張全成 王岸新 孫博 姚佳烽

（1）西安石油大學(xué)體育學(xué)院，西安 710065；2）沈陽師范大學(xué)體育科學(xué)學(xué)院，沈陽 110034；3）西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048；4）Department of Mechanical Engineering, Chiba University, Chiba 263-0022, Japan；5）南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

胃食道反流?。╣astroesophageal reflux disease，GERD）是一種常見的疾病，胃內(nèi)容物從胃腔進(jìn)入食管，但沒有任何臨床癥狀［1］。多種刺激性生理事件通過增加胃酸分泌、影響胃排空、誘發(fā)短暫的食管下端括約肌松弛、增加胃和食管之間的壓力梯度或降低食管清除率從而使胃食管反流病惡化［2］。運(yùn)動能夠引起無癥狀健康志愿者的胃食管反流，誘發(fā)的反流與運(yùn)動強(qiáng)度和類型成正比［3-5］。如果不加以治療，會導(dǎo)致食管糜爛、潰瘍和狹窄的形成［6］。為了避免有癥狀的患者因胃食管反流而受傷，應(yīng)對胃容積進(jìn)行有效評估，從而長期監(jiān)測胃食道的液體狀態(tài)。

一般來說，有兩種胃測量方法可用于測量胃腔生理異常，即“基于信號”的測量方法和“基于圖像”的測量方法。在“基于信號”的測量方法中，采用胃內(nèi)pH值監(jiān)測來評估GERD［7］。用pH 4.0和pH 7.0的緩沖液校準(zhǔn)一個(gè)銻質(zhì)pH電極，然后放在鼻腔內(nèi)進(jìn)行測定。使用一個(gè)流動記錄器來獲得連續(xù)的pH值監(jiān)測，這樣可以長期監(jiān)測病人的食道pH值。采用傳統(tǒng)的電化學(xué)方法，如胃電圖（electrogastrography，EGG）通過在病人腹部放置電極來測量病人胃、腸和其他含有平滑肌的器官的平滑肌運(yùn)動產(chǎn)生的肌電信號，從而評估病人胃腸道功能［8］。另一方面，在傳統(tǒng)的“基于圖像”的測量方法中，計(jì)算機(jī)成像（computed tomography，CT）［9］、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）［10］和超聲成像（ultrasonic imaging，UI）被廣泛用于研究胃食道問題。CT和MRI提供結(jié)構(gòu)和功能上的消化道氧合和收縮圖像。UI檢測胃液流動和胃部活動［11］。

然而，上述傳統(tǒng)的胃食道檢測方法在監(jiān)測有癥狀的胃食管反流病患者方面存在著缺陷。例如，食道內(nèi)的pH值監(jiān)測不能對病變的局部位置進(jìn)行成像。侵入性測量會給病人帶來心理和生理上的不適。EGG被認(rèn)為是非侵入性的，但EGG不能直接觀察到胃容量，僅提供胃阻抗的變化測量。CT、MRI和UI都很昂貴，而且無法攜帶，這使得無法對有癥狀的患者進(jìn)行長期床旁/居家監(jiān)測。相比之下，胃容積和胃食道處于不同狀態(tài)下電特性，如電導(dǎo)率會發(fā)生變化。在這種情況下，基于電阻抗成像的方法被提出，它解決了上述缺點(diǎn)，能夠成為非侵入性、無輻射、價(jià)格低，并且長期床旁監(jiān)測胃食管活動狀態(tài)的新技術(shù)［12］。

