星標(biāo)“醫(yī)工學(xué)人”，第一時(shí)間獲取醫(yī)工交叉領(lǐng)域新聞動(dòng)態(tài)~

骨折是臨床上最常見的損傷之一。骨折后的愈合過程是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的生物學(xué)過程，如何安全、便捷、連續(xù)地監(jiān)測(cè)愈合情況，對(duì)于指導(dǎo)康復(fù)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段，如X光（DR）和計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT），雖然能提供清晰的骨骼圖像，但其電離輻射限制了其頻繁使用，尤其不適用于孕婦、兒童等敏感人群。而MRI、超聲等技術(shù)又各有局限。因此，開發(fā)一種無輻射、便攜、可連續(xù)監(jiān)測(cè)的骨骼成像技術(shù)，是臨床醫(yī)學(xué)的迫切需求。

近日，一篇發(fā)表于國(guó)際知名期刊《ACS Sensors》的研究，為我們帶來了令人振奮的突破。來自東南大學(xué)、南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院等機(jī)構(gòu)的科研團(tuán)隊(duì)，成功開發(fā)了一種可穿戴的電阻抗斷層成像（EIT）臂帶。這個(gè)看似簡(jiǎn)單的臂帶，卻能像一臺(tái)微型的“CT機(jī)”一樣，無創(chuàng)、無輻射地“透視”手臂內(nèi)部骨骼的狀況，為骨折愈合的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)開辟了全新的道路。

1 核心創(chuàng)新：將EIT技術(shù)“穿”在身上 

這項(xiàng)研究的革命性意義在于，它成功地將復(fù)雜的EIT成像系統(tǒng)集成到一個(gè)便攜、可穿戴的設(shè)備中，并通過精巧的算法設(shè)計(jì)和多層次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了其在臨床應(yīng)用中的可行性和巨大潛力。

電阻抗斷層成像（EIT）是一種通過測(cè)量物體表面的電學(xué)信號(hào)來重建其內(nèi)部電導(dǎo)率分布的成像技術(shù)。不同的人體組織（如骨骼、肌肉、脂肪）具有不同的電導(dǎo)率。該研究的核心思想就是：通過一個(gè)環(huán)繞手臂的電極臂帶，向手臂施加微弱、安全的激勵(lì)電流，并測(cè)量由此在皮膚表面產(chǎn)生的電壓分布。通過分析這些電壓數(shù)據(jù)，就可以反演出手臂橫截面內(nèi)部的電導(dǎo)率圖像，從而清晰地分辨出低電導(dǎo)率的骨骼和高電導(dǎo)率的肌肉等組織。 骨折愈合過程中，骨痂的形成和礦化會(huì)顯著改變骨折區(qū)域的電導(dǎo)率。因此，通過連續(xù)監(jiān)測(cè)EIT圖像的變化，醫(yī)生就能直觀地了解骨折的愈合進(jìn)程。

圖1 可穿戴EIT臂帶系統(tǒng)的工作原理與流程（改編自論文圖1）

圖片說明：該圖全面展示了EIT臂帶系統(tǒng)。a圖為系統(tǒng)整體架構(gòu)，包括16通道電極臂帶、信號(hào)傳感板和用戶界面。b圖生動(dòng)地揭示了其工作原理：施加的電流（綠色流線）在不同電導(dǎo)率的組織中形成特定的電場(chǎng)分布（彩色背景），通過測(cè)量邊界電壓，利用逆問題求解算法，最終重建出內(nèi)部的電導(dǎo)率圖像（右側(cè)），從而分辨出骨骼。c圖則展示了硬件和軟件協(xié)同工作的完整流程。

2 從理論到實(shí)踐：系統(tǒng)優(yōu)化與算法創(chuàng)新

為了將理論變?yōu)榭煽康脑O(shè)備，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了系統(tǒng)性的優(yōu)化和創(chuàng)新。

有限元建模優(yōu)化： 在實(shí)際制作設(shè)備前，團(tuán)隊(duì)首先利用COMSOL軟件建立了精細(xì)的人體前臂三維有限元模型。通過仿真，他們系統(tǒng)地比較了不同電極數(shù)量（8、16、32個(gè)）和不同激勵(lì)-測(cè)量模式（“相鄰模式”、“對(duì)向模式”等）對(duì)成像質(zhì)量的影響，最終確定了“16電極相鄰模式”作為最優(yōu)方案，在硬件復(fù)雜度和成像質(zhì)量之間取得了最佳平衡。

差分成像算法： 為了更清晰地凸顯骨骼，研究團(tuán)隊(duì)采用了“差分成像”技術(shù)。他們首先通過仿真計(jì)算出一個(gè)不包含骨骼的“虛擬手臂”的參考電壓數(shù)據(jù)，然后用實(shí)際測(cè)量的電壓數(shù)據(jù)與之相減。這樣，肌肉、脂肪等背景組織的信號(hào)就被有效“抵消”，使得低電導(dǎo)率的骨骼區(qū)域在重建圖像中以高對(duì)比度的方式凸顯出來。

