F(xiàn)DCIimg最大值約為0.5%。但是，出血性腦卒中引起的FDCIreal和FDCIimg均在高頻段（100 kHz～1 MHz）變化最明顯，F(xiàn)DCIreal最大值約為0.6%，F(xiàn)DCIimg最大值約為1.5%。因此，同時(shí)利用低頻段（10 Hz～＜1 kHz）和高頻段（100 kHz～1 MHz）的EIT 邊界電壓譜有助于鑒別缺血性腦卒中和出血性腦卒中。

本研究構(gòu)建的真實(shí)人頭模型中的腦組織尚未被進(jìn)一步細(xì)分為腦灰質(zhì)和腦白質(zhì)，未來(lái)將通過(guò)圖像分割技術(shù)，從真實(shí)人頭CT 圖像中獲得白質(zhì)區(qū)域和灰質(zhì)區(qū)域，從而建立更加逼真的人頭模型（包括逼真的解剖結(jié)構(gòu)和逼真的電阻抗特性分布），進(jìn)一步提高模型的準(zhǔn)確性。另外，根據(jù)本研究的結(jié)果，課題組將優(yōu)化前期提出的利用多頻EIT 檢測(cè)腦卒中的成像算法[15]，進(jìn)一步提高成像算法的性能。而且，本研究獲得的最優(yōu)腦卒中病灶檢測(cè)頻率和最優(yōu)的腦卒中病灶鑒別頻率也可為多頻EIT 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供重要的數(shù)據(jù)參考，以及在以后的研究中可更加注重系統(tǒng)在最優(yōu)頻率段的性能，如系統(tǒng)的檢測(cè)精度和頻帶。

綜上所述，本文首先構(gòu)建了具有真實(shí)人頭阻抗頻譜分布的三維人頭模型，然后仿真了由不同位置、不同體積和不同性質(zhì)的腦卒中病灶引起的EIT邊界電壓譜，并量化分析了多頻EIT 邊界電壓譜特征，為未來(lái)開(kāi)展多頻EIT 檢測(cè)腦卒中研究（包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研發(fā)和成像算法設(shè)計(jì)）奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。