家兔腹部注射生理盐水的磁感应断层成像在体检测研究
陈启慧，齐天昕，刘锐岗
第四军医大学 生物医学工程系医学图像学教研室，陕西 西安 710032
[摘 要]目的研究磁感应断层成像技术对活体动物体内电阻抗改变在体检测的可行性。方法建立家兔腹部注射生理盐水模型。使用自研的16通道磁感应断层成像实验系统进行检测，通过时间差分Newton-Raphson成像算法获得相对注射前状态的电导率分布变化量的重建图像。对重建值与注射剂量的关系进行线性回归分析和统计学差异分析。结果重建图像显示出生理盐水的注射位置，其对应重建值随注射剂量的增加而上升，与剂量呈线性相关。结论磁感应断层成像技术可以在体检测活体动物体内的电导率分布变化情况，并能正确反映目标位置及重建值与注射剂量的变化趋势。
[关键词]磁感应断层成像；动物模型；生理盐水；在体检测；差分成像
引言
磁感应断层成像（Magnetic Induction Tomography，MIT）是一种基于电磁感应原理测量生物体内重建值分布的成像方法，它通过激励线圈施加交变磁场，在体内感应出交变涡流，再通过测量线圈测量感应涡流所引起的感应磁场信号，最终重建体内的电导率分布图像[1]。MIT与其他的生物电阻抗成像技术相同，具有无创、无辐射、检测成本低、可进行实时图像监护等特点。除此之外，MIT还具有非接触、易于穿透骨组织等特殊优势，展现出在生物医学成像中潜在的应用价值[2]。
近年来，国内外有多个研究小组在开展相关研究工作[3]，但多为数值仿真成像[4-7]和物理模型成像研究。后者所设定的电导率扰动目标多为盐水或者琼脂等电导率分布固定不变的物体[8-10]，以生物组织为成像目标的研究较少。Brunner等[11]对土豆进行了频率差分成像，虽获得准静态图像，但产生了与目标位置相邻的伪影。Watson等[12]对4名志愿者的大腿进行了成像，虽观察到目标存在电导率扰动，但未能重建出其边界轮廓。Maimaitijiang等[13]对猪肠包裹的离体血液进行了成像，获得目标的位置和大小。第四军医大学研究小组也对离体脂肪、离体血液、鸡蛋和油桃等成功进行了成像[14]。上述研究表明，虽然对于MIT的研究在不断发展，但是距离临床应用这一最终目的仍有较大距离。
由于人体结构与内环境复杂，体内组织的电阻抗不仅含有阻性成分，还含有容性成分，因此仅靠物理模型或离体组织模型并不能完全模拟其真实状态。而活体动物模型不仅更近似人体结构与内环境，更能较为真实地模拟人体生命活动中的生理和病理过程。但目前未见动物模型的MIT在体检测研究的相关文献报道。
第三军医大学研究小组对家兔脑部出血和缺血模型进行了磁感应相位移谱（Magnetic Induction Phase Displacement Spectrum，MIPS）的在体检测，利用电磁感应的方法成功检测到了动物体内电导率分布的变化情况。但该系统与单通道MIT类似，仅反映被测对象整体电导率平均分布的一维变化，无法进行图像重建，也无法对目标进行定位[15-16]。
本文选用家兔作为实验对象，通过对家兔腹部逐次注射生理盐水来模拟体内电导率分布逐渐改变的发展过程，并应用课题组自研MIT实验系统对体内电导率分进行时间差分成像分析。
1 材料与方法
1.1 FMMU-MIT实验系统
采用课题组自研的16通道FMMU-MIT实验系统，见图1。线圈阵列为16个激励-测量复用线圈，等间隔布置在直径20 cm的圆周上。激励信号为正弦交流信号，频率选择为10 MHz。系统每完成一次数据采集可获得15×16=240个相位数据，即为1帧，约耗时4～5 s。
图1 FMMU-MIT实验系统
被测对象放置在实验台的可滑动平板上。实验台和支架均为绝缘材料。滑动平板可将实验动物推入到线圈阵列处。测量时，先采集一帧数据为背景帧，之后所采集的数据均为前景帧。
1.2 MIT成像算法
采用时间差分Newton-Raphson算法来求解MIT的逆问题[17]，计算公式如下：
其中，Δσ21为电导率差值，H为Hessian矩阵，J为Jacobian矩阵，Vm1为背景帧测量数据，Vm2为前景帧测量数据，T为矩阵转置。为抑制逆问题中的病态性，使用特征值门限法进行正则化校正，其中参数rc设定为109。
1.3 动物模型建立
建立家兔腹部注射生理盐水模型。实验对象为6只体重2.0～2.2 kg的成年健康雌性家兔，常温下经家兔耳缘静脉注射3.5%戊巴比妥钠溶液，待家兔的浅感觉消失，呼吸平稳，可认为麻醉成功。随后，在其右下腹部选择合适位置，脱毛消毒，将留置针（只使用塑料外套，电绝缘，对MIT测量无影响）插入如图2所示的深层皮下[18]并固定。最后将家兔放置在MIT实验系统的线圈阵列之中。6只家兔均用相同的方法建立模型。
图2 注射位置示意图
1.4 数据采集
