電阻抗三維重構(gòu)方法與柔性電極成像系統(tǒng)研究.pdf

1、電阻抗成像技術(shù)（Electrical Impedance Tomography, EIT）是根據(jù)人體內(nèi)不同組織具有不同的電導(dǎo)率這一物理原理，通過(guò)給人體注入很小的安全電流，測(cè)量體表電位來(lái)提取人體內(nèi)部電導(dǎo)特性的信息，重構(gòu)出人體內(nèi)部的電參數(shù)分布或其變化的圖像為醫(yī)學(xué)診斷提供有用信息。電阻抗成像技術(shù)通過(guò)配置于人體體表的電極陣，提取與人體生理，病理狀態(tài)相關(guān)的電特性信息，既能反映解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，也可以給出功能性圖像，還因其無(wú)創(chuàng)、無(wú)輻射、設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉

2、、可連續(xù)使用、不要求特殊使用環(huán)境等鮮明的特點(diǎn)而受到當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)界的廣泛關(guān)注。但同時(shí)由于其成像在空間分辨率上與大多成像方式相比并不占優(yōu)勢(shì)，容易產(chǎn)生噪音、偽跡和扭曲，電極位置、接觸阻抗對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，成像算法不夠準(zhǔn)確等因素，使得該技術(shù)還不能普遍地被應(yīng)用。
　　論文首先仔細(xì)分析了電阻抗成像在臨床應(yīng)用中面臨的諸多問(wèn)題和不足，針對(duì)臨床應(yīng)用的特點(diǎn)，提出了一些新的思想和方法，以實(shí)現(xiàn)并改善三維電阻抗成像技術(shù)為目的，對(duì)三維電阻抗成像的電磁場(chǎng)

3、正問(wèn)題、重構(gòu)算法、顯示方式、測(cè)量硬件等方面進(jìn)行了廣泛研究，設(shè)計(jì)了多種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并開展了物理及初步臨床實(shí)驗(yàn)，克服了電阻抗成像通往臨床應(yīng)用上的部分障礙。
　　針對(duì)傳統(tǒng)的封閉式電阻抗成像適用范圍小、電極定位困難，而開放式電阻抗成像分辨率低、探測(cè)深度小的不足，提出了交叉平面成像的思想，改善了成像效果，降低了計(jì)算量，以期使用于腦水腫及乳腺癌的診斷及監(jiān)測(cè)。
　　本文建立了EIT正問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型及對(duì)交叉平面電阻抗系統(tǒng)的仿真研究，分析了場(chǎng)域

4、內(nèi)電導(dǎo)率變化、激勵(lì)方式、剖分密度等對(duì)邊界電位的影響，通過(guò)對(duì)多層顱骨模型內(nèi)含異物的仿真，分析了該方式用于無(wú)創(chuàng)腦水腫動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)的可行性為電阻抗成像的逆問(wèn)題求解奠定基礎(chǔ)。通過(guò)賦予先驗(yàn)信息的動(dòng)態(tài)成像，結(jié)合靈敏度關(guān)系分析解決該病態(tài)問(wèn)題和可能的雅可比矩陣的秩不足的問(wèn)題，處理方法包括對(duì)高頻分量截?cái)?，逆?wèn)題線性近似，并通過(guò)線性逼近來(lái)近似求得非線性問(wèn)題的解等，以滿足交叉平面電極圖像重建的要求，為進(jìn)行下一階段的目標(biāo)重構(gòu)與目標(biāo)體積評(píng)估等提供了依據(jù)。
　　

5、針對(duì)該交叉平面電極陣列系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套65個(gè)電極分布在半球面上，以高性能FPAG為核心，以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)的多頻激勵(lì)源的測(cè)量系統(tǒng)，開展了物理模型實(shí)驗(yàn)，包括對(duì)4個(gè)水平電極組平面和8個(gè)垂直電極組平面成像，并以此進(jìn)行插值重構(gòu)，其結(jié)果明顯優(yōu)于單一方向的成像，表現(xiàn)在目標(biāo)的扭曲及拉伸程度減小，成像速度上與三維剖分成像相比明顯提高，并且能夠以此為基礎(chǔ)進(jìn)行目標(biāo)的體積估計(jì)。本文還進(jìn)行了平面電極組三維電阻抗成像，使用邊界值提取和濾除的方法減少導(dǎo)致系統(tǒng)的噪聲，避

6、免了在重建的孔洞，突起和碎片，重建圖像提供更多的信息，包括深度，體積，目標(biāo)與背景間的電阻抗對(duì)比度等。
　　通過(guò)研究總結(jié)，提出了單通道，多頻點(diǎn)，采用柔性電極的電阻抗成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有靈活性強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以完成封閉式及開放式兩種測(cè)量思路的各項(xiàng)功能，摒棄了以往的固定電極位置的模式，而采用了根據(jù)不同測(cè)量病灶，不同測(cè)量個(gè)體，而制定相應(yīng)的測(cè)量范圍，測(cè)量方式，從而很好地解決了由于個(gè)體差異產(chǎn)生的模型誤差，并能夠進(jìn)行加密測(cè)量，滿足了醫(yī)護(hù)人員的

7、多種述求。基于以上系統(tǒng)進(jìn)行了包括，電極密度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，目標(biāo)物體體積估計(jì)，不同模型下的平面及三維成像等物理實(shí)驗(yàn)。數(shù)例初步的臨床實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)不同程度的腦出血，腦水腫，腦梗死，膠質(zhì)瘤患者的檢測(cè)，總體上患者的數(shù)據(jù)高于普通病例的數(shù)據(jù)，并寄以該系統(tǒng)來(lái)明確出血及多種原因形成的水腫，確定水腫位置和體積大小。
　　論文最后對(duì)研究工作進(jìn)行了總結(jié)，給出了所完成的主要研究工作及取得的成果，指出了目前存在的問(wèn)題，提出了一些不足之處及對(duì)本課題今后的研究