納米能源所陳翔宇研究員團隊 Sci. Adv.：基于位移電流的可穿戴式人體軟組織斷層成像技術
在活體內成像軟組織對評估長期生理或病理狀態，以及為患者量身定制臨床管理和康復干預具有重大意義。目前，主流的非侵入成像技術（如磁共振成像MRI和計算機斷層掃描CT）盡管在檢測精度上具有優勢，但在設備體積龐大、重量沉重、成本高昂和能耗過高等方面存在局限性。隨著即時檢測需求的不斷增加，便攜式、輕量化、可定制的可穿戴人體監測技術受到越來越多的關注。如針對心臟和乳腺的超聲成像設備，以及對顱內出血敏感的磁感應斷層成像技術。然而，這些設備仍面臨諸多挑戰，如介質耦合干預、皮膚應變引起的信號失真等問題 。更重要的是，由于組織成分和生理狀態的固有差異，僅通過一種可穿戴成像設備難以實現全面的綜合檢測。因此，基于多樣化成像機制的可穿戴成像設備的研發仍然是非常必要的。電阻抗斷層成像（EIT）用于重建特定區域內電學特性的空間分布，也構成了生物醫學成像的一個獨特研究分支。盡管之前的研究已經驗證了臺式EIT儀器在人體器官監測中的可能性，但開發用于動態組織成像的可穿戴和便攜式EIT設備仍面臨若干基礎性挑戰，包括電流源內阻的頻響特性、設備小型化引起的串擾以及寄生電容效應。更重要的是，為了在EIT中實現高質量成像，需要增強注入電流，但過度的電流刺激可能會對皮膚產生神經或肌肉損傷。因此，EIT的圖像質量依賴于低噪聲和高保真的硬件設計，其主要困難在于制備具有卓越負載適應性和信號質量的電流源。
為解決這些問題，北京納米能源與系統研究所陳翔宇研究員團隊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，可以利用用微安級別的檢測電流實現人體軟組織的成像檢測。這得益于摩擦靜電的超低電流輸出和高度可控的轉移電荷本質特性使得其能夠催生出各種具有優異生物相容性的生物電子設備。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合，可能為可穿戴斷層成像系統開創一種獨特的策略。本工作中設計了一種基于復合摩擦起電效應的高精度靜電信號源（HESS），為該TIT系統提供具有卓越生物相容性的高質量探測電信號，同時可以使用遠低于醫療設備安全標準的電流信號實現精細阻抗分析。HESS的總諧波失真達到0.03%，電流變化率降至0.01%。這種信號質量在以往報道的摩擦電設備中從未實現。基于該TIT系統，完成了對人體肢體軟組織的可穿戴時序成像。可以實現對肌肉運動和運動意圖的動態觀察，同時通過TIT設備獲取的橫截面圖像，還能夠區分深層組織中的微小異常病變，例如微骨折。憑借優異的生物相容性和輕量化設計，該TIT設備可與醫療輔助外骨骼或智能防護服集成，用于包括軟組織運動學分析、深層病變監測甚至康復治療等多樣化的應用。
相關工作以“A wearable triboelectric impedance tomography system for noninvasive and dynamic imaging of biological tissues”為題發表在《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了外骨骼機械結構的設計。
圖1：TIT系統的設計方案和系統組件概述。
如圖1所示。從硬件角度來看，TIT系統由HESS（用于信號生成）、電子皮膚（e-skin，作為檢測器）和微控制器（用于數據處理）組成。電子皮膚收集注入電流的阻抗反饋信息，數據處理模塊可快速生成不同軟組織的時變導電率圖像。針對人體生理結構定制的生物組織阻抗模型對于圖像重建至關重要。阻抗網絡由兩個基本阻抗元件（電極-皮膚（A）和內部組織（B））的耦合連接形成。對于阻抗元件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）與組織類型和狀態相關。因此，組織的生理或病理變化會改變上述電參數，引起局部阻抗變化，從而映射到邊界電壓。為了獲取導電率信息，TIT系統采用四端測量模式，選擇兩個相鄰電極作為電流注入點，并依次從其他相鄰電極對收集電壓信號。通過改變電流注入策略，并利用對側電極對進行直流（DC）注入，還可以獲得包含人體組織絕對電容值的特性曲線。TIT系統的整體設計方案如上圖所示，其中8個電極集成到電子皮膚上，并通過柔性電路與微控制器相連。收集到的生理信息主要在主機計算機上進行處理，實現圖像重建及基于機器學習的分類功能。
