開放式電阻抗成像原理和技術(shù)研究.pdf

1、電阻抗成像技術(shù)(Electrical Impedance Tomography,EIT)是一種特點鮮明的成像技術(shù)，主要應(yīng)用于臨床醫(yī)學診斷。EIT技術(shù)通過配置于人體體表的電極陣列對人體施加電激勵并測量其電響應(yīng)信號，從中提取與人體生理、病理狀態(tài)相關(guān)的組織與器官的電特性信息，不但可以反映解剖學結(jié)構(gòu)，更能給出功能性圖像結(jié)果，這正是當前主流醫(yī)學影像技術(shù)所欠缺的。EIT技術(shù)不使用核素或射線，對人體無創(chuàng)、無電離輻射損傷，可以多次測量、重復使用。其設(shè)備

2、成本低廉，不要求特殊的工作環(huán)境，便于大規(guī)模推廣。這些特點使得EIT成為一種具有誘人應(yīng)用前景的新興醫(yī)學成像技術(shù)，受到當前生物醫(yī)學工程學界的廣泛關(guān)注。
　　 EIT技術(shù)的研究走過了約30年的歷程，總體來看，EIT成像尚存在分辨率不高的缺陷，到目前為止此技術(shù)還處于實驗室研究階段，僅在有限的領(lǐng)域開展了為數(shù)不多的臨床應(yīng)用研究。期望EIT技術(shù)短期內(nèi)成為一種主流的醫(yī)學影像技術(shù)并不現(xiàn)實，然而充分利用其鮮明的特點，在特定的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮其優(yōu)勢，將其

3、作為一種有效的輔助檢測手段還是大有可為，這是當前EIT研究的重要方向。在阻礙EIT臨床應(yīng)用推廣的因素中，除了成像分辨率不高之外，研究中被廣泛采用的封閉式EIT工作模式也是不容忽視的重要因素。論文的研究工作即是針對這一問題展開。
　　 論文首先仔細分析了封閉式EIT在臨床應(yīng)用中面臨的諸多問題和不足，針對臨床應(yīng)用的特點，提出了開放式EIT的思想和方法，規(guī)劃出適合臨床需求、簡潔易用的開放式EIT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上探討其理論、方法和實

4、現(xiàn)問題。
　　 在理論層面的研究中，在研究EIT電極建模和電磁問題數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，闡述了全電極模型的有限元求解方法，然后以有限元仿真為工具，從正問題計算的角度分析了開放式EIT場域邊界近似對邊界電位測量的影響以及不同激勵模式對檢測深度的影響，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 在圖像重構(gòu)方法的研究中，在對各種EIT重構(gòu)算法全面了解的基礎(chǔ)上，重點闡述了兼具重構(gòu)質(zhì)量與速度優(yōu)勢的一步牛頓法，結(jié)合對開放式EIT預期臨床應(yīng)用情況的分析

5、，提出了適合于開放式EIT應(yīng)用的快速一步牛頓頻差重構(gòu)方法，并通過仿真驗證了算法的有效性。
　　 在系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的研究中，在對EIT信號測量的關(guān)鍵問題深入探討的基礎(chǔ)上，依據(jù)開放式EIT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用直接數(shù)字合成、數(shù)字相敏解調(diào)、高速模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換等先進的信號測量技術(shù)，以高性能模擬和數(shù)字集成電路器件為核心實現(xiàn)了小型化測量探頭，在PC上以MATLAB為工具構(gòu)建了開放式EIT系統(tǒng)軟件平臺，研制出實驗樣機，并對其關(guān)鍵性能進行了測試。

6、r>　　 為驗證開放式EIT原理、方法的正確性以及實驗樣機的性能，開展了物理模型實驗和臨床實驗。前者包括水槽實驗和瓊脂模型實驗。實驗所用方形水槽專門針對開放式EIT的特點而開發(fā)，實驗結(jié)果表明開放式EIT對機體內(nèi)部淺層目標能較為清晰準確地成像。瓊脂實驗?zāi)Ｐ透鼮榻咏R床應(yīng)用情況，實驗結(jié)果表明對表面下較淺的目標能清晰分辨。在此基礎(chǔ)上，開展了初步的臨床應(yīng)用研究，針對乳腺癌病例、乳腺疾病門診病例和正常人樣本進行了總共37例測試，結(jié)果顯示開放式E

7、IT成像對塊狀腫瘤的定位和大小反應(yīng)基本準確，與X射線、超聲結(jié)果基本一致。但目前的成像結(jié)果離臨床診斷的需求尚有一定的距離，有待于進一步研究和開發(fā)。
　　 在三維EIT的初步研究中，針對目前二維EIT中信息量不足的問題，在開放式的框架下，建立初步的模型，通過有限元仿真研究其正問題，探索提高系統(tǒng)性能的途徑。
　　 論文最后對研究工作進行了總結(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題，提出了一些不足之處及對