納米能源所陳翔宇研究員團(tuán)隊(duì) Sci. Adv.：基于位移電流的可穿戴式人體軟組織斷層成像技術(shù)
在活體內(nèi)成像軟組織對(duì)評(píng)估長(zhǎng)期生理或病理狀態(tài)，以及為患者量身定制臨床管理和康復(fù)干預(yù)具有重大意義。目前，主流的非侵入成像技術(shù)（如磁共振成像MRI和計(jì)算機(jī)斷層掃描CT）盡管在檢測(cè)精度上具有優(yōu)勢(shì)，但在設(shè)備體積龐大、重量沉重、成本高昂和能耗過(guò)高等方面存在局限性。隨著即時(shí)檢測(cè)需求的不斷增加，便攜式、輕量化、可定制的可穿戴人體監(jiān)測(cè)技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。如針對(duì)心臟和乳腺的超聲成像設(shè)備，以及對(duì)顱內(nèi)出血敏感的磁感應(yīng)斷層成像技術(shù)。然而，這些設(shè)備仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如介質(zhì)耦合干預(yù)、皮膚應(yīng)變引起的信號(hào)失真等問(wèn)題 。更重要的是，由于組織成分和生理狀態(tài)的固有差異，僅通過(guò)一種可穿戴成像設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)全面的綜合檢測(cè)。因此，基于多樣化成像機(jī)制的可穿戴成像設(shè)備的研發(fā)仍然是非常必要的。電阻抗斷層成像（EIT）用于重建特定區(qū)域內(nèi)電學(xué)特性的空間分布，也構(gòu)成了生物醫(yī)學(xué)成像的一個(gè)獨(dú)特研究分支。盡管之前的研究已經(jīng)驗(yàn)證了臺(tái)式EIT儀器在人體器官監(jiān)測(cè)中的可能性，但開(kāi)發(fā)用于動(dòng)態(tài)組織成像的可穿戴和便攜式EIT設(shè)備仍面臨若干基礎(chǔ)性挑戰(zhàn)，包括電流源內(nèi)阻的頻響特性、設(shè)備小型化引起的串?dāng)_以及寄生電容效應(yīng)。更重要的是，為了在EIT中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成像，需要增強(qiáng)注入電流，但過(guò)度的電流刺激可能會(huì)對(duì)皮膚產(chǎn)生神經(jīng)或肌肉損傷。因此，EIT的圖像質(zhì)量依賴于低噪聲和高保真的硬件設(shè)計(jì)，其主要困難在于制備具有卓越負(fù)載適應(yīng)性和信號(hào)質(zhì)量的電流源。
為解決這些問(wèn)題，北京納米能源與系統(tǒng)研究所陳翔宇研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種基于駐極體位移電流的阻抗斷層成像（TIT）的可穿戴技術(shù)，可以利用用微安級(jí)別的檢測(cè)電流實(shí)現(xiàn)人體軟組織的成像檢測(cè)。這得益于摩擦靜電的超低電流輸出和高度可控的轉(zhuǎn)移電荷本質(zhì)特性使得其能夠催生出各種具有優(yōu)異生物相容性的生物電子設(shè)備。在這種情況下，將靜電能量與阻抗斷層成像的成像算法相結(jié)合，可能為可穿戴斷層成像系統(tǒng)開(kāi)創(chuàng)一種獨(dú)特的策略。本工作中設(shè)計(jì)了一種基于復(fù)合摩擦起電效應(yīng)的高精度靜電信號(hào)源（HESS），為該TIT系統(tǒng)提供具有卓越生物相容性的高質(zhì)量探測(cè)電信號(hào)，同時(shí)可以使用遠(yuǎn)低于醫(yī)療設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)精細(xì)阻抗分析。HESS的總諧波失真達(dá)到0.03%，電流變化率降至0.01%。這種信號(hào)質(zhì)量在以往報(bào)道的摩擦電設(shè)備中從未實(shí)現(xiàn)；谠揟IT系統(tǒng)，完成了對(duì)人體肢體軟組織的可穿戴時(shí)序成像？梢詫(shí)現(xiàn)對(duì)肌肉運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)意圖的動(dòng)態(tài)觀察，同時(shí)通過(guò)TIT設(shè)備獲取的橫截面圖像，還能夠區(qū)分深層組織中的微小異常病變，例如微骨折。憑借優(yōu)異的生物相容性和輕量化設(shè)計(jì)，該TIT設(shè)備可與醫(yī)療輔助外骨骼或智能防護(hù)服集成，用于包括軟組織運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、深層病變監(jiān)測(cè)甚至康復(fù)治療等多樣化的應(yīng)用。
