床旁電阻抗動態(tài)圖像監(jiān)測的重構(gòu)算法及實驗研究.pdf

1、腦卒中，閉合性損傷，內(nèi)出血等疾病是臨床常見急重癥，如未及時發(fā)現(xiàn)，常常危及患者的生命，現(xiàn)有臨床檢查方法均不能對其進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，以達(dá)到及時檢測病情的目的，常會導(dǎo)致錯過最佳治療時期的不良后果。電阻抗斷層技術(shù)（Electricalimpedancetomography,EIT），能夠通過反映人體內(nèi)部組織的電阻抗變化來監(jiān)測人體病理生理學(xué)變化過程，具有無創(chuàng)、功能成像、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在以上疾病的床旁動態(tài)圖像監(jiān)測應(yīng)用上具有很好的應(yīng)用前景和研究價

2、值。
　　圖像重構(gòu)算法是EIT研究的重要關(guān)鍵問題，也是EIT國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。雖然有關(guān)EIT圖像重構(gòu)的算法報道很多，有不少多算法在仿真實驗上表現(xiàn)較好，但卻不能針對動物和人體數(shù)據(jù)成像，能夠在臨床應(yīng)用研究實驗上初步成像的只有反投影法（BackProjection,BP）。而BP算法存在空間分辨率低，偽影很大等問題，難以滿足臨床實際應(yīng)用需要，所以研究能基本滿足臨床應(yīng)用的成像算法是推進(jìn)EIT研究的關(guān)鍵。
　　針對EIT圖像重構(gòu)算法存

3、在的問題，本文基于最小二乘原則，利用解剖圖像邊界先驗信息，提出并實現(xiàn)了一種自適應(yīng)優(yōu)化的阻尼最小二乘動態(tài)重構(gòu)算法，并通過仿真實驗、物理模型實驗、動物模型實驗和臨床初步實驗對成像算法進(jìn)行了評估研究工作，結(jié)果表明該算法具有較好的實際成像效果。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　?。?）EIT阻尼最小二乘法的研究
　　將最小二乘原理引入到EIT動態(tài)算法重構(gòu)當(dāng)中，實現(xiàn)了EIT阻尼最小二乘重構(gòu)算法，該算法可以通過事先計算好重構(gòu)矩陣，實現(xiàn)快

4、速實時圖像重構(gòu)，是一種滿足床旁動態(tài)監(jiān)測的實時性要求的EIT動態(tài)重構(gòu)算法。算法具有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，重構(gòu)參數(shù)物理意義明確，可方便面對不同應(yīng)用需求進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)。
　?。?）EIT阻尼最小二乘法與反投影算法的仿真對比研究
　　通過計算機(jī)仿真，在多個指標(biāo)方面，仔細(xì)對比了阻尼最小二乘法與反投影重構(gòu)算法，仿真結(jié)果表明：相較于反投影法，阻尼最小二乘法具有成像分辨率高、定位準(zhǔn)確、偽影較小的優(yōu)點(diǎn)，同時也表明臨床應(yīng)用很關(guān)心的抗噪性能具有很大的不穩(wěn)

5、定性，其抗噪能力與重構(gòu)正則化參數(shù)密切相關(guān)，如果參數(shù)選取不恰當(dāng)，會導(dǎo)致重構(gòu)目標(biāo)失敗。
　?。?）EIT阻尼最小二乘法自適應(yīng)優(yōu)化改進(jìn)研究
　　針對阻尼最小二乘法抗噪性能不穩(wěn)定的不足，以及臨床應(yīng)用研究的實際需求，提出了自適應(yīng)優(yōu)化改進(jìn)的阻尼最小二乘法。完成了自適應(yīng)解剖邊界的重構(gòu)模型的構(gòu)建和自適應(yīng)較優(yōu)正則化參數(shù)的選取，該優(yōu)化方法還將EIT圖像與解剖圖像進(jìn)行融合顯示，通過優(yōu)化克服了阻尼最小二乘法抗噪能力不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，充分利用了阻尼最小二

6、乘法分辨率高、定位準(zhǔn)確、偽影較小的優(yōu)點(diǎn)。通過充分利用解剖圖像，提高了EIT圖像的對病灶的定位能力，方便了臨床應(yīng)用研究人員對EIT圖像的判讀。
　?。?）適用于床旁動態(tài)監(jiān)測的EIT軟件實驗平臺的研究與開發(fā)
　　針對EIT床旁動態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用特點(diǎn)，研究并開發(fā)了能夠?qū)崟r動態(tài)成像的圖像監(jiān)護(hù)軟件。軟件系統(tǒng)包含自適應(yīng)優(yōu)化的阻尼最小二乘法，可以進(jìn)行有限元仿真實驗和圖像監(jiān)護(hù)實驗。對于實驗研究人員，該軟件操作簡單、信息明了，可同時顯示EIT一維

7、和二維信息；對于系統(tǒng)設(shè)計與算法研究人員，該軟件功能強(qiáng)大、參數(shù)設(shè)置靈活、采用模塊化設(shè)計、可擴(kuò)展能力強(qiáng)。軟件實驗平臺的研究工作為相關(guān)實驗研究打下了基礎(chǔ)。
　?。?）物理模型實驗研究
　　利用研發(fā)的軟件系統(tǒng)，進(jìn)行了物理模型實驗。采用物理模型實測數(shù)據(jù)，對阻尼最小二乘法與反投影重構(gòu)算法進(jìn)行了對比研究，進(jìn)一步用實測數(shù)據(jù)確認(rèn)了阻尼最小二乘法的各項優(yōu)點(diǎn)。
　?。?）動物模型實驗研究
　　作為最接近真實床旁動態(tài)監(jiān)測的評估手段，我們

8、采用動物模型數(shù)據(jù)全面評估了阻尼最小二乘法及其自適應(yīng)優(yōu)化方法。實際使用效果表明：經(jīng)過自適應(yīng)優(yōu)化改進(jìn)后的阻尼最小二乘法，抗噪性能穩(wěn)定，能夠在注血量很少的情況下，檢測出注血變化；相較于傳統(tǒng)圓域反投影法，新算法所得最終的EIT/CT融合圖像可在器官級別精確定位出血位置，EIT所反映的出血位置與CT中的出血位置吻合度好。融合后的圖像，臨床接受程度也較高。
　?。?）初步臨床實驗研究
　　通過對臨床典型病例數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)一步證明了本文所

9、述算法是一種性能較優(yōu)，可以替代反投影法的適應(yīng)于臨床床旁動態(tài)監(jiān)測的重構(gòu)算法。有著很大的應(yīng)用潛力。
　　綜上，本文的特色和創(chuàng)新之處在于：以內(nèi)出血EIT床旁動態(tài)監(jiān)測為目標(biāo)，基于臨床應(yīng)用需求，提出了一種自適應(yīng)優(yōu)化的阻尼最小二乘動態(tài)重構(gòu)算法，設(shè)計了能夠?qū)崟r動態(tài)成像的圖像監(jiān)護(hù)軟件。通過仿真實驗研究、物理模型實驗研究、動物模型實驗研究和初步臨床實驗研究，仔細(xì)對比了本文所提算法與目前正在使用的反投影法，結(jié)果表明本文所提算法在空間分辨率、定位能力、