電阻抗成像（electrical impedance tomography，EIT）用于將目標(biāo)在觀察域內(nèi)的阻抗分布可視化，獲得基于人體不同組織在不同生理和病理?xiàng)l件下的不同電阻抗特性［13］。無創(chuàng)的EIT方法已被用于檢測人體肺部通氣和灌注［14］，同時(shí)也被用于監(jiān)測三維細(xì)胞培養(yǎng)過程［15-16］。二維電阻抗成像技術(shù)（twodimensional electrical impedance tomography，2D-EIT）也被用來重建腹部水平橫截面圖像來獲得估計(jì)胃容量。Soulsby等［17］的研究比較了通過2D-EIT和伽馬閃爍錄像（gamma scintigraphy）獲得的估計(jì)胃容量，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)真實(shí)胃容量為50~125 ml時(shí)，通過2D-EIT獲得的估計(jì)胃容量最準(zhǔn)確，平均容積誤差為20.48 ml（容積誤差16.38%）。在真實(shí)胃容積大于125 ml時(shí)，2D-EIT的估計(jì)胃容積變得不準(zhǔn)確（容積誤差>200%）。此外，2D-EIT的分辨率較差，使得從2D-EIT圖像中提取胃容積變得十分困難［18］。相較于2D-EIT，三維電阻抗成像技術(shù)（three-dimensional electrical impedance tomography，3D-EIT）通過在病人腹腔表面胃上放置若干凝膠電極（E=48）來測量阻抗，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到個(gè)人電腦，根據(jù)病人腹部邊界表面的阻抗測量提供實(shí)時(shí)的胃容積圖像，補(bǔ)充了2D-EIT在評估胃容積變化對于測量結(jié)果影響的局限性。因此，本研究提出了基于3D-EIT技術(shù)的胃食道成像方法，并結(jié)合2D-EIT分析胃食道液體狀態(tài)變化對電學(xué)特性的影響，說明所提出的方法在監(jiān)測GERD具有的巨大潛力。

本文采用已開發(fā)的3D-EIT系統(tǒng)重建8名受試者在不同胃容積狀態(tài)下腹腔的三維空間電導(dǎo)率分布圖像σ3D。并以數(shù)值仿真作為研究工具，基于2D-EIT技術(shù)對不同胃容積條件下道進(jìn)行仿真計(jì)算和成像，探究胃腔內(nèi)填充25%、50%、75%和100%補(bǔ)水液的條件腹腔二維橫截面電學(xué)特性的變化趨勢。通過對在不同測量序列下測量電壓差（ΔV）和平均電壓差（）與胃腔內(nèi)補(bǔ)水液比例的關(guān)系，討論EIT技術(shù)實(shí)現(xiàn)對胃食道液體狀態(tài)變化的監(jiān)測，從而探究EIT技術(shù)應(yīng)用于胃食道反流病的監(jiān)測的可能性。

1 實(shí)驗(yàn)儀器與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

圖1顯示了由4個(gè)部分組成的3D-EIT系統(tǒng)：a. 一個(gè)由3層每層16個(gè)氯化銀電極組成的彈性帶傳感器（flexible 3D-EIT sensor）；b. 一個(gè)多路復(fù)用器（multiplexer），實(shí)現(xiàn)特定激勵(lì)方式下電極對在48電極之間的自動切換；c. 一臺阻抗分析儀（impedance analyzer，IM3570，HIOKI，Japan），與多路復(fù)用器完成數(shù)據(jù)采集和處理；d. 一臺安裝了3D-EIT圖像重建算法軟件的個(gè)人計(jì)算機(jī)（personal computer），完成從測量信號重建物理場參數(shù)分布的功能。阻抗分析儀通過鄰近電流注入法向電極注入1 mA的正選電流，然后通過多路復(fù)用器三維空間物理場的測量阻抗分布Z。本實(shí)驗(yàn)使用的阻抗分析儀的阻抗測量精度為0.08%，激勵(lì)頻率覆蓋范圍為4 Hz~5 MHz。

Fig. 1 3D-EIT system

Fig. 2 Human gastric experimental protocol

Fig. 3 3D-EIT sensor location（a） and electrode distribution（b）

Fig. 4 Abdomen EIT imaging geometry and mesh

Fig. 5 3D-EIT numerical simulation conditions of gastric lumen model

Fig. 6 2D-EIT numerical simulation conditions of gastric lumen model

Fig. 7 Example of adjacent drive electrical stimulation current protocol for 3D EIT

Fig. 8 Example of adjacent drive electrical stimulation current protocol for 2D EIT

Fig. 9 Human experimental results of conductivity distribution images σ3D reconstructed by 3D-EIT