相關(guān)工作以“A wearable triboelectric impedance tomography system for noninvasive and dynamic imaging of biological tissues”為題發(fā)表在《Science Advances》（DOI: 10.1126/sciadv.adr9139），博士生楊鵬是論文的第一作者，陳翔宇研究員是該論文的唯一通訊作者，北航袁松梅教授指導(dǎo)了外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
圖1：TIT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)組件概述。
如圖1所示。從硬件角度來(lái)看，TIT系統(tǒng)由HESS（用于信號(hào)生成）、電子皮膚（e-skin，作為檢測(cè)器）和微控制器（用于數(shù)據(jù)處理）組成。電子皮膚收集注入電流的阻抗反饋信息，數(shù)據(jù)處理模塊可快速生成不同軟組織的時(shí)變導(dǎo)電率圖像。針對(duì)人體生理結(jié)構(gòu)定制的生物組織阻抗模型對(duì)于圖像重建至關(guān)重要。阻抗網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)基本阻抗元件（電極-皮膚（A）和內(nèi)部組織（B））的耦合連接形成。對(duì)于阻抗元件A，電極-皮膚表面之間的電阻（RE-S）和電容（CE-S），以及電極電阻（REle），由電極與皮膚的接觸條件決定。阻抗元件B表示內(nèi)部軟組織的阻抗，其中組織在傳感位置的電阻（RTis）和電容（CTis）與組織類型和狀態(tài)相關(guān)。因此，組織的生理或病理變化會(huì)改變上述電參數(shù)，引起局部阻抗變化，從而映射到邊界電壓。為了獲取導(dǎo)電率信息，TIT系統(tǒng)采用四端測(cè)量模式，選擇兩個(gè)相鄰電極作為電流注入點(diǎn)，并依次從其他相鄰電極對(duì)收集電壓信號(hào)。通過(guò)改變電流注入策略，并利用對(duì)側(cè)電極對(duì)進(jìn)行直流（DC）注入，還可以獲得包含人體組織絕對(duì)電容值的特性曲線。TIT系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如上圖所示，其中8個(gè)電極集成到電子皮膚上，并通過(guò)柔性電路與微控制器相連。收集到的生理信息主要在主機(jī)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)圖像重建及基于機(jī)器學(xué)習(xí)的分類功能。
圖2 E-skin和HESS的設(shè)計(jì)方案和參數(shù)表征
附著于人體用于信號(hào)輸出和數(shù)據(jù)采集的電子皮膚（e-skin）包括四層功能結(jié)構(gòu)——封裝層、支撐層、導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和粘附層，總厚度小于10 μm。導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)采用圖案化設(shè)計(jì)，包括接觸電極和蛇形傳輸線，由Pedot:PSS-聚氨酯（PU）-銀納米線（AgNWs）(PPPA)制成。其余三層功能層則以聚乙烯醇/殼聚糖（PVA/CS）溶液作為基礎(chǔ)材料。PVA/CS與豬皮之間的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和界面韌性分別為53.16 kPa、72.76 kPa和2.49 J·m?2。這種粘附強(qiáng)度能夠在500分鐘內(nèi)提供可靠的附著性能。此外，通過(guò)提高AgNWs的長(zhǎng)寬比，PPPA的電導(dǎo)率顯著提高。而與商業(yè)Ag/AgCl凝膠電極相比，電子皮膚在人體上的接觸阻抗顯著降低，僅為凝膠電極阻抗的35%。
