摘要

德國Sciospec的胸阻抗斷層成像儀以其精湛的技術和卓越的性能，正在重新定義醫學成像的標準。這款設備結合了Fidelity-Embedded Regularization和GREIT技術，實現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療公司檢測和監測各種肺部疾病的實驗。本技術文章將詳細介紹這些核心技術及其在胸阻抗斷層成像中的應用，闡述Sciospec設備的優勢，并通過豐富的圖片和文字展示其實際應用效果。文章最后將總結其在醫療領域的廣泛科研應用前景，并呼吁醫療公司和科研單位選擇Sciospec作為可靠的合作伙伴。

一

技術背景

1.1電阻抗斷層成像（EIT）的基本原理

電阻抗斷層成像（EIT）是一種利用物體內部不同部位電阻抗的差異來重建其內部圖像的技術。它通過電極陣列在人體表面施加微弱的交流電流，然后測量由此產生的電壓，從而計算出不同部位的電阻抗分布。EIT因其無創、實時、便攜等特點，被廣泛應用于醫學成像領域，特別是在胸部和肺部成像中。

同時EIT也是一種用于臨床監測機械通氣患者的有吸引力的方法，因為它可以提供一種非侵入性、連續的肺阻抗圖像，顯示通氣的分布。然而，肺EIT的大多數臨床和生理研究都是使用舊的和專有的算法進行的；這是解釋EIT圖像的一個障礙，因為重建的圖像并沒有得到很好的表征。

1.2Fidelity-Embedded Regularization方法

為了應對數據不確定性的病態逆問題，已經開發了眾多圖像重建算法。在20世紀80年代初，基于X射線CT反投影算法的EIT版本被開發，常稱為線性化敏感性方法。還開發了幾種直接方法：層剝離法逐層恢復電導率分布，D-bar方法基于電導率問題的構造性唯一性證明而來，分解法起源于逆散射問題中的形狀重建方法。最近，離散余弦變換被采用來減少逆電導率問題中的未知數。有一個開源軟件包，稱為EIDORS，用于EIT的前向和逆向建模。也有一些新理論結果顯示在理想的EIT模型下電導率分布的唯一識別。

在實際操作中，S的病態結構會導致嚴重的不穩定性。為了應對這一基本困難，通常采用正則化的最小二乘數據擬合方法來計算：

其中λ是適當選擇的正則化參數，R是正則化算子。這樣的圖像重建依賴于λ的選擇（通常是經驗確定的）和R使用的先驗信息，因而會出現過度正則化或不足正則化的問題。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選擇的情況下，實現保真度和穩定性的良好性能。通過研究雅可比矩陣列向量之間的相關性，我們開發了一種新的正則化方法，在其中嵌入了數據保真度結構。我們還開發了一種運動偽影減小濾波器，可在圖像重建前應用于數據，通過使用雅可比矩陣的子矩陣。解釋所開發的方法后，我們描述了實驗結果，顯示所提出的嵌入保真度正則化（FER）方法結合運動偽影減小濾波器在非常大的正則化參數值下也能提供穩定的圖像重建，因而使方法獨立于參數值。

Fidelity-Embedded Regularization方法通過在正則化過程中嵌入一個保真度項，可以更有效地抑制噪聲，提高圖像的分辨率和精度。為了達到以上目的，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

EIT最有前途的應用之一是在胸腔內描述生理事件，因為胸腔包含幾個在正常功能中電導率變化很大的器官。事實上，肺功能測量是這種技術最早的生理應用之一。EIT的獨特之處在于它能夠非侵入性地測量胸部阻抗，提供通氣分布的連續圖像。基于這些優勢，對EIT在監測呼吸功能受損患者中的應用有很大的興趣。

GREIT（Generalized Reconstruction Algorithm for Electrical Impedance Tomography）是EIT圖像重建的統一方法。它通過優化不同的重建參數，能夠在保持計算效率的同時，生成高質量的二維EIT圖像。GREIT算法在肺部成像中的應用尤為廣泛，能夠精確識別肺部的病變區域，對肺部疾病的早期診斷和治療具有重要意義。

GREIT的以下規范已被定義：

使用Sheffield類型EIT系統的單環電極配置，采用相鄰電流注入和測量。

基于3D前向模型的2D電導率變化圖像的線性（即實時）重建。

定量差分重建，可以為EIT圖像分配單位。

在單環16、12和8個電極配置下，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。

這些規范代表了我們認為在EIT社區中達成共識的領域的極限。我們并不認為這些限制是理想的；事實上，我們積極鼓勵克服這些限制的工作，例如單環電極放置及其導致的缺乏3D圖像信息的問題。

顯然，這些標準之間存在固有的權衡，不可能同時優化所有指標。因此，我們將按照以下步驟進行：首先，我們確定理想算法的期望性能指標；隨后，我們描述一種統一的方法來計算重建矩陣，該矩陣是在每個指標的重要性權重下的優化折衷。

我們考慮使用Sciospec EIT系統，并使用以下符號。使用nE個電極，依次應用nE種電流刺激模式，并對每種刺激模式并行進行nV次差分電壓測量。對于相鄰驅動EIT系統，通常不在驅動電極處測量電壓，且nV = nE - 3。每個數據幀測量一個向量v ∈ RnM，其中nM = nE * nV數據點（如果介質沒有變化，其中一些是冗余的）。差分EIT計算差分數據y，([y]i = [v]i - [vr]i)，或歸一化差分數據[y]i = ([v]i - [vr]i)/[vr]i)，其中vr是對應于背景電導率分布σr的一組參考測量。為了提高其精度，vr通常在多個數據幀中進行平均；這種集合平均可以減少隨機噪聲。