Fig. 10 The t-test results of spatial-mean conductivity and spatial-mean conductivity difference ratio Δ for 8 subjects in the 3D-EIT human experiment

Fig. 11 3D-EIT numerical simulation conditions of conductivity distribution image σ3D

Fig. 12 The results of spatial-mean conductivity () and spatial-mean conductivity difference ratio (Δ) for 3D-EIT simulation

Fig. 13 The relationship between voltage difference and voltage pattern

Fig. 14 The relationship between rehydrated water ratio and average voltage difference

Fig. 15 Comparison of the 2D-EIT conductivity distribution images σ2D between small gastric volume cases and big gastric volume cases under different fluid conditions

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)對象與道德規(guī)范

根據(jù)千葉大學(xué)人體實(shí)驗(yàn)倫理道德規(guī)范，所有受試者在獲得詳細(xì)解釋后，均已獲得研究的書面知情同意書，已了解參與有關(guān)實(shí)驗(yàn)的目的、潛在利益和風(fēng)險(xiǎn)。所有研究程序均根據(jù)赫爾辛基宣言和千葉大學(xué)研究道德規(guī)范進(jìn)行，并得到千葉大學(xué)人體實(shí)驗(yàn)委員會的批準(zhǔn)。8名健康的年輕男性自愿參加此實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)對象的基本信息如表1所示。

Table 1 The information of experimental subjects

Table 2 The results of Shapiro-Wilk test and Kolmogorov-Smirnov test

1.2.2 實(shí)驗(yàn)過程

這項(xiàng)研究的實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示，在實(shí)驗(yàn)開始前要求實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行4 h的禁食禁水，保證實(shí)驗(yàn)開始時(shí)胃部處于排空的狀態(tài)。該實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)部分：a. 胃排空狀態(tài)下的3D-EIT測量；b. 攝入200 ml經(jīng)口補(bǔ)水液（C200ml）狀態(tài)下的3D-EIT測量；c. 再次攝入200 ml經(jīng)口補(bǔ)水液（C400ml）狀態(tài)下的3D-EIT測量。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段耗時(shí)4 h，整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段耗時(shí)47 min。本研究中使用的3D-EIT傳感器是由彈性帶和醫(yī)用氯化銀電極制作而成的彈性帶傳感器，共48電極分布在3層彈性帶上，每層有16個(gè)凝膠氯化銀電極等距分布。該傳感器直接接觸受試者的腹部皮膚，傳感器位置和電極分布如圖3所示。通過鄰近電流注入法，啟發(fā)式地選擇阻抗測量頻率f=10 kHz，最大電流I=1 mA，以獲得最清晰的σ［19］。

電導(dǎo)率圖像是通過迭代線性投影法獲得的，使用以下公式［20］：

其中i是迭代數(shù)，α是松弛因子，S是靈敏度矩陣，ST是靈敏度矩陣的轉(zhuǎn)置，V是測量電壓。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析與處理

為了量化實(shí)驗(yàn)對象胃容積對腹腔三維空間電導(dǎo)率分布的影響，通過數(shù)據(jù)分析軟件Python進(jìn)一步對3D-EIT重建圖像進(jìn)行分析?？臻g平均電導(dǎo)率的變化用來反映胃容積不同對電導(dǎo)率分布的影響。所有數(shù)據(jù)均以平均值和標(biāo)準(zhǔn)差表示。為了對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用配對樣本t檢驗(yàn)，有必要進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。使用SPSS軟件（25.0版）的描述性統(tǒng)計(jì)功能來檢驗(yàn)C200ml和C400ml狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布。表2顯示了Shapiro-wilk檢驗(yàn)和Kolmogorovsmirnov檢驗(yàn)的結(jié)果。在ɑ=0.05，P>0.05的檢驗(yàn)水平下，不拒絕無效假設(shè)。因此，可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)服從于正態(tài)分布。