HESS總重量105 g，其中復(fù)合摩擦電流源用于提供穩(wěn)定且高度可控的探測(cè)電流。在該復(fù)合電流源中，直流模塊產(chǎn)生的輸出電荷不僅可以獨(dú)立輸出以集成其他醫(yī)療設(shè)備，還可傳輸?shù)浇涣髂K來(lái)放大并穩(wěn)定最終輸出電流。這種電荷注入方案克服了傳統(tǒng)交流摩擦電源響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性差、抗干擾能力低的缺陷。此外，本研究提出了一種動(dòng)態(tài)平衡策略，用于定量?jī)?yōu)化HESS的電特性。優(yōu)化后，DC信號(hào)在帶寬內(nèi)的紋波系數(shù)低于5%，最低可達(dá)0.63%。與商用高壓直流電源相比，在相同額定電壓下的紋波系數(shù)僅為其57%。AC信號(hào)的總諧波失真低于1.2%，最低僅為0.03%，表明非基波分量對(duì)信號(hào)的影響可以忽略不計(jì)。輸出信噪比高于110 dB，峰值可達(dá)120 dB，為TIT系統(tǒng)的高精度檢測(cè)提供了強(qiáng)有力的保障。同時(shí)，AC信號(hào)的幅頻譜顯示，在20-200 Hz范圍內(nèi)，電流強(qiáng)度表現(xiàn)出較弱的頻率依賴性，電流振幅在更高頻率下基本與頻率無(wú)關(guān)，這有效解決了系統(tǒng)中電流源內(nèi)部阻抗的頻率響應(yīng)問(wèn)題。進(jìn)一步可通過(guò)控制PTFE厚度來(lái)調(diào)節(jié)輸出阻抗，在人體阻抗測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，HESS的內(nèi)部阻抗在帶寬內(nèi)被限制到50 MΩ（PTFE厚度：50 μm）。因此，當(dāng)HESS與人體連接時(shí)，其輸出電流的變化率僅為0.02%。
微控制器具備64個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，緊湊設(shè)計(jì)為5×5 cm，重量為34 g。采集到的時(shí)域信號(hào)通過(guò)Zigbee傳輸至主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。不同儀器測(cè)得的電壓進(jìn)行時(shí)頻域比較，驗(yàn)證了微控制器測(cè)量的可靠性。在電導(dǎo)率圖像重建中，選用一步高斯-牛頓方法作為基本框架，并引入高斯高通濾波器作為正則化算子，確；谶吔珉妷旱碾妼(dǎo)率分布唯一估計(jì)。為減輕基本算法圖像重建中的模糊、偽影及幻影邊界不準(zhǔn)確等特征，將提SDF算法與OGN算法結(jié)合，形成SDF-OGN算法。與OGN方法相比，SDF-OGN算法重建的模擬圖像形狀邊界更清晰，同時(shí)有效抑制偽影。定量指標(biāo)（均方根誤差（RMSE）、結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)（SSIM）、峰值信噪比（PSNR）及圖像相關(guān)系數(shù)（ICC））的顯著改善進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)。
圖3 TIT系統(tǒng)對(duì)上肢運(yùn)動(dòng)的圖像重建以及TIT系統(tǒng)與醫(yī)療輔助外骨骼的集成。
