腦電阻抗成像技術(shù)中的頭模型及磁感應(yīng)斷層阻抗成像基礎(chǔ)研究.pdf

1、腦電阻抗斷層成像技術(shù)（Electrical Impedance Tomography，EIT）是EIT技術(shù)臨床應(yīng)用研究的一個(gè)重要方向。它具有EIT技術(shù)的無(wú)損、無(wú)害、連續(xù)監(jiān)護(hù)和功能成像的優(yōu)勢(shì)。與其他部位的EIT技術(shù)相比，腦阻抗成像面臨的一個(gè)特殊問(wèn)題是電導(dǎo)率相對(duì)比較低的顱骨對(duì)腦EIT成像會(huì)產(chǎn)生較大的影響，一方面會(huì)降低系統(tǒng)對(duì)顱內(nèi)阻抗變化的靈敏度，另一方面會(huì)影響系統(tǒng)的定位精度。 本文在分析了目前國(guó)內(nèi)外腦EIT研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)如何

2、評(píng)價(jià)顱骨對(duì)腦EIT的影響這一關(guān)鍵問(wèn)題，圍繞著用于腦EIT研究的頭部阻抗物理模型進(jìn)行了如下的研究工作： 1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇并使用上海硬石膏在頭部阻抗物理模型中模擬顱骨建立一個(gè)用于腦EIT研究的含顱骨層的頭部阻抗物理模型，可以在實(shí)驗(yàn)中更好地模擬真實(shí)的頭部電導(dǎo)率分布，為研究顱骨對(duì)腦EIT成像的影響、評(píng)估驅(qū)動(dòng)模式、改進(jìn)成像算法和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供良好的基礎(chǔ)。建立頭部阻抗物理模型的關(guān)鍵在于模擬顱骨材料的選擇。本文中，首先通過(guò)阻抗分析儀系統(tǒng)測(cè)量

3、了常見的五種口腔科石膏在空氣中和飽和4 CaSO 溶液中的電阻抗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)上海硬石膏的電導(dǎo)率(0.0130±0.00125 Sm-1)與顱骨電導(dǎo)率最為接近，加之其物理性質(zhì)穩(wěn)定、流動(dòng)性好、加工容易、成型后表面光滑而堅(jiān)固，因而初步選擇上海硬石膏作為模擬顱骨的材料。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)：上海硬石膏的電導(dǎo)率的時(shí)間穩(wěn)定性很好，從浸泡在飽和4 CaSO 溶液中第8天起到第25天所有6個(gè)樣本的電導(dǎo)率的均值和標(biāo)準(zhǔn)差為0.011731?à0.000643

4、Sm-1；上海硬石膏粉與蒸餾水的配比與其電導(dǎo)率的穩(wěn)定值之間存在一個(gè)近似線性的關(guān)系；上海硬石膏的穩(wěn)定電導(dǎo)率值在激勵(lì)頻率從1Hz到1MHz的范圍內(nèi)變化時(shí)，基本保持穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，上海硬石膏達(dá)到了在頭部阻抗物理模型中模擬顱骨的要求，適合用于EIT頭部阻抗物理模型。 2）建立了含均勻及非均勻電導(dǎo)率分布的仿真顱骨的頭部阻抗物理模型建立了兩個(gè)頭部阻抗物理模型：圓筒形模型和簡(jiǎn)單半球形模型。模型中，將電導(dǎo)率值穩(wěn)定的上海硬石膏加工成厚度約為

5、4~5mm的電導(dǎo)率均勻分布或非均勻分布的石膏球殼，將這些石膏球殼同心地固定在模型內(nèi)用來(lái)模擬電導(dǎo)率均勻分布(均質(zhì))或者非均勻分布(非均質(zhì))的顱骨。容器內(nèi)充滿飽和4 CaSO 溶液來(lái)模擬頭皮和腦組織的電導(dǎo)率分布。相對(duì)于圓筒形模型，半球形的模型中激勵(lì)電流的分布更加接近真實(shí)人體測(cè)量。 3）基于頭部阻抗物理模型的成像實(shí)驗(yàn)基于含均質(zhì)顱骨的圓筒形模型、含均質(zhì)及非均質(zhì)顱骨的簡(jiǎn)單半球形頭部阻抗物理模型和高定位精度的半球形物理模型，分別對(duì)無(wú)顱骨、

6、含均質(zhì)和非均質(zhì)顱骨條件下，模型內(nèi)具有不同電導(dǎo)率、大小和位置的擾動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行了EIT成像實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，如果在當(dāng)前的重構(gòu)算法中采用均勻電導(dǎo)率分布的正向計(jì)算模型，對(duì)來(lái)自含有均質(zhì)顱骨、單側(cè)非均質(zhì)顱骨和對(duì)側(cè)非均質(zhì)顱骨的頭模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，則最大定位誤差分別為11.5％、26.7％和17.8％，即采用電導(dǎo)率均勻分布的正向計(jì)算模型和含有單側(cè)非均質(zhì)顱骨的頭模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建時(shí)，定位誤差最大。這一結(jié)果提示我們，在重建算法的正向計(jì)算模型中，我們必