2 仿真模型與理論

本文采用3D-EIT數(shù)值仿真重建三維空間電導(dǎo)率分布圖像，其目的是在不同胃容積條件下對未知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行說明驗(yàn)證，并結(jié)合2D-EIT數(shù)值仿真重建二維橫截面電導(dǎo)率分布圖像，研究在胃腔被不同體積的補(bǔ)水液填充的狀態(tài)下電學(xué)特性的變化趨勢。從而說明所提出的方法在監(jiān)測GERD具有的巨大潛力。

2.1 仿真理論

本文3D-EIT數(shù)值仿真的目的是在不同胃容積條件下獲得測量的電壓矢量V，并重建三維電導(dǎo)率分布圖像σ3D，并結(jié)合橫截面2D-EIT成像在不同胃食道條件下獲得重建電導(dǎo)率分布圖像σ2D。胃容積及胃食道條件的數(shù)值仿真是基于拉普拉斯方程的擾動定理，電勢?（V）和電場E（V/m）［21-22］被給出：

當(dāng)方程（2）中的E被施加到人體腹部時(shí)，根據(jù)電磁理論，邊界內(nèi)的自由電荷會受到基于電荷密度連續(xù)性方程的電磁力的影響，如下所示：

其中ρ是電荷密度（C/m3），t（s）是時(shí)間，J是電流密度（A/m2）。本研究中，采用了麥克斯韋方程［23］的時(shí)間熱力學(xué)公式的準(zhǔn)靜態(tài)近似方法，控制方程為：

對電流密度J的常見近似假設(shè)是J與E成正比，如下所示：

其中σ是邊界內(nèi)的電導(dǎo)率分布，?是電勢（V），ω是徑向頻率（rad/s），ε是介電常數(shù)（F/m）。為了解決方程（6），采用有限元方法，將邊界Ω離散成N個(gè)較小的邊界（圖4）。為了在數(shù)值仿真中獲得測量的電壓矢量在腹部邊界面?Ω上附著數(shù)量為E的電極邊界條件的完整電極模型（CEM）［24］如下所示：

其中，El和Ek分別為第l和第k個(gè)電極，L為總電極數(shù)，σ為電導(dǎo)率，?為電勢（V），n為網(wǎng)格數(shù)，Il為第l個(gè)電極的注入電流，zl為第l個(gè)電極的接觸阻抗，n為從邊界向外的法向量，J為電流密度。

為了獲得電導(dǎo)率分布圖像σ，采用三維/二維靈敏度矩陣S的方法，S通過下式得到［25］：

其中E（Il）表示電流注入第l個(gè)電極時(shí)產(chǎn)生的電場，E（Im）表示電流注入第m個(gè)電極時(shí)產(chǎn)生的電場。

2.2 仿真模型

圖5顯示了本研究中使用的胃容積數(shù)值仿真模型和條件，建立兩種尺寸的胃容積模型（小型和大型）來研究在胃容積不同的情況下的3D電導(dǎo)率分布圖像。圖6顯示了本研究中使用的胃容積數(shù)值仿真模型和條件，研究在胃腔被不同體積的補(bǔ)水液填充的狀態(tài)下電學(xué)特性的變化趨勢。胃腔分別填充25%的補(bǔ)水液（模型A和E）、50%的補(bǔ)水液（模型B和F）、75%的補(bǔ)水液（模型C和G）及100%的補(bǔ)水液（模型D和H）。3D-EIT電極帶由3層每層16個(gè)電極組成，以相等的距離放置在橫跨胃底腹部水平面至胸骨部水平面，2D-EIT僅使用最上層電極帶進(jìn)行測量。本研究中，補(bǔ)水液的電導(dǎo)率被設(shè)定為0.69 S/m，胃腔的電導(dǎo)率被設(shè)定為0.35 S/m［26］。