圖2 E-skin和HESS的設計方案和參數表征
附著于人體用于信號輸出和數據采集的電子皮膚（e-skin）包括四層功能結構——封裝層、支撐層、導電網絡和粘附層，總厚度小于10 μm。導電網絡采用圖案化設計，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）溶液作為基礎材料。PVA/CS與豬皮之間的拉伸強度、剪切強度和界面韌性分別為53.16 kPa、72.76 kPa和2.49 J·m?2。這種粘附強度能夠在500分鐘內提供可靠的附著性能。此外，通過提高AgNWs的長寬比，PPPA的電導率顯著提高。而與商業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，其中復合摩擦電流源用于提供穩定且高度可控的探測電流。在該復合電流源中，直流模塊產生的輸出電荷不僅可以獨立輸出以集成其他醫療設備，還可傳輸到交流模塊來放大并穩定最終輸出電流。這種電荷注入方案克服了傳統交流摩擦電源響應時間長、穩定性差、抗干擾能力低的缺陷。此外，本研究提出了一種動態平衡策略，用于定量優化HESS的電特性。優化后，DC信號在帶寬內的紋波系數低于5%，最低可達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僅為其57%。AC信號的總諧波失真低于1.2%，最低僅為0.03%，表明非基波分量對信號的影響可以忽略不計。輸出信噪比高于110 dB，峰值可達120 dB，為TIT系統的高精度檢測提供了強有力的保障。同時，AC信號的幅頻譜顯示，在20-200 Hz范圍內，電流強度表現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關，這有效解決了系統中電流源內部阻抗的頻率響應問題。進一步可通過控制PTFE厚度來調節輸出阻抗，在人體阻抗測量實驗中，HESS的內部阻抗在帶寬內被限制到50 MΩ（PTFE厚度：50 μm）。因此，當HESS與人體連接時，其輸出電流的變化率僅為0.02%。
微控制器具備64個數據采集通道，緊湊設計為5×5 cm，重量為34 g。采集到的時域信號通過Zigbee傳輸至主機進行數據處理。不同儀器測得的電壓進行時頻域比較，驗證了微控制器測量的可靠性。在電導率圖像重建中，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，確保基于邊界電壓的電導率分布唯一估計。為減輕基本算法圖像重建中的模糊、偽影及幻影邊界不準確等特征，將提SDF算法與OGN算法結合，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，同時有效抑制偽影。定量指標（均方根誤差（RMSE）、結構相似性指數（SSIM）、峰值信噪比（PSNR）及圖像相關系數（ICC））的顯著改善進一步證明了這一點。
圖3 TIT系統對上肢運動的圖像重建以及TIT系統與醫療輔助外骨骼的集成。
對于人體內部組織，細胞類型和細胞外液分布顯著影響生物組織的電導率，這體現在脂肪（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）等組織的特定電導率上。此外，在不同生理狀態下，組織電導率表現出差異，例如肌肉從靜止狀態過渡到收縮狀態時電導率約變化10%。這些在測量橫截面上的電導率變化可通過邊界電壓反饋到TIT系統，進而重建生理狀態的變化。在將TIT系統應用于生物組織測量時，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醫療設備標準規定的安全電流閾值。當手部從握拳狀態變化為伸出食指時，MRI顯示拇長外展肌和示指伸肌發生顯著的肌肉變化，同時其他組織也發生了小的形態變化。這一現象同樣在TIT圖像中體現：紅色表示組織電導率的下降，反映了肌肉收縮；而藍色區域則表明電導率增加，可能歸因于肌肉放松或組織位移。MRI與TIT系統均準確反映了主要肌肉收縮的區域，而橈骨和脛骨的形態及位移變化因較小未能在重建圖像中捕獲。而當手部逐漸伸出食指、中指及無名指時，顯著變化出現在深指屈肌及其鄰近血管組織中，在TIT圖像中表現為相應區域電導率的增加，表明該區域相關組織的放松。