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Sciospec生物断层成像设备介绍

一、引言

近年来生物医学成像技术得到长足发展。其中，电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography, EIT)是一种新颖的生物成像技术，基本原理是通过给生物组织施加安全电流（小于 5mA），在生物组织内形成电流场，测量物体表面的电压，分析电磁场在体内的响应，zui后重构物体内部的电导率分布图像。

EIT技术自诞生以来，便被视为临床医学中重要的辅助成像工具，尤其是在的生物的监测中，该技术目前已经发展到了与临床应用十分接近的阶段。EIT的无创、无辐射、便携、可进行功能性成像等优点使其广泛应用于医学、地质勘探等成像领域。近期，国内外很多大型研究机构已经将EIT技术应用于监测呼吸机诱发或伴随机械损伤的相关研究中。因此，利用 EIT技术在生物组织的相关研究中变得尤为重要。而且，在与X-CT、核磁共振成像、超声波成像的对比中，EIT成像成本低廉、操作简单以及对人体几乎没有损失，得到了众多研究者的青睐。

表 1-1 对各种医学成像技术进行对比

二、EIT 系统的组成

EIT 系统主要由硬件平台以及软件成像算法构成，硬件平台主要负责数据测量，在正弦信号的激励下，从表面获取信号并解调出能反应生物组织电导率分布的数值，后期在软件重构成像算法中得到图像。

图1-1 EIT的简要测量模型

上海昊量光电设备有限公司代理的德国Sciospec公司的EIT设备，为国内外科研院所提供了多种类型的设备，包括单通道、多通道的EIS设备和不同电极的EIT设备。我们的EIT设备的特点如下：我们的EIT设备以16电极为主，可以实现32、64、128以及256电极的测试，且是独立通道。测试时间快，实时传输帧率zui高可达100fps，精度达到±100ppm。设备测试范围在100Hz 到1MHz，测试精度可以达到±100ppm (at 25°C)，电流范围可以控制在100nA到10mA，控制精度达到2.81μA。此EIT设备还有医疗级IsoIOport隔离同步模块，医疗级隔离IO接口，医疗级电源和医疗级等各种隔离保护的能力，来保障使用者安全使用。

设备详细参数如下：

激励和测试频率

激励电流

测量时间

频率扫描设置

注入/激励模式扫描设置

表 1-2  

三、EIT的使用方法展示

图1 设备前后面板，测试通道16*2

<sect图2 实验过程，水缸以及插在水缸上的16个电极，可以支持32个通道

图2为现场测试，在我们连接好设备，打开软件，做好校准后，就可以用Sciospec设备来测试生物的电阻抗，结果会以成像的形式展现给我们，从而更直观的将生物体内与电阻抗有关的特性（比如说病变）体现出来。以下展示利用EIT设备测试不同物体的表现。

图3 实验数据界面展示

图4 在水缸中测量橘子实时阻抗图像展示

红色的部分勾勒出物体的大致形态，且红色部分会随着物体的变化而不断移动位置，这个变化的快慢取决于采集图像帧的速度。设备的通道数越多，成像的清晰度就会越高。

图5 特别设计的EIT芯片，用于微流控测试

图6 利用EIT芯片测试物体实时图像

四、总结

电阻抗断层成像技术相对其它的成像技术，具有自身的优势。在未来的生物成像领域研究中定会发挥巨大的作用。Sciospec公司提供商用化的EIT设备，设备性能优越，是研究者提供实验的高效武器，同时设备类型多种多样，针对不同客户的需求提供OEM定制品。上海昊量光电作为Sciospec在中国的代理，愿为科研工作者提供优质的服务。

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绝大部分与岩土工程有关的严重地质问题都与地下断层的存在相关联。因此，开展断层(特别是活动断层)的探测是对断裂岩体或块体进行深入研究的首要任务。

在本案例中，研究人员利用背景噪声成像技术进行断裂带定位与分析。该项目共使用200台SmartSolo智能地震传感器，在北京某断层区域进行了被动源地震勘探。

被动源地震台阵的原点确定在测线的东南端，河岸道路与过桥道路的交汇处。台阵间距3米，总长度597米。根据此前主动源地震勘探提供的资料信息，断层平面到台阵原点距离估计约为270米。

图中虚线标记为断裂带位置

被动源地震测线标记为PSL2，2010年进行的主动源地震勘探测线被标记为ASLV。

根据SmartSolo智能地震传感器采集的一个小时背景噪声数据结果表示：断层出现的位置与之前在HGF沿线的研究结果吻合较好。

SmartSolo采集1小时背景噪声数据的多偏移交叉相关结果示例。

SmartSolo采集1小时背景噪声数据，使用多偏移距互相关结果进行10次叠加和动校正(NMO)。

（a)图为正断层的简化概念模型;(b)图为平面波源在表面入射15Hz脉冲时产生的波场的数值模拟结果;(c)图为SmartSolo记录的1小时背景噪声数据叠加自相关的二阶导数得到经验格林函数;(d)图为主动源地震勘探的波场。其中(b)-(d)中的所有波场都是垂直分量，主要断裂带的位置用明亮的黄色条带标出。

主动震源地震反射技术无疑是实现断层深度高分辨率成像的优选技术。但是主动源勘探成本高，而且必须使用炸 药，不适用于城市地震勘探。相比之下，被动源地震勘探方法利用了一直存在的背景噪声源，提供了一种低成本、快速部署的技术，可以有效地定位地下断层。

引用文献：

Rongyi Qian, Lanbo Liu, 2020, Imaging the active faults with ambient noise passive seismics and its application to characterize the Huangzhuang-Gaoliying fault in Beijing Area, northern China. Engineering Geology 268.