7、須充分考慮顱骨電導(dǎo)率非均勻分布這一因素，否則會(huì)嚴(yán)重影響腦EIT的定位精度。 磁感應(yīng)斷層成像技術(shù)(Magnetic Induction Tomography，MIT)是EIT技術(shù)的一個(gè)相對(duì)較新的研究領(lǐng)域。其獨(dú)特的磁場(chǎng)激勵(lì)方式和非接觸的檢測(cè)技術(shù)，一方面使激勵(lì)場(chǎng)更容易地穿透電導(dǎo)率較低的組織(如顱骨)，因而對(duì)成像區(qū)域的中心部分更加敏感；另一方面還減小了使用體表電極帶來(lái)的接觸阻抗、電極擺放的誤差等問(wèn)題。因此，MIT技術(shù)在腦阻抗成像方面具有

8、潛在的優(yōu)勢(shì)。但是其研究起步較晚，理論較為繁復(fù)，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較大，目前尚處于基礎(chǔ)研究階段。本文在分析了國(guó)內(nèi)外MIT技術(shù)最新研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，在MIT技術(shù)基礎(chǔ)研究方面主要進(jìn)行了以下工作： 1）單線圈的MIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改進(jìn)及初步的測(cè)量 實(shí)驗(yàn)基于NI的數(shù)據(jù)采集板6024E，用LabView6.0開發(fā)了磁感應(yīng)電導(dǎo)率測(cè)量的接口軟件，其功能有：可編程或單步控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)精確調(diào)整激勵(lì)線圈和測(cè)量線圈的相對(duì)位置，進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)；雙通道的

9、數(shù)據(jù)采集功能，可以軟件控制采樣速度和精度；數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)顯示和回放功能?；谠搯尉€圈MIT測(cè)量系統(tǒng)，還進(jìn)行了目標(biāo)電導(dǎo)率與感應(yīng)的電壓的相移和幅值的關(guān)系，場(chǎng)域的敏感性分布等實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相吻合。 2）推導(dǎo)了MIT的正問(wèn)題 從Maxwell電磁場(chǎng)方程組出發(fā)，詳細(xì)推導(dǎo)了MIT的正問(wèn)題。采用二維結(jié)點(diǎn)基有限元方法，以Visual C++ 2003.NET為工具編程求解了MIT正問(wèn)題對(duì)應(yīng)的開域時(shí)諧準(zhǔn)靜態(tài)渦流場(chǎng)的邊值問(wèn)題。然后

10、，對(duì)單線圈的以及16線圈的MIT測(cè)量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果良好的一致性證明了MIT正向計(jì)算的有效性，為MIT逆問(wèn)題的解決奠定了基礎(chǔ)。 3）用修正的Newton-Raphson算法求解了MIT的逆問(wèn)題 首先，采用基于互易定理的方法，利用正問(wèn)題的求解結(jié)果，計(jì)算了MIT的敏感矩陣。然后，推導(dǎo)并編程實(shí)現(xiàn)了Newton-Raphson迭代算法來(lái)求解MIT的逆問(wèn)題。為降低MIT逆問(wèn)題的病態(tài)性，還采用了基于奇異值分解(S

11、ingularValue Decomposition，SVD)的正則化技術(shù)。通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)使用特征值門限正則化方法的實(shí)際效果較好。 4）仿真成像實(shí)驗(yàn) 首先，在仿真測(cè)量數(shù)據(jù)中添加噪聲(0.5％的高斯白噪聲)和不添加噪聲條件下，重建出了成像區(qū)域內(nèi)單個(gè)或多個(gè)不同電導(dǎo)率的擾動(dòng)目標(biāo)，初步證明了當(dāng)前MIT成像算法較好的抗噪性能。其次，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明增大激勵(lì)頻率、增加線圈數(shù)都會(huì)增加MIT對(duì)局部區(qū)域電導(dǎo)率擾動(dòng)的敏感度，進(jìn)而提高重構(gòu)圖

12、像的質(zhì)量。這些結(jié)論與理論分析一致。然后，基于一個(gè)含有電導(dǎo)率均勻分布顱骨的三層同心圓頭模型，進(jìn)行了頭部MIT仿真成像實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，當(dāng)模型中頭皮、顱骨和腦的電導(dǎo)率比值分別設(shè)置為： 1 1: :120， 1 1: :140和1 1: :180時(shí)，重構(gòu)圖像的對(duì)比度并無(wú)明顯變化，只是重建出的單元電導(dǎo)率數(shù)值有所變化。 總之，本論文以電阻抗圖像監(jiān)護(hù)技術(shù)為總體研究目標(biāo)，主要圍繞著腦EIT中的頭模型及MIT成像算法這兩個(gè)方向開展研究工作，主要

13、的創(chuàng)新有： 1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明上海硬石膏能夠用于頭部電阻抗物理模型中模擬顱骨并在國(guó)內(nèi)首先建立了含電導(dǎo)率均勻分布及非均勻分布顱骨的頭部阻抗物理模型； 2）在國(guó)內(nèi)外，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究證明，基于目前在EIT重建算法中普遍采用電導(dǎo)率均勻分布的正向計(jì)算模型，顱骨電導(dǎo)率非均勻分布的特性將對(duì)腦EIT定位精度產(chǎn)生顯著影響。提示通過(guò)在成像算法中添加顱骨電導(dǎo)率非均勻分布的信息，將有望提高腦EIT的定位精度； 3）在國(guó)內(nèi)，首先實(shí)現(xiàn)了用于