性能評價指標的計算概要

給定一個EIT差分或歸一化差分數據向量y（長度為nE * nV），我們基于一個表示為矩陣R的EIT線性重建算法計算出重建的EIT圖像x?。x?是一個列向量，表示32×32像素網格的圖像。經過重重優化，我們的EIT設備再一次精進了GREIT算法，達到了科研工作者們的使用目的。

二

技術優勢

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，能夠在噪聲較高的環境中，依然保持圖像的高分辨率和高精度。這對肺部疾病的早期發現和精準診斷科學研究具有重要作用。

2.2 實時監測

該設備能夠實現實時的肺部監測，對于需要持續觀察肺功能變化的患者尤為適用。例如，在重癥監護室中，醫生可以實時監測病人的肺部狀態，及時調整治療方案，提高治療效果。

2.3 無創檢測

Sciospec胸阻抗斷層成像儀是一種完全無創的檢測方法，避免了傳統檢測手段可能帶來的痛苦和風險。特別適用于兒童、老人等特殊志愿者人群的肺部檢測。

三

實際應用案例

3.1 重癥監護中的應用

在重癥監護室中，Sciospec胸阻抗斷層成像儀能夠實時監測患者的肺部狀況，幫助醫生及時發現肺部異常變化。例如，對于急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）患者，設備可以實時提供肺部阻抗圖像，幫助醫生制定更為有效的呼吸支持策略。

3.2 慢性肺病的管理

對于慢性阻塞性肺病（COPD）患者，Sciospec胸阻抗斷層成像儀的OEM醫療合作伙伴利用設備進行日常的肺功能監測，幫助志愿患者和醫生了解病情變化，及時調整治療方案，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和國外知名醫學單位合作檢測到早期的病變區域，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

LungEIT試劑盒配備符合IEC60601-1標準的安全功能，確保可靠和安全的運行。

該試劑盒包括所有必要的附件，如布線和電極帶，可無縫應用于肺部成像。

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

該設備允許用戶開發自己的應用程序，確保靈活性和定制性，并與EIDORS等標準兼容。

通過心電圖同步和外部傳感器和設備的隔離I/O等模塊，增強了研究能力。

五

核心優勢

5.1 輕松進入肺部成像

LungEIT試劑盒提供了最簡單的肺部成像入口，提供了一種即用型解決方案，簡化了初始設置和應用過程。唯一能為您提供研究系統靈活性的解決方案，并結合了醫療安全功能的優勢，從而簡化了進入臨床環境和研究的方式。

5.2 創新與測試

該試劑盒允許用戶在進樣模式和測量參數方面完全自由配置，訪問原始數據，開放接口，并與EIDORS等標準兼容。Sciospec LungEIT試劑盒擁有您嘗試想法、構建創新研究和產品所需的一切。為了進一步遷移到商業規模的應用，我們提供定制的OEM版本的EIT解決方案，以完全滿足您的產品需求。

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用程序，確保您的肺部成像研究的最佳起點。如果您需要超越這一點，我們有無數的選擇來擴展系統，從擴大通道數、增加外部傳感器和儀器的接口或同步到ECG信號——我們都能滿足您的需求。當事情變得復雜時，我們經驗豐富的專家會在您身邊，支持您構建應用程序。

六

技術規格

6.1 并行測量與同步切換

真正的并行測量和緊密同步的切換可實現快速幀速率，并且具有我們EIT平臺的所有功能，該套件擁有肺部成像和任何其他EIT應用所需的一切。

高達100 fps的高幀率

通道數從16到256

醫療級安全功能（符合ISO 60601-1標準）

多頻測量范圍從100 Hz到1 MHz

無數選項，如ECG同步和隔離I/O，用于與外部傳感器和設備集成

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用程序。這使得配置和運行EIT測量變得非常容易和快速，包括美觀的圖像重建。對于那些想要擴展這一點并使用自己的算法或進行完全不同類型的數據處理的人，我們提供了許多選項，包括自定義重建矩陣、原始數據導出和EIDORS兼容性。具有數據訪問能力，還具備強大的功能，支持各種研究和開發需求。

6.3安全特性

外殼：防止電路與外部設備或人員接觸，屏蔽測量前端（降噪）和機械安全

醫療級電源：外部隔離的AC/DC轉換器為設備供電，并可獨立電池操作

隔離的全速USB接口：用于儀器控制和數據讀取

以太網接口：標準RJ45接口，用于遠程控制儀器

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

測量和控制模塊：包括測量控制、信號處理、激勵生成和模擬測量功能

AC耦合前端：用于測量端口的AC耦合模塊，隔離儀器與測量對象或患者接口

七

結論

Sciospec胸阻抗斷層成像儀是一款科研型設備，為臨床前醫學奠定了扎實的基礎，胸阻抗斷層成像儀融合了Fidelity-Embedded Regularization和GREIT技術，提供了高精度、實時、無創的肺部成像解決方案。無論是在對志愿單位重癥監護、慢性病管理還是腫瘤篩查中，這款設備都展示出了其獨特的優勢。未來，隨著技術的不斷進步，Sciospec將繼續致力于為醫療行業提供更為先進和可靠的科研設備，助力全球健康事業的發展。