呼吸過程三維電阻抗系統(tǒng)研究.pdf

1、電阻抗斷層成像(EIT)技術(shù)是根據(jù)生物體內(nèi)不同組織或同一組織在不同生理、病理狀態(tài)下具有不同電導(dǎo)率的特征，來得到機(jī)體內(nèi)部圖像的無損傷成像技術(shù)。通過在生物體表面施加安全電流（電壓），并測量表面其他測量點(diǎn)電壓，由計(jì)算機(jī)根據(jù)電學(xué)斷層圖像重建算法重構(gòu)出被測生物體內(nèi)部電阻抗分布圖像。它是將人體組織或器官的生物阻抗的分布和變化以2D/3D圖像的形式直觀的展現(xiàn)出來，為被測組織或器官進(jìn)行診斷和評(píng)價(jià)提供依據(jù)。EIT技術(shù)以其非侵入、安全無輻射、成本低廉、成像

2、速度快、可連續(xù)測量且實(shí)時(shí)可視化等優(yōu)點(diǎn)在醫(yī)學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域備受關(guān)注。
　　本文從EIT技術(shù)的物理模型出發(fā)，深入研究了三維EIT系統(tǒng)的測量機(jī)理，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了包括信號(hào)源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、FPGA控制模塊等的2D/3D電阻抗成像系統(tǒng)，采用VHDL語言編寫了整套系統(tǒng)的應(yīng)用程序，在物理模型-試驗(yàn)水槽上實(shí)現(xiàn)了二維及三維靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電阻抗成像，驗(yàn)證了系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性，最后對(duì)人體肺呼吸過程進(jìn)行了電阻抗成像，取得較好效果。主要的研究工作如下:

3、　　1.設(shè)計(jì)了一套兩層共32電極的三維高精度電阻抗成像系統(tǒng)硬件。該系統(tǒng)以PC機(jī)作為主控制器利用LabVIEW編寫的上位機(jī)軟件進(jìn)行發(fā)送指令和將上傳的數(shù)據(jù)處理并調(diào)用Matlab進(jìn)行成像。FPGA作為從控制器負(fù)責(zé)激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生、電極通道的切換、程控放大器增益的選擇及數(shù)據(jù)的采集與處理，采集到的數(shù)據(jù)通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)測量精度達(dá)0.082％，信噪比為60.3dB，空間分辨率達(dá)到0.29％。
　　2.針對(duì)正交序列數(shù)字解

4、調(diào)算法中參考信號(hào)與測量信號(hào)頻率不一致而引起的解調(diào)結(jié)果不準(zhǔn)確影響成像質(zhì)量的問題，提出無需數(shù)字解調(diào)直接提取幅值進(jìn)行電阻抗成像的方法:通過多次采樣比較和算術(shù)平均濾波法獲取幅值進(jìn)行EIT成像。經(jīng)理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，驗(yàn)證了直接提取阻抗幅值方法的可行性，提高了數(shù)據(jù)采集精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善了圖像成像質(zhì)量。
　　3.對(duì)構(gòu)建的EIT系統(tǒng)進(jìn)行二維成像的模擬試驗(yàn)。利用COMSOL軟件對(duì)二維系統(tǒng)進(jìn)行建模，基于共軛梯度算法，采用MATLAB對(duì)采集的數(shù)據(jù)

5、進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了二維靜態(tài)及動(dòng)態(tài)成像。成像結(jié)果較清晰的顯示了目標(biāo)物體在試驗(yàn)水槽中的個(gè)數(shù)、形狀、大小、位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信息。
　　4.在人體上實(shí)現(xiàn)肺呼吸過程的電阻抗二維動(dòng)態(tài)成像。利用COMSOL構(gòu)造了帶有先驗(yàn)信息的二維肺部物理仿真模型，結(jié)合MATLAB編程，計(jì)算靈敏度矩陣。在志愿者胸腔進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，通過共軛梯度算法，獲得了肺呼吸過程的二維電阻抗圖像，成像質(zhì)量良好。
　　5.在水槽模型上進(jìn)行了三維電阻抗成像實(shí)驗(yàn)。利用COMSOL

6、軟件構(gòu)建三維水槽的物理仿真模型，采用準(zhǔn)對(duì)角激勵(lì)和同層相鄰測量的工作模式，結(jié)合MATLAB編程，計(jì)算得到新的靈敏度矩陣。在試驗(yàn)水槽上下兩層電極上進(jìn)行了三維數(shù)據(jù)采集及靜動(dòng)態(tài)成像。成像結(jié)果準(zhǔn)確地反映了目標(biāo)物體在試驗(yàn)水槽中的個(gè)數(shù)、形狀、大小、位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、高度等信息。
　　6.人體呼吸過程三維電阻抗數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。在志愿者胸腔外圍均勻粘貼兩層共32個(gè)心電電極，在準(zhǔn)對(duì)角激勵(lì)和同層相鄰測量的工作模式下，采集呼吸過程邊界電壓并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了分