3 多層次驗(yàn)證：從模型到人體的全面成功 

該研究通過一系列由淺入深的實(shí)驗(yàn)，雄辯地證明了該技術(shù)的可行性。

體外模型（Phantom）實(shí)驗(yàn)：團(tuán)隊(duì)3D打印了與真實(shí)尺骨和橈骨形態(tài)一致的模型，并模擬了骨折的三個(gè)階段：“骨折期”（有裂縫）、“恢復(fù)期”（裂縫部分愈合）和“愈合期”（完全愈合）。EIT臂帶成功地重建了這三個(gè)階段的圖像，并清晰地顯示出隨著愈合，骨折區(qū)域的電導(dǎo)率逐漸降低，與生理過程完全吻合。

人體實(shí)驗(yàn)：在志愿者手臂上進(jìn)行的測(cè)試中，EIT臂帶重建出的尺骨和橈骨圖像，其位置和大小與該志愿者的MRI圖像高度一致，證明了其在真實(shí)人體上的成像能力。

離體動(dòng)物組織實(shí)驗(yàn)：為了模擬更復(fù)雜的臨床場(chǎng)景（如鋼釘內(nèi)固定），團(tuán)隊(duì)在一個(gè)離體的豬蹄上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。EIT臂帶不僅成功地顯示了正常的掌骨，還能清晰地識(shí)別出手術(shù)造成的骨缺損、植入的高電導(dǎo)率鋼釘、以及用骨碎片回填缺損后的愈合過程。

圖2 EIT臂帶在人體前臂的成像結(jié)果與MRI對(duì)比（改編自論文圖5）

圖片說明：該圖是本研究在人體應(yīng)用上的直接證據(jù)。左側(cè)為志愿者的前臂及其MRI橫截面圖像，清晰顯示了尺骨和橈骨的解剖結(jié)構(gòu)。中間為絕對(duì)EIT圖像，只能大致分辨內(nèi)外組織。而右側(cè)的差分EIT圖像，則成功地將尺骨和橈骨（藍(lán)色低電導(dǎo)率區(qū)域）清晰地重建出來，其位置和輪廓與MRI高度吻合。

圖3 EIT臂帶在離體豬蹄上模擬骨折愈合過程的監(jiān)測(cè)（改編自論文圖6）

圖片說明：該圖展示了EIT技術(shù)應(yīng)對(duì)復(fù)雜臨床場(chǎng)景的潛力。a圖為實(shí)驗(yàn)過程，模擬了正常、骨缺損、鋼釘植入、骨碎片回填等階段。c圖的EIT重建圖像清晰地反映了每個(gè)階段的變化：正常時(shí)骨骼為藍(lán)色低電導(dǎo)率區(qū)；產(chǎn)生缺損后藍(lán)色區(qū)域減小；植入鋼釘后，高電導(dǎo)率的鋼釘顯示為亮紅色區(qū)域；隨著骨碎片回填，藍(lán)色區(qū)域逐漸恢復(fù)。

4  結(jié)論與評(píng)價(jià)

這項(xiàng)研究，是可穿戴醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)步。它成功地將一種安全、無輻射的成像技術(shù)，從大型醫(yī)療設(shè)備中“解放”出來，濃縮到一個(gè)簡(jiǎn)單、便攜的臂帶之中。

這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步是具有高度臨床轉(zhuǎn)化價(jià)值的：它不僅為骨折患者提供了一種安全（無輻射）、便捷（可居家使用）、經(jīng)濟(jì)（成本遠(yuǎn)低于CT/MRI）的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)手段，更重要的是，它能夠提供連續(xù)的、動(dòng)態(tài)的愈合信息，這是傳統(tǒng)“拍片子”式的靜態(tài)檢查無法比擬的。雖然目前在空間分辨率上還無法與CT等金標(biāo)準(zhǔn)媲美，但其在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使其有望成為未來骨科康復(fù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療和個(gè)性化治療中不可或-缺的有力工具。這項(xiàng)工作為我們描繪了未來健康監(jiān)測(cè)的藍(lán)圖：專業(yè)的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)將不再局限于醫(yī)院，而是以可穿戴的形式，走進(jìn)千家萬戶，為我們的健康保駕護(hù)航。

▼參考資料

[1] Xu, S., Huang, X., Zhou, Z., Fan, J., Dong, L., Chen, Y., Yi, Z., Hong, H., Sheng, H., Lu, X., Gao, Y., Wang, Z., & Zhu, Z. (2025). Wearable Electrical-impedance-tomography Armband for Noninvasive and Continuous Bone Monitoring. ACS Sensors. https://doi.org/10.1021/acssensors.5c00710

END

撰文 | 張?jiān)角?/p>

編輯 | 員蓉

審核 | 醫(yī)工學(xué)人理事會(huì)