隨后，TIT設備被集成到醫療輔助外骨骼中，以驗證其適用性。圖3顯示了裝有TIT設備的外骨骼，電子皮膚貼附在前臂測試區域。HESS和微控制器經過集成后，通過快速拆卸結構安裝在外骨骼上。插圖顯示了與TIT設備集成的外骨骼的系統框架和控制邏輯。外骨骼的用戶，如肌無力患者，嘗試完成上肢動作時，與肌肉形狀相關的變化以及附近組織的鏈式反應均可通過TIT系統識別。基于TIT圖像與穿戴者運動意圖的既定關聯，外骨骼可引導產生輔助力量，幫助肌無力患者完成各種動作。通過負載10.5 kg的實驗評估集成外骨骼的性能，實驗包括12種動作，其中第一個動作為參考動作。當檢測到手部抓握時，外骨骼保持靜止，表明組織變化未能提供足夠的信息預測下一步手臂動作。然而，當提供力量的肌肉的電導率進一步降低，即使實際上未提起重量，TIT系統通過軟組織變化映射出運動意圖。該信息使外骨骼進入主動狀態，從而顯著放松相關組織。在接下來的外骨骼輔助上肢運動過程中，TIT系統持續將內部組織信息反饋至控制器，以評估用戶的運動意圖。將涉及12種動作的運動數據集（80%用于訓練集）導入遺傳算法優化的反向傳播（GA-BP）神經網絡。GA-BP網絡包括3層，輸入層40個神經元，隱藏層18個神經元，輸出層12個神經元（圖4F）。在12種動作上訓練的GA-BP模型平均準確率為97.58%，表現出高識別精度和快速收斂速度。利用基于GA-BP模型的智能增強，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系統重建前臂脂肪瘤的圖像并評估成像結果。
與傳統可穿戴傳感器相比，TIT系統不僅能夠識別肌肉運動，還能檢測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研究。脂肪瘤主要由致密脂肪組織組成，其電導率顯著低于其他軟組織。重建圖像證明了TIT系統在評估脂肪瘤的存在、位置和方向方面的可行性。TIT重建圖像中病變區域（以黑色顯示）略大于MRI觀察到的區域，這歸因于為增強TIT系統在病變檢測中的兼容性而選擇了較低的閾值。此外，對健康志愿者與患者的前臂進行MRI和TIT圖像的連續比較，以評估不同位置的圖像差異。上圖展示了TIT系統在不同位置重建的橫截面圖像，起點位于肘關節下方13 cm處，終點為腕關節。由上圖中的圖像構建的脂肪瘤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，該系統依賴于對人體內不同軟組織和可移動生物體液的阻抗信息分析。通過結合專門定制的微控制器和機器學習優化的重建算法，目標橫截面內的阻抗分布可以用于實現生物組織的無創成像以及異常組織的識別。高質量且生物相容的電流信號源是TIT系統的核心組成部分。本研究提出了一種具有特殊設計的直流-交流放大策略的復合電流源作為掃描信號源。包括摩擦電源、電機和控制電路在內的信號源被集成到一個尺寸為9 cm×9 cm×2 cm的模塊中。在復合電流源驅動下，該HESS獲得了4-5 μA的電流強度，表現出僅為0.03%的最小總諧波失真和高達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%，遠低于IEC-60601和GB-9706醫療設備標準規定的安全電流閾值。
TIT系統在實際測試中表現出平均SSNR為102 dB，結合本研究開發的SFD-OGN算法，TIT系統實現了1 mm/50 mm的最大測量空間分辨率，并獲得了成像精度98.18%和ICC值0.9995的高保真成像結果。在此情況下，TIT系統可以區分肘關節周圍的前臂提拉動作，最小檢測角度低至3°。TIT系統與醫療輔助外骨骼的集成實驗表明，TIT設備能夠高效識別用戶的運動意圖，平均識別精度達95.4%，從而指導外骨骼輔助肢體運動。除了肌肉運動外，TIT設備還能檢測軟組織的深層病理變化。通過TIT系統掃描前臂脂肪瘤的阻抗信息生成的3D建模結果，與MRI結果相比，其體積差異僅為5%。結合絕對電容分析，TIT系統還可以快速完成前臂閉合性損傷微骨折的檢測任務。本研究提出的TIT系統，為人機交互、外骨骼輔助治療、戶外醫療等領域的各種應用提供了支持，展現了廣闊的應用前景。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr9139