對(duì)于人體內(nèi)部組織，細(xì)胞類型和細(xì)胞外液分布顯著影響生物組織的電導(dǎo)率，這體現(xiàn)在脂肪（0.021-0.033 S m?1）、血液（0.52-0.83 S m?1）和腦脊液（1.79-1.81 S m?1）等組織的特定電導(dǎo)率上。此外，在不同生理狀態(tài)下，組織電導(dǎo)率表現(xiàn)出差異，例如肌肉從靜止?fàn)顟B(tài)過(guò)渡到收縮狀態(tài)時(shí)電導(dǎo)率約變化10%。這些在測(cè)量橫截面上的電導(dǎo)率變化可通過(guò)邊界電壓反饋到TIT系統(tǒng)，進(jìn)而重建生理狀態(tài)的變化。在將TIT系統(tǒng)應(yīng)用于生物組織測(cè)量時(shí)，注入的電流頻率被控制在100 Hz以上。TIT注入人體的電流密度僅為79.58-99.47 mA m?2，顯著低于IEC-60601和GB-9706醫(yī)療設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全電流閾值。當(dāng)手部從握拳狀態(tài)變化為伸出食指時(shí)，MRI顯示拇長(zhǎng)外展肌和示指伸肌發(fā)生顯著的肌肉變化，同時(shí)其他組織也發(fā)生了小的形態(tài)變化。這一現(xiàn)象同樣在TIT圖像中體現(xiàn)：紅色表示組織電導(dǎo)率的下降，反映了肌肉收縮；而藍(lán)色區(qū)域則表明電導(dǎo)率增加，可能歸因于肌肉放松或組織位移。MRI與TIT系統(tǒng)均準(zhǔn)確反映了主要肌肉收縮的區(qū)域，而橈骨和脛骨的形態(tài)及位移變化因較小未能在重建圖像中捕獲。而當(dāng)手部逐漸伸出食指、中指及無(wú)名指時(shí)，顯著變化出現(xiàn)在深指屈肌及其鄰近血管組織中，在TIT圖像中表現(xiàn)為相應(yīng)區(qū)域電導(dǎo)率的增加，表明該區(qū)域相關(guān)組織的放松。隨后，TIT設(shè)備被集成到醫(yī)療輔助外骨骼中，以驗(yàn)證其適用性。圖3顯示了裝有TIT設(shè)備的外骨骼，電子皮膚貼附在前臂測(cè)試區(qū)域。HESS和微控制器經(jīng)過(guò)集成后，通過(guò)快速拆卸結(jié)構(gòu)安裝在外骨骼上。插圖顯示了與TIT設(shè)備集成的外骨骼的系統(tǒng)框架和控制邏輯。外骨骼的用戶，如肌無(wú)力患者，嘗試完成上肢動(dòng)作時(shí)，與肌肉形狀相關(guān)的變化以及附近組織的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)均可通過(guò)TIT系統(tǒng)識(shí)別。基于TIT圖像與穿戴者運(yùn)動(dòng)意圖的既定關(guān)聯(lián)，外骨骼可引導(dǎo)產(chǎn)生輔助力量，幫助肌無(wú)力患者完成各種動(dòng)作。通過(guò)負(fù)載10.5 kg的實(shí)驗(yàn)評(píng)估集成外骨骼的性能，實(shí)驗(yàn)包括12種動(dòng)作，其中第一個(gè)動(dòng)作為參考動(dòng)作。當(dāng)檢測(cè)到手部抓握時(shí)，外骨骼保持靜止，表明組織變化未能提供足夠的信息預(yù)測(cè)下一步手臂動(dòng)作。然而，當(dāng)提供力量的肌肉的電導(dǎo)率進(jìn)一步降低，即使實(shí)際上未提起重量，TIT系統(tǒng)通過(guò)軟組織變化映射出運(yùn)動(dòng)意圖。該信息使外骨骼進(jìn)入主動(dòng)狀態(tài)，從而顯著放松相關(guān)組織。在接下來(lái)的外骨骼輔助上肢運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，TIT系統(tǒng)持續(xù)將內(nèi)部組織信息反饋至控制器，以評(píng)估用戶的運(yùn)動(dòng)意圖。將涉及12種動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)集（80%用于訓(xùn)練集）導(dǎo)入遺傳算法優(yōu)化的反向傳播（GA-BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。GA-BP網(wǎng)絡(luò)包括3層，輸入層40個(gè)神經(jīng)元，隱藏層18個(gè)神經(jīng)元，輸出層12個(gè)神經(jīng)元（圖4F）。在12種動(dòng)作上訓(xùn)練的GA-BP模型平均準(zhǔn)確率為97.58%，表現(xiàn)出高識(shí)別精度和快速收斂速度。利用基于GA-BP模型的智能增強(qiáng)，集成外骨骼可靠地提供與穿戴者意圖一致的力量支持。
圖4 TIT系統(tǒng)重建前臂脂肪瘤的圖像并評(píng)估成像結(jié)果。