待MIT实验系统稳定后，采集一帧数据作为背景帧。使用注射针管抽取3 mL生理盐水（电导率约为1.26 S/m[19]），经留置针注入家兔腹部。其后，每2 min注射3 mL生理盐水。
MIT实验系统根据成像截面每个剖分单元上的电导率的变化值进行重建，以重建图像中的重建值来反映电导率变化，重建值大于零表示电导率升高，小于零表示电导率下降，等于零表示电导率不变。为便于使用，按照设定的映射关系，显示成伪彩色重建图像，其中红蓝绿依次表示电导率变化升高、降低和不变。实验过程中对重建图像中红色最深的位置（电导率变化最大的位置）进行读数，以反映目标位置电导率的变化量。分别记录6只家兔在注射0、3、6、9、12、15、18、21和24 mL生理盐水后MIT实验系统所得到的重建图像和重建值。
1.5 数据处理
利用Graphpad Prism5统计6只家兔在各个生理盐水注射剂量下重建值的平均值与标准误。以剂量为横坐标，重建值平均值为纵坐标进行作图并拟合曲线及其方程，然后计算相关系数r反映回归直线的拟合程度并作t检验。
2 结果
2.1 单次注射差分成像
重建图像显示，家兔腹部注射位点有红色成像而周围成蓝色，证明生理盐水的电导率较家兔腹部各组织高。对比家兔注射生理盐水的位置和成像结果中目标的位置，两者基本一致，说明系统能够正确反映家兔腹部电导率发生变化的位置，见图3。
图3 实际注射位置与单次注射差分成像
2.2 连续注射差分成像
对其中一只家兔注射剂量从0变化到24 mL时各剂量节点的成像结果进行分析，显示重建值随注射的生理盐水的剂量变化而发生改变。为便于对图像进行分析比较，以实验过程中重建值变化的范围为准，将所有图像的色度棒的上下限统一设置为-850～850，见图4。结果显示，随着注射剂量的增加，目标位置逐渐向红色加深，表明随着注射生理盐水剂量的增加，家兔腹部对应位置的重建值逐渐升高，说明系统能够正确反映注射生理盐水剂量的变化。
图4 连续注射差分成像
2.3 剂量-重建值变化趋势分析
以腹部注射的生理盐水剂量为横坐标，每组模型的重建图像中所记录的重建值均值为纵坐标绘制折线图，见图5。从该曲线可以看出，两者近似呈线性关系。为衡量其线性程度，进行线性回归分析，拟合直线见图5虚线。拟合直线方程：y=37.24x+3.90，相关系数r=0.9016，经过t检验，得P＜0.001（P：样本间的差异由抽样误差所导致的概率），可以认为剂量与重建值之间存在正相关。
图5 重建值随注射剂量变化曲线
为进一步验证剂量-重建值变化的线性程度，将每两次注射生理盐水后检测到的家兔腹部重建值变化的差值归一化后作图，见图6。图中曲线近似平行于x轴波动，且波动范围较稳定，说明随着注射剂量的增加，重建值的变化较为均匀，进一步验证了重建值与注射剂量之间存在线性关系。
图6 相邻注射的重建值差值归一化曲线
3 讨论
首次实现基于MIT技术的动物在体检测和监测，即采用非接触方式探测活体动物内部电阻抗分布的变化情况，为进一步的临床病变检测奠定良好基础。通过开展系统性的动物模型的MIT在体检测，发现原有物理模型实验所没有的问题，为后续MIT实验系统的改进提出建议，同时探索MIT潜在的临床应用目标和方向。
在前期实验中，将少量生理盐水注入家兔腹腔内，重建图像中显示的重建值上升后迅速下降。经解剖发现，生理盐水因其较大的流动性，无法在注射位置累积从而在注射后迅速扩散至腹腔，重建值的先升后降也正确反映了这种现象。但如果生理盐水无法在体内积累，系统将无法检测到重建值随剂量增加的连续性变化。因此，本实验优化了注射方案，注射位置由腹腔更改为深层皮下。该位置可使注入的生理盐水被皮下筋膜包裹，使液体的位置得到固定，便于系统检测。
在单次注射实验中除目标位置外，图像中还存在少量的伪影，见图3。原因是测量数据中存在噪声以及成像算法中存在计算误差。另外，不同注射剂量的成像中伪影大体相似，见图4，说明这是一个系统性的噪声表现。在连续注射实验中，随着注射剂量的增加，数据的离散性逐渐增大，见图5。其原因是生理盐水在深层皮下虽然有筋膜包裹但仍具有流动性，随着剂量的增加，筋膜包裹的生理盐水在皮下有限的空间内可以向各个方向延伸。若在线圈阵列所处层面内扩增，重建值相对变化较大；若以线圈阵列所处层面为中心向两侧层面扩增，则重建值变化较小。但此推论尚需更多实验数据支撑。
动物模型因其本身的生命活动可能对成像造成不确定的影响，例如重建值的变化量在12～15 mL处误差明显大于其他剂量（图6），原因在于实验中有一家兔在此时出现呼吸不均匀症状（大喘气），使得重建值变化异常。相比于电导率固定的物理模型，动物模型会因其体内环境复杂而对实验产生干扰，可能导致检测对象电导率分布不稳定，从而影响成像结果。但是从生理学角度来说，动物模型拥有物理模型无法比拟的优势。动物与人体的生命活动非常相似，复杂的体内环境干扰本身就是MIT系统在实际应用中不可避免却必须要解决的问题。因此开展活体动物模型MIT成像研究是为将来的临床应用奠定基础，是将MIT技术已取得的理论研究和模型实验结果推向临床验证的必经之路。通过动物模型的实验研究，可以发现连续动态活体成像中出现的一些问题，能够为进一步改善MIT系统性能提供指导。
