基于掃描電極的開放式電阻抗成像的研究.pdf

1、生物體本身是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，常常借助于光、電、磁學(xué)等手段對生物組織的特性進(jìn)行研究。由于不同的組織具有不同的電阻抗特性，同一組織在不同的狀態(tài)和頻率下其電阻抗特性差別較大，因此，電阻抗測量法是研究生物組織電特性的一種重要研究方法。而電阻抗成像是通過在模型表面施加一定的安全電流或電壓信號，測量邊界電壓或電流信號，根據(jù)需要利用動(dòng)態(tài)或靜態(tài)的電阻抗成像算法，實(shí)現(xiàn)模型內(nèi)部電導(dǎo)率分布的測量，是一種無損傷、能夠進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)的新型功能成像技術(shù)。由于測

2、量信息量、硬件測量系統(tǒng)的性能以及重建算法的限制，傳統(tǒng)的電阻抗成像的圖像分辨率難以得到改善，目前它只能作為一種輔助手段應(yīng)用于疾病的早期篩查和醫(yī)學(xué)圖像的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。而開放式電阻抗成像能夠改善封閉式電阻抗成像電極定位困難和模型難以匹配的缺陷，但是由于測量信息量的限制，開放式電阻抗成像技術(shù)還無法滿足臨床醫(yī)學(xué)對圖像質(zhì)量的要求。
　　在開放式電阻抗成像的基礎(chǔ)上提出了利用掃描電極測量電壓的方法，一方面，降低了固定的貼放電極對電阻抗成像質(zhì)量的影響；

3、另一方面，利用掃描電極的方式能夠在有限的生物體邊界上獲得更多的測量信息量。結(jié)合以上兩方面的優(yōu)勢，開放式電阻抗成像質(zhì)量和圖像的探測深度得到了提高。同時(shí)，為進(jìn)一步改善開放式電阻抗成像質(zhì)量，在掃描電極的基礎(chǔ)上對硬件測量系統(tǒng)以及電流激勵(lì)模式和電壓測量模式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并提出了幾種改善開放式電阻抗成像質(zhì)量的成像算法，推動(dòng)了電阻抗成像技術(shù)的發(fā)展，并為開放式電阻抗成像技術(shù)應(yīng)用于臨床奠定了基礎(chǔ)。
　　1．為實(shí)現(xiàn)體表淺層電阻抗分布的監(jiān)測，研究了成

4、像模型適應(yīng)性較強(qiáng)以及電極定位簡便的開放式電阻抗成像方式。為了在有限的測量邊界上獲得更多的測量信息量以及降低固定電極接觸面積對電阻抗成像質(zhì)量的影響，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)單一電極掃描的方式測量邊界電壓。為了提高測量的精度和便攜性，采用接觸面積較小的金屬電極作為電流激勵(lì)電極放置在測量邊界的兩端。
　　2．針對提出的基于掃描電極的開放式電阻抗成像，主要設(shè)計(jì)了一套測量簡便，性能較高的硬件測量系統(tǒng)。為了提高硬件測量系統(tǒng)的性能，提出了差動(dòng)輸出的恒流源電

5、路，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的Howland電流源電路，顯著提高了測量系統(tǒng)的共模抑制比和近乎于消除了共模干擾，提高了電流源電路的輸出阻抗，擴(kuò)大了負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力，進(jìn)而改善了整個(gè)硬件測量系統(tǒng)信噪比。同時(shí)，針對實(shí)際電路中存在的分布電感、分布電容、寄生電感和寄生電容的影響，提出補(bǔ)償方法，增加了電路特別是在高頻情況下的穩(wěn)定性。
　　3．針對基于掃描電極的開放式電阻抗成像，為了簡化測量和計(jì)算的復(fù)雜性對電流激勵(lì)模式和電壓測量模式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，提出

6、了具有較高探測深度的交叉電流激勵(lì)模式。其次，針對二維和三維開放式電阻抗成像，對電流激勵(lì)電極個(gè)數(shù)、電流激勵(lì)次數(shù)以及電壓測量點(diǎn)個(gè)數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，在保證電阻抗成像質(zhì)量的前提下，簡化了測量的復(fù)雜性，增加了開放式電阻抗成像系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
　　4．為進(jìn)一步提高開放式電阻抗成像質(zhì)量，提出了若干開放式電阻抗成像算法。首先，針對不同深度的重建目標(biāo)，提出了帶有加權(quán)參數(shù)的Tikhonov正則化算法，在一定程度上提高了開放式電阻抗成像質(zhì)量。其次，為了增

7、加算法的穩(wěn)定性，改善重建圖像的對比度和銳度，提出了基于Tikhonov正則化和變差正則化算法的混合變差正則化算法，通過仿真計(jì)算和實(shí)際的鹽水槽仿體實(shí)驗(yàn)證明了混合變差正則化算法能夠在很大程度上改善電阻抗成像質(zhì)量。最后，由于在實(shí)際測量中，模型誤差，測量誤差，計(jì)算誤差和電極誤差的存在，開放式電阻抗成像質(zhì)量受到很大的影響，特別是圖像的空間分辨率無法達(dá)到所要求的深度。因此，為了提高開放式電阻抗成像的空間分辨率，提出基于混合變差正則化算法的自適應(yīng)優(yōu)化