與傳統(tǒng)可穿戴傳感器相比，TIT系統(tǒng)不僅能夠識(shí)別肌肉運(yùn)動(dòng)，還能檢測(cè)深層軟組織的病理性變化。一位前臂脂肪瘤患者參與了病理組織檢測(cè)研究。脂肪瘤主要由致密脂肪組織組成，其電導(dǎo)率顯著低于其他軟組織。重建圖像證明了TIT系統(tǒng)在評(píng)估脂肪瘤的存在、位置和方向方面的可行性。TIT重建圖像中病變區(qū)域（以黑色顯示）略大于MRI觀察到的區(qū)域，這歸因于為增強(qiáng)TIT系統(tǒng)在病變檢測(cè)中的兼容性而選擇了較低的閾值。此外，對(duì)健康志愿者與患者的前臂進(jìn)行MRI和TIT圖像的連續(xù)比較，以評(píng)估不同位置的圖像差異。上圖展示了TIT系統(tǒng)在不同位置重建的橫截面圖像，起點(diǎn)位于肘關(guān)節(jié)下方13 cm處，終點(diǎn)為腕關(guān)節(jié)。由上圖中的圖像構(gòu)建的脂肪瘤3D模型，與MRI建立的3D模型相比，體積差異僅為5%。從包含脂肪瘤的集成前臂模型及其橫截面圖像可以看出，該模型具有高保真度，滿足對(duì)病理組織的可視化要求。
本研究介紹了一種用于人體軟組織成像的TIT系統(tǒng)，該系統(tǒng)依賴于對(duì)人體內(nèi)不同軟組織和可移動(dòng)生物體液的阻抗信息分析。通過(guò)結(jié)合專門定制的微控制器和機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化的重建算法，目標(biāo)橫截面內(nèi)的阻抗分布可以用于實(shí)現(xiàn)生物組織的無(wú)創(chuàng)成像以及異常組織的識(shí)別。高質(zhì)量且生物相容的電流信號(hào)源是TIT系統(tǒng)的核心組成部分。本研究提出了一種具有特殊設(shè)計(jì)的直流-交流放大策略的復(fù)合電流源作為掃描信號(hào)源。包括摩擦電源、電機(jī)和控制電路在內(nèi)的信號(hào)源被集成到一個(gè)尺寸為9 cm×9 cm×2 cm的模塊中。在復(fù)合電流源驅(qū)動(dòng)下，該HESS獲得了4-5 μA的電流強(qiáng)度，表現(xiàn)出僅為0.03%的最小總諧波失真和高達(dá)120 dB的峰值信噪比。注入人體的電流密度僅為79.58-99.47 mA*m?2，輸出電流的變化僅為0.02%，遠(yuǎn)低于IEC-60601和GB-9706醫(yī)療設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全電流閾值。
TIT系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)試中表現(xiàn)出平均SSNR為102 dB，結(jié)合本研究開(kāi)發(fā)的SFD-OGN算法，TIT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了1 mm/50 mm的最大測(cè)量空間分辨率，并獲得了成像精度98.18%和ICC值0.9995的高保真成像結(jié)果。在此情況下，TIT系統(tǒng)可以區(qū)分肘關(guān)節(jié)周圍的前臂提拉動(dòng)作，最小檢測(cè)角度低至3°。TIT系統(tǒng)與醫(yī)療輔助外骨骼的集成實(shí)驗(yàn)表明，TIT設(shè)備能夠高效識(shí)別用戶的運(yùn)動(dòng)意圖，平均識(shí)別精度達(dá)95.4%，從而指導(dǎo)外骨骼輔助肢體運(yùn)動(dòng)。除了肌肉運(yùn)動(dòng)外，TIT設(shè)備還能檢測(cè)軟組織的深層病理變化。通過(guò)TIT系統(tǒng)掃描前臂脂肪瘤的阻抗信息生成的3D建模結(jié)果，與MRI結(jié)果相比，其體積差異僅為5%。結(jié)合絕對(duì)電容分析，TIT系統(tǒng)還可以快速完成前臂閉合性損傷微骨折的檢測(cè)任務(wù)。本研究提出的TIT系統(tǒng)，為人機(jī)交互、外骨骼輔助治療、戶外醫(yī)療等領(lǐng)域的各種應(yīng)用提供了支持，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。
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