星標“醫(yī)工學人”，第一時間獲取醫(yī)工交叉領域新聞動態(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漫長而復雜的生物學過程，如何安全、便捷、連續(xù)地監(jiān)測愈合情況，對于指導康復、及時發(fā)現問題至關重要。然而，傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，如X光（DR）和計算機斷層掃描（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、超聲等技術又各有局限。因此，開發(fā)一種無輻射、便攜、可連續(xù)監(jiān)測的骨骼成像技術，是臨床醫(yī)學的迫切需求。

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

1 核心創(chuàng)新：將EIT技術“穿”在身上 

這項研究的革命性意義在于，它成功地將復雜的EIT成像系統(tǒng)集成到一個便攜、可穿戴的設備中，并通過精巧的算法設計和多層次的實驗驗證，證明了其在臨床應用中的可行性和巨大潛力。

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

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，包括16通道電極臂帶、信號傳感板和用戶界面。b圖生動地揭示了其工作原理：施加的電流（綠色流線）在不同電導率的組織中形成特定的電場分布（彩色背景），通過測量邊界電壓，利用逆問題求解算法，最終重建出內部的電導率圖像（右側），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備，研究團隊進行了系統(tǒng)性的優(yōu)化和創(chuàng)新。

有限元建模優(yōu)化： 在實際制作設備前，團隊首先利用COMSOL軟件建立了精細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量（8、16、32個）和不同激勵-測量模式（“相鄰模式”、“對向模式”等）對成像質量的影響，最終確定了“16電極相鄰模式”作為最優(yōu)方案，在硬件復雜度和成像質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，研究團隊采用了“差分成像”技術。他們首先通過仿真計算出一個不包含骨骼的“虛擬手臂”的參考電壓數據，然后用實際測量的電壓數據與之相減。這樣，肌肉、脂肪等背景組織的信號就被有效“抵消”，使得低電導率的骨骼區(qū)域在重建圖像中以高對比度的方式凸顯出來。

3 多層次驗證：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驗，雄辯地證明了該技術的可行性。

體外模型（Phantom）實驗：團隊3D打印了與真實尺骨和橈骨形態(tài)一致的模型，并模擬了骨折的三個階段：“骨折期”（有裂縫）、“恢復期”（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階段的圖像，并清晰地顯示出隨著愈合，骨折區(qū)域的電導率逐漸降低，與生理過程完全吻合。

人體實驗：在志愿者手臂上進行的測試中，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，證明了其在真實人體上的成像能力。

離體動物組織實驗：為了模擬更復雜的臨床場景（如鋼釘內固定），團隊在一個離體的豬蹄上進行了實驗。EIT臂帶不僅成功地顯示了正常的掌骨，還能清晰地識別出手術造成的骨缺損、植入的高電導率鋼釘、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果與MRI對比（改編自論文圖5）

圖片說明：該圖是本研究在人體應用上的直接證據。左側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構。中間為絕對EIT圖像，只能大致分辨內外組織。而右側的差分EIT圖像，則成功地將尺骨和橈骨（藍色低電導率區(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（改編自論文圖6）

圖片說明：該圖展示了EIT技術應對復雜臨床場景的潛力。a圖為實驗過程，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階段的變化：正常時骨骼為藍色低電導率區(qū)；產生缺損后藍色區(qū)域減小；植入鋼釘后，高電導率的鋼釘顯示為亮紅色區(qū)域；隨著骨碎片回填，藍色區(qū)域逐漸恢復。

4  結論與評價

這項研究，是可穿戴醫(yī)學成像領域的一項重大進步。它成功地將一種安全、無輻射的成像技術，從大型醫(yī)療設備中“解放”出來，濃縮到一個簡單、便攜的臂帶之中。

這項技術的進步是具有高度臨床轉化價值的：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）、經濟（成本遠低于CT/MRI）的長期監(jiān)測手段，更重要的是，它能夠提供連續(xù)的、動態(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等金標準媲美，但其在動態(tài)監(jiān)測方面的獨特優(yōu)勢，使其有望成為未來骨科康復、遠程醫(yī)療和個性化治療中不可或-缺的有力工具。這項工作為我們描繪了未來健康監(jiān)測的藍圖：專業(yè)的醫(yī)學成像技術將不再局限于醫(yī)院，而是以可穿戴的形式，走進千家萬戶，為我們的健康保駕護航。

▼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 | 張越青

編輯 | 員蓉

審核 | 醫(yī)工學人理事會