腦電阻抗成像技術(shù)中的頭模型及磁感應(yīng)斷層阻抗成像基礎(chǔ)研究.pdf

1、腦電阻抗斷層成像技術(shù)（Electrical Impedance Tomography，EIT）是EIT技術(shù)臨床應(yīng)用研究的一個重要方向。它具有EIT技術(shù)的無損、無害、連續(xù)監(jiān)護和功能成像的優(yōu)勢。與其他部位的EIT技術(shù)相比，腦阻抗成像面臨的一個特殊問題是電導(dǎo)率相對比較低的顱骨對腦EIT成像會產(chǎn)生較大的影響，一方面會降低系統(tǒng)對顱內(nèi)阻抗變化的靈敏度，另一方面會影響系統(tǒng)的定位精度。 本文在分析了目前國內(nèi)外腦EIT研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對如何

2、評價顱骨對腦EIT的影響這一關(guān)鍵問題，圍繞著用于腦EIT研究的頭部阻抗物理模型進行了如下的研究工作： 1）通過實驗選擇并使用上海硬石膏在頭部阻抗物理模型中模擬顱骨建立一個用于腦EIT研究的含顱骨層的頭部阻抗物理模型，可以在實驗中更好地模擬真實的頭部電導(dǎo)率分布，為研究顱骨對腦EIT成像的影響、評估驅(qū)動模式、改進成像算法和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供良好的基礎(chǔ)。建立頭部阻抗物理模型的關(guān)鍵在于模擬顱骨材料的選擇。本文中，首先通過阻抗分析儀系統(tǒng)測量

3、了常見的五種口腔科石膏在空氣中和飽和4 CaSO 溶液中的電阻抗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)上海硬石膏的電導(dǎo)率(0.0130±0.00125 Sm-1)與顱骨電導(dǎo)率最為接近，加之其物理性質(zhì)穩(wěn)定、流動性好、加工容易、成型后表面光滑而堅固，因而初步選擇上海硬石膏作為模擬顱骨的材料。進一步的實驗還發(fā)現(xiàn)：上海硬石膏的電導(dǎo)率的時間穩(wěn)定性很好，從浸泡在飽和4 CaSO 溶液中第8天起到第25天所有6個樣本的電導(dǎo)率的均值和標準差為0.011731?à0.000643

4、Sm-1；上海硬石膏粉與蒸餾水的配比與其電導(dǎo)率的穩(wěn)定值之間存在一個近似線性的關(guān)系；上海硬石膏的穩(wěn)定電導(dǎo)率值在激勵頻率從1Hz到1MHz的范圍內(nèi)變化時，基本保持穩(wěn)定。實驗結(jié)果證明，上海硬石膏達到了在頭部阻抗物理模型中模擬顱骨的要求，適合用于EIT頭部阻抗物理模型。 2）建立了含均勻及非均勻電導(dǎo)率分布的仿真顱骨的頭部阻抗物理模型建立了兩個頭部阻抗物理模型：圓筒形模型和簡單半球形模型。模型中，將電導(dǎo)率值穩(wěn)定的上海硬石膏加工成厚度約為

5、4~5mm的電導(dǎo)率均勻分布或非均勻分布的石膏球殼，將這些石膏球殼同心地固定在模型內(nèi)用來模擬電導(dǎo)率均勻分布(均質(zhì))或者非均勻分布(非均質(zhì))的顱骨。容器內(nèi)充滿飽和4 CaSO 溶液來模擬頭皮和腦組織的電導(dǎo)率分布。相對于圓筒形模型，半球形的模型中激勵電流的分布更加接近真實人體測量。 3）基于頭部阻抗物理模型的成像實驗基于含均質(zhì)顱骨的圓筒形模型、含均質(zhì)及非均質(zhì)顱骨的簡單半球形頭部阻抗物理模型和高定位精度的半球形物理模型，分別對無顱骨、

6、含均質(zhì)和非均質(zhì)顱骨條件下，模型內(nèi)具有不同電導(dǎo)率、大小和位置的擾動目標進行了EIT成像實驗。結(jié)果表明，如果在當前的重構(gòu)算法中采用均勻電導(dǎo)率分布的正向計算模型，對來自含有均質(zhì)顱骨、單側(cè)非均質(zhì)顱骨和對側(cè)非均質(zhì)顱骨的頭模型的數(shù)據(jù)進行圖像重建，則最大定位誤差分別為11.5％、26.7％和17.8％，即采用電導(dǎo)率均勻分布的正向計算模型和含有單側(cè)非均質(zhì)顱骨的頭模型的數(shù)據(jù)進行圖像重建時，定位誤差最大。這一結(jié)果提示我們，在重建算法的正向計算模型中，我們必