圖7顯示了基于3D-EIT的相鄰法驅(qū)動激勵(lì)電流的四線測量模式［19］，1 mA的恒定電流被注入到相鄰的電極對（紅色實(shí)心點(diǎn)），并從另一個(gè)電極對測量邊界電壓（藍(lán)色實(shí)心點(diǎn)）。在本研究中3D-EIT的情況下，使用了E3D=48個(gè)電極，因此測量邊界電壓的總數(shù)為M3D=E3D（E3D－3）/2=1 080。圖8顯示了基于2D-EIT的測量模式［27］，2D-EIT利用3D電極中最上層測量電極進(jìn)行測量。與3D-EIT類似，1 mA的恒定電流被注入到相鄰的電極對（用紅線表示），并從另一對相鄰的電極對（用藍(lán)線表示）測量邊界電壓，使用了E2D=16個(gè)電極，因此電壓測量模式的總數(shù)為M2D=E2D（E2D－3）/2=208。

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9顯示了3D-EIT重建的8名受試者在攝入200 ml（C200ml）和400 ml（C400ml）經(jīng)口補(bǔ)水液狀態(tài)下腹腔三維電導(dǎo)率分布圖像σ3D。紅色區(qū)域代表腹腔高電導(dǎo)率區(qū)域，藍(lán)色區(qū)域代表腹部低電導(dǎo)率區(qū)域。根據(jù)圖9，本文所提出的3D-EIT方法能夠清晰重建出不同受試者在不同狀態(tài)下胃部在三維空間上的電導(dǎo)率分布差異。其中5號受試者，C400ml狀態(tài)下腹腔胃部區(qū)域三維電導(dǎo)率分布相較于C200ml狀態(tài)下明顯增加；1、2、3、6、7、8號受試者，C400ml狀態(tài)下腹腔胃部區(qū)域三維電導(dǎo)率分布高電導(dǎo)率區(qū)域相較于C200ml狀態(tài)下明顯增加；然而，4號受試者，C400ml狀態(tài)下腹腔胃部區(qū)域三維電導(dǎo)率分布相較于C200ml狀態(tài)下無明顯變化。由于補(bǔ)水液的電導(dǎo)率顯著高于人體腹腔原本的電導(dǎo)率［26］。因此，受試者腹腔胃部區(qū)域三維空間內(nèi)電導(dǎo)率分布隨受試者攝入的補(bǔ)水液體積增加而增加，即受試者腹腔胃部區(qū)域三維空間內(nèi)電導(dǎo)率分布隨著胃容積的增而增加。為了定量評估3D-EIT區(qū)分胃容積的性能，空間平均電導(dǎo)率及空間平均電導(dǎo)率差比（Δ）通過下公式計(jì)算：

圖10中的實(shí)色條形圖顯示了8名受試者的3DEIT人體實(shí)驗(yàn)中空間平均電導(dǎo)率（）的配對樣本t檢驗(yàn)和空間平均電導(dǎo)率差比（Δ）的結(jié)果。空間平均電導(dǎo)率從C200ml狀態(tài)下的200ml=0.226增加到C400ml狀態(tài)下的400ml=0.387（n=7，P<0.05），空間平均電導(dǎo)率差比Δexp=207.39［%］。因此，受試者腹腔胃部區(qū)域三維空間平均電導(dǎo)率隨胃容積增加而顯著增加，3D-EIT能夠直觀且定量的評估胃容積變化引起受試者腹腔三維空間內(nèi)電導(dǎo)率的變化。

3.2 數(shù)值仿真結(jié)果

圖11顯示了3D-EIT重建的數(shù)值仿真條件下小型胃容積例（Phantom1）和大型胃容積例（Phantom2）三維電導(dǎo)率分布圖像σ3D。紅色區(qū)域代表高電導(dǎo)率區(qū)域，藍(lán)色區(qū)域代表低電導(dǎo)率區(qū)域。重建圖像給出小型胃容積例（圖11a）和大型胃容積例（圖11b）在三維空間上電導(dǎo)率分布有明顯差異，與3.1人體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出相同趨勢，即對于大型胃食道例，高電導(dǎo)率區(qū)域在空間上與小型胃食道例相比更大。圖12中實(shí)色條形圖顯示了3D-EIT數(shù)值仿真條件下小型胃容積例（Phantom1）和大型胃容積例（Phantom2）空間平均電導(dǎo)率和空間平均電導(dǎo)率差比（Δ）的結(jié)果。小型胃容積例=0.49顯著小于大型胃容積例=2.32，空間平均電導(dǎo)率差比Δsimu=302.40［%］，與人體實(shí)驗(yàn)Δexp=207.39［%］相比數(shù)值仿真結(jié)果胃容積變化對電導(dǎo)率分布的影響更為明顯，這是由于人體實(shí)驗(yàn)中盡管嚴(yán)格控制了變量，但也不乏有別的變量會影響腹腔電導(dǎo)率的分布，而數(shù)值仿真相較于真實(shí)人體實(shí)驗(yàn)變量條件單一，更易于觀察到胃容積變化對電導(dǎo)率分布的影響。綜上，3D-EIT能夠令人滿意的直觀且定量評估不同尺寸胃容積模型，同時(shí)通過3D-EIT數(shù)值仿真驗(yàn)證了人體實(shí)驗(yàn)結(jié)果中胃容積變化是引起受試者腹腔三維空間內(nèi)電導(dǎo)率變化的原因。

