實用化電阻抗斷層成像系統(tǒng)的構(gòu)建和評價方法研究.pdf

1、電阻抗斷層成像(Electrical impedance tomography,EIT)通過置于人體體表的電極陣列,施加微小的電流激勵,測量邊界響應(yīng),重建人體內(nèi)部的電阻抗分布圖像,具有無損傷、功能成像和醫(yī)學(xué)圖像監(jiān)護(hù)三大突出優(yōu)勢。EIT方法學(xué)研究在于探索EIT成像原理,希望影響因素最少,其測量系統(tǒng)通常是理想化的,具有最高的檢測靈敏度和最佳的信噪比。實用化EIT測量與理想仿真時的理想條件差別很大。檢測靈敏度和噪聲水平是實用化EIT檢測系統(tǒng)的

2、兩個關(guān)鍵因素。基于EIT方法學(xué)研究和實用化EIT系統(tǒng)的差異,本文對實用化EIT系統(tǒng)的構(gòu)建和評價方法進(jìn)行了深入的研究。
　　 (1)實用化EIT系統(tǒng)與激勵模式的研究?；趯硐霔l件下16電極系統(tǒng)的8種激勵模式的EIT測量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分析,以不同檢測靈敏度和信噪比的模擬實用化EIT系統(tǒng),仿真研究了不同激勵模式下,不同檢測靈敏度的EIT系統(tǒng)對不同深度位置目標(biāo)的成像效果。結(jié)果表明,間6激勵,間3激勵和相鄰激勵模式對不同檢測靈敏度的系統(tǒng)各具

3、有優(yōu)勢。不同激勵模式下的EIT測量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),可作為實用化系統(tǒng)的構(gòu)建和評價指標(biāo),指導(dǎo)不同應(yīng)用目標(biāo)的實用化EIT系統(tǒng)選擇恰當(dāng)?shù)募?測量模式,以獲取令人滿意的圖像。也可在確定的激勵-測量模式條件下,估算或評價該實用化系統(tǒng)所需達(dá)到的最低性能指標(biāo),指導(dǎo)、驗證硬件系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建。
　　 (2)實用化EIT系統(tǒng)與測量模式的研究。相鄰激勵一相鄰測量模式下待測信號小,對測量系統(tǒng)檢測靈敏度和信噪比要求高。采用交叉測量(CMP),通過增加間隔較大

4、電極間的電壓值測量,以可信度較好的大電壓值測量取代或補充可信度較差的小電壓值測量,改善整體數(shù)據(jù)的可信度和有效性,在一定程度上可降低對實用化EIT系統(tǒng)檢測靈敏度和信噪比的要求。本文在分析CMP原理的基礎(chǔ)上,總結(jié)CMP構(gòu)建三原則,并提出了3種新的CMP,CMP-13a,CMP—13b,CMP-25,進(jìn)行了不同檢測靈敏度和不同噪聲水平模擬實用化EIT系統(tǒng)條件下,3種CMP,AMP和CMP-48的EIT仿真成像的對比研究與評價。結(jié)果表明,本文提

5、出的3種CMP可在實用化EIT系統(tǒng)條件下,在提高系統(tǒng)實時性的同時,獲得較好質(zhì)量的重建圖像。
　　 (3)實用化EIT系統(tǒng)與圖像重建算法研究。基于作者研發(fā)的EIT-GUI軟件平臺,采用有限元法研究了EIT圖像重建正問題。針對不同檢測靈敏度和信噪比的模擬實用化EIT系統(tǒng),采用多種算法,等位線反投影算法(LBP),Tikhonov正則化算法和Tikhonov-Noser組合正則化算法,Landweber迭代算法,牛頓-拉夫遜算法進(jìn)行E

6、IT圖像重建,研究了不同算法對實用化EIT系統(tǒng)成像效果的影響。結(jié)果表明,本文的5種算法中,Tikhonov-Noser組合正則化算法無論是從成像質(zhì)量,抗噪性能,還是穩(wěn)定性上都顯示出優(yōu)于其他算法的性能。
　　 (4)三維EIT圖像重建與三維EIT系統(tǒng)測試和評價方法研究。初步研究了同層電極相鄰激勵-相鄰測量模式下3D-EIT圖像重建方法。設(shè)計了一個四層的空間電阻網(wǎng)絡(luò),模擬EIT成像中的三維被測場域。通過選定單元與相鄰單元的并聯(lián)電阻值