7、須充分考慮顱骨電導(dǎo)率非均勻分布這一因素，否則會嚴重影響腦EIT的定位精度。 磁感應(yīng)斷層成像技術(shù)(Magnetic Induction Tomography，MIT)是EIT技術(shù)的一個相對較新的研究領(lǐng)域。其獨特的磁場激勵方式和非接觸的檢測技術(shù)，一方面使激勵場更容易地穿透電導(dǎo)率較低的組織(如顱骨)，因而對成像區(qū)域的中心部分更加敏感；另一方面還減小了使用體表電極帶來的接觸阻抗、電極擺放的誤差等問題。因此，MIT技術(shù)在腦阻抗成像方面具有

8、潛在的優(yōu)勢。但是其研究起步較晚，理論較為繁復(fù)，技術(shù)實現(xiàn)難度較大，目前尚處于基礎(chǔ)研究階段。本文在分析了國內(nèi)外MIT技術(shù)最新研究進展的基礎(chǔ)上，在MIT技術(shù)基礎(chǔ)研究方面主要進行了以下工作： 1）單線圈的MIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改進及初步的測量 實驗基于NI的數(shù)據(jù)采集板6024E，用LabView6.0開發(fā)了磁感應(yīng)電導(dǎo)率測量的接口軟件，其功能有：可編程或單步控制步進電機來精確調(diào)整激勵線圈和測量線圈的相對位置，進行測量實驗；雙通道的

9、數(shù)據(jù)采集功能，可以軟件控制采樣速度和精度；數(shù)據(jù)采集的實時顯示和回放功能?；谠搯尉€圈MIT測量系統(tǒng)，還進行了目標電導(dǎo)率與感應(yīng)的電壓的相移和幅值的關(guān)系，場域的敏感性分布等實驗。實驗結(jié)果與理論分析相吻合。 2）推導(dǎo)了MIT的正問題 從Maxwell電磁場方程組出發(fā)，詳細推導(dǎo)了MIT的正問題。采用二維結(jié)點基有限元方法，以Visual C++ 2003.NET為工具編程求解了MIT正問題對應(yīng)的開域時諧準靜態(tài)渦流場的邊值問題。然后

10、，對單線圈的以及16線圈的MIT測量實驗進行了仿真。仿真結(jié)果與實測結(jié)果良好的一致性證明了MIT正向計算的有效性，為MIT逆問題的解決奠定了基礎(chǔ)。 3）用修正的Newton-Raphson算法求解了MIT的逆問題 首先，采用基于互易定理的方法，利用正問題的求解結(jié)果，計算了MIT的敏感矩陣。然后，推導(dǎo)并編程實現(xiàn)了Newton-Raphson迭代算法來求解MIT的逆問題。為降低MIT逆問題的病態(tài)性，還采用了基于奇異值分解(S

11、ingularValue Decomposition，SVD)的正則化技術(shù)。通過比較，發(fā)現(xiàn)使用特征值門限正則化方法的實際效果較好。 4）仿真成像實驗 首先，在仿真測量數(shù)據(jù)中添加噪聲(0.5％的高斯白噪聲)和不添加噪聲條件下，重建出了成像區(qū)域內(nèi)單個或多個不同電導(dǎo)率的擾動目標，初步證明了當前MIT成像算法較好的抗噪性能。其次，通過仿真實驗證明增大激勵頻率、增加線圈數(shù)都會增加MIT對局部區(qū)域電導(dǎo)率擾動的敏感度，進而提高重構(gòu)圖

12、像的質(zhì)量。這些結(jié)論與理論分析一致。然后，基于一個含有電導(dǎo)率均勻分布顱骨的三層同心圓頭模型，進行了頭部MIT仿真成像實驗。結(jié)果顯示，當模型中頭皮、顱骨和腦的電導(dǎo)率比值分別設(shè)置為： 1 1: :120， 1 1: :140和1 1: :180時，重構(gòu)圖像的對比度并無明顯變化，只是重建出的單元電導(dǎo)率數(shù)值有所變化。 總之，本論文以電阻抗圖像監(jiān)護技術(shù)為總體研究目標，主要圍繞著腦EIT中的頭模型及MIT成像算法這兩個方向開展研究工作，主要

13、的創(chuàng)新有： 1）通過實驗證明上海硬石膏能夠用于頭部電阻抗物理模型中模擬顱骨并在國內(nèi)首先建立了含電導(dǎo)率均勻分布及非均勻分布顱骨的頭部阻抗物理模型； 2）在國內(nèi)外，首先通過實驗研究證明，基于目前在EIT重建算法中普遍采用電導(dǎo)率均勻分布的正向計算模型，顱骨電導(dǎo)率非均勻分布的特性將對腦EIT定位精度產(chǎn)生顯著影響。提示通過在成像算法中添加顱骨電導(dǎo)率非均勻分布的信息，將有望提高腦EIT的定位精度； 3）在國內(nèi)，首先實現(xiàn)了用于