圖13顯示了2D-EIT數(shù)值仿真條件下一次激勵(lì)測量中小型胃容積例和大型胃容積例的邊界電壓差。當(dāng)E1和E2電極對作為激勵(lì)電極對，另一個(gè)相鄰的電極對（E2E3，E3E4，…，E15E16）作為測量電極對時(shí)，測量邊界電壓序列（m=1，m=2，…，m=13），其邊界電壓差通過下式計(jì)算：

其中，V為胃腔填充25%、50%、75%和100%補(bǔ)水液時(shí)測量的電壓矢量，V0為胃腔處于空腹?fàn)顟B(tài)時(shí)（補(bǔ)水液0%）測量的電壓矢量。測量電壓序列從m=1到m=13測量電壓差ΔV逐漸趨于0，特別是，從m=7到m=11胃腔填充補(bǔ)水液比例對電壓差無明顯影響（圖13）。這是因?yàn)樵谠摐y量序列內(nèi)激勵(lì)電極與測量電極間不存在胃腔模型，因此對測量域內(nèi)電場無明顯影響，故ΔV對胃腔填充補(bǔ)水液比例不敏感。與之對相對應(yīng)的，測量序列從m=1到m=6隨著胃腔填充補(bǔ)水液比例的增加，測量電壓差（ΔV）逐漸減少。這是由于在該測量序列內(nèi)激勵(lì)電極與測量電極間存在胃腔模型對測量區(qū)域內(nèi)導(dǎo)電特性產(chǎn)生影響，補(bǔ)水液電導(dǎo)率σw=0.69 S/m高于胃腔電導(dǎo)率σg=0.35 S/m，因此ΔV隨胃腔內(nèi)補(bǔ)水液比例增加而減小，即ΔV對胃腔填充補(bǔ)水液比例敏感。

其中，vm是當(dāng)胃腔填充25%、50%、75%和100%補(bǔ)水液時(shí)，在不同尺寸胃容積模型下測得的第m個(gè)電壓，v0m是當(dāng)胃腔處于空腹?fàn)顟B(tài)（補(bǔ)水液0%）時(shí)測得的第m個(gè)電壓。圖14顯示了使用公式（19）計(jì)算所得的平均電壓差（）。在小型胃容積例中，模型A、B、C和D的（）分別為-0.70、-0.74、-0.97和-1.01 V，隨著胃腔填充補(bǔ)水液的比例增加而逐漸下降。此外，同樣的變化趨勢也出現(xiàn)在大型胃容積中，對于模型E、F、G和H，分別為-3.93、-4.20、-4.45和-4.78 V，同樣胃腔填充補(bǔ)水液的比例增加而逐漸下降。然而，與小型胃容積模型相比，大型胃容積模型在相同情況下更小，這是由于大型胃容積模型整體容量較大，在相同條件下包含的補(bǔ)水液比小型胃容積模型多，因此對胃容積模型的尺寸敏感。