针对动物模型实验出现的问题，下一步计划对实验进行优化。首先，增大动物模型数量从而减小系统误差，增加统计的准确性；其次，更精确地控制实验动物的生命活动，对每只实验动物制定个体化麻醉方案，使它们达到几乎一致的麻醉程度，从而减少实验动物的个体差异对检测结果分析的影响；第三，优化模型设计，例如用血浆代替生理盐水，从而使动物模型更真实地模拟人体腹部出血。
4 结论
本文应用16通道FMMU-MIT实验系统对家兔腹部注射生理盐水模型进行在体差分成像实验。成像结果可以正确显示生理盐水的注射位置以及随注射剂量的增加而成像目标的重建值和面积逐渐增大的趋势。数据分析表明，MIT成像的重建值和注射剂量呈线性正相关性。活体动物模型成像实验验证了MIT在体检测的可行性，使MIT研究向临床应用的目标更近一步。
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In Vivo Detection of the Injection of Normal Saline in Rabbit’s Abdomen Using Magnetic Induction Tomography
CHEN Qihui, QI Tianxin, LIU Ruigang
Department of Medical Imaging, School of Biomedical Engineering, The Fourth Military Medical University, Xi’an Shaanxi 710032, China
Abstract:ObjectiveOur study aimed to investigate the feasibility of magnetic induction tomography (MIT) detecting the conductivity distribution in vivo.MethodsA model of injecting normal saline into rabbit’s abdomen was established. The time-difference Newton-Raphson algorithm was applied to obtain the reconstructed images based on the background frames of conductivity distribution before injection by a 16 excitation-detection multiplex coils system. Statistical correlation and the significant differences between reconstructed values and doses were subsequently analyzed.ResultsThe reconstructed images showed the position of the saline injection, whose reconstructed values up-regulated with the dose increasing and were linearly dependent with dose.ConclusionMIT is available to investigate conductivity distribution in vivo by detecting the position and the variation trend of reconstructed values exactly with injected dose.
Key words:magnetic induction tomography; animal model; normal saline; in vivo detection; difference imaging
[中图分类号]TN911
[文献标识码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2017.11.010
[文章编号]1674-1633(2017)11-0035-04
收稿日期：2017-06-15
基金项目：国家自然科学基金面上项目（61271101）。
通讯作者：刘锐岗，副教授，主要研究方向为生物医学工程。
通讯作者邮箱：ruigang@fmmu.edu.cn
本文编辑 袁隽玲