McClelland等［28］在研究中要求被試者飲用低導(dǎo)電率的液體，在上腹使用氯化銀電極用4 mA、100 kHz電流進(jìn)行測量，結(jié)果表明當(dāng)被試者飲用低導(dǎo)電液體后電阻抗增加，并隨時(shí)間電阻抗逐漸減小，即電導(dǎo)率逐漸增加。這是由于，當(dāng)液體離開胃時(shí)，其電阻抗會隨之下降。與之相反，本研究要求被試者短時(shí)間分2次飲用等量高電導(dǎo)率液體，并在數(shù)值仿真研究分別對胃腔內(nèi)填充25%、50%、75%、100%的高電導(dǎo)率補(bǔ)水液，圖15顯示了2DEIT重建的數(shù)值仿真條件下小型胃容積例（Phantom A~D）和大型胃容積例（Phantom E~H）二維電導(dǎo)率分布圖像σ2D。紅色區(qū)域代表腹部電導(dǎo)率未發(fā)生變化的區(qū)域，藍(lán)色區(qū)域代表電導(dǎo)率變化較大的區(qū)域?？梢姡?D-EIT方法能夠清晰重建出胃腔電導(dǎo)率分布圖像σ2D隨胃腔內(nèi)液體狀態(tài)變化的趨勢（圖15）。在小型胃容積例和大型胃容積例中，藍(lán)色區(qū)域隨著胃腔內(nèi)填充補(bǔ)水液比例的增加逐漸擴(kuò)大。為了定量評估EIT區(qū)分胃食道病例的性能，使用公式（16）計(jì)算所得的空間平均電導(dǎo)率（）。在小型胃食道例中，A、B、C和E的=-0.29、-0.32、-0.38、-0.41；在大型胃食道例中，=-1.85、-1.95、-2.05、-2.12。因此，結(jié)果表明腹腔胃部區(qū)域電導(dǎo)率隨著胃腔內(nèi)填充高電導(dǎo)率補(bǔ)水液的比例增加而增加，3D-EIT結(jié)合2D-EIT能夠通過圖像直觀且定量反映胃容積和胃食道液體狀態(tài)變化所引起的電學(xué)特性差異，EIT技術(shù)應(yīng)用于胃食道反流病的監(jiān)測具有巨大潛力。

4 結(jié)論

本研究顯示，結(jié)合3D-EIT和2D-EIT在不同胃容積狀態(tài)下，胃食道液體狀態(tài)變化的電學(xué)特性響應(yīng)能夠通過電阻抗成像技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測。本研究的主要發(fā)現(xiàn)如下：

a. 基于對8名受試者在不同胃容積狀態(tài)下使用3D-EIT重建三維空間電導(dǎo)率分布圖像σ3D，3D-EIT技術(shù)令人滿意地監(jiān)測了胃容積差異對空間電導(dǎo)率分布的影響，并且通過數(shù)值仿真對實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行模擬驗(yàn)證。結(jié)果表明，本文提出的3D-EIT電阻抗成像技術(shù)能夠通過圖像直觀且定量的反映不同尺寸胃容積的電學(xué)特性差異。

b. 基于2D-EIT重建胃腔被不同體積補(bǔ)水液填充狀態(tài)下數(shù)值仿真研究的電導(dǎo)率分布圖像σ2D，2D-EIT技術(shù)令人滿意地監(jiān)測了胃食道的液體狀態(tài)變化趨勢。在測量電壓序列從m=7到m=11胃腔填充補(bǔ)水液比例對電壓差無明顯影響，而在測量序列從m=1到m=6隨著胃腔填充補(bǔ)水液比例的增加測量電壓差（ΔV）逐漸減少，這意味著ΔV對胃腔填充補(bǔ)水液體積敏感。

c. 與小型胃食道模型相比，大型胃食道模型在胃腔填充補(bǔ)水液比例相同情況下平均電壓差（）更小，對胃腸道模型的尺寸敏感。

綜上所述，本研究提出3D-EIT結(jié)合2D-EIT技術(shù)通過監(jiān)測胃容積及胃食道液體狀態(tài)變化的電學(xué)特性響應(yīng)，從而具有實(shí)現(xiàn)對胃食道反流病監(jiān)測的可能性。

致謝感謝西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院鄭杰博士的討論。