頭部組織三維核磁共振電阻抗成像算法研究.pdf

1、無創(chuàng)生物電阻抗成像是當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域重大研究課題之一。生物組織電阻抗的變化與其生理和病理狀況密切相關(guān),因此生物電阻抗成像技術(shù)能為醫(yī)學(xué)診斷和醫(yī)學(xué)研究提供有價值的信息。生物電阻抗成像不但能反映解剖學(xué)結(jié)構(gòu)且能給出功能性結(jié)果,與CT、超聲等成像技術(shù)相比具有一定的優(yōu)勢?；诖殴舱癯上裣到y(tǒng)的生物電阻抗成像技術(shù)(MREIT)是近幾年發(fā)展起來的新型非入侵式成像技術(shù),該技術(shù)的成像精確度與空間分辨率都較普通阻抗成像技術(shù)要高很多,受到了越來越多阻抗成像技

2、術(shù)工作者的關(guān)注。由于MREIT的磁場能穿透如顱骨和胸部脂肪等低電導(dǎo)率的表層生物組織而作用到深層組織,該阻抗成像方法能提供更多關(guān)于組織內(nèi)部的信息。目前MREIT技術(shù)在頭部組織應(yīng)用上存在以下問題:1)大多數(shù)MREIT頭部成像算法都是基于頭部組織均質(zhì)阻抗成像,對非均質(zhì)電導(dǎo)率的研究甚少；2)成像物體在核磁共振成像系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)問題。這兩個問題阻礙了MREIT技術(shù)在頭部阻抗成像應(yīng)用上的繼續(xù)發(fā)展。本課題從MREIT在人體頭部阻抗成像上的應(yīng)用,即圖像重

3、構(gòu)算法入手,從機理和結(jié)論方面,比較研究了多種算法,進行了以下的工作:針對上述兩個影響MREIT技術(shù)發(fā)展的問題展開了研究,首先對頭部組織電導(dǎo)率均質(zhì)、非均質(zhì)和各向異性電特性對電阻抗成像問題中電磁場分布的影響進行了分析,提出了幾種三維MREIT成像算法,實現(xiàn)了對三維物體的阻抗重建；針對成像物體在MRI系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)問題,提出了利用單個／兩個方向磁感應(yīng)強度測量值對三維物體電導(dǎo)率分布進行重建的MREIT算法。上述算法的可行性與有效性均在頭模型上進行

4、了計算機仿真實驗驗證,并取得了令人滿意的結(jié)果。
　　 本論文安排如下:
　　 第一章簡述了選題意義,介紹了腦功能成像中頭部阻抗成像的研究背景、意義和頭部阻抗成像的基本問題,從有創(chuàng)和無創(chuàng)兩個角度對阻抗成像方法進行了介紹,總結(jié)了各種成像方法的優(yōu)勢和局限性以及目前頭部阻抗成像研究中的重點和難點,最后介紹了本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點。
　　 第二章介紹了MREIT的數(shù)學(xué)描述,從正問題求解和逆問題求解兩方面對MREIT問

5、題的數(shù)值和解析解進行了研究。
　　 第三章介紹了頭部組織非均質(zhì)和各向異性電特性對阻抗成像問題中電磁場分布的影響。對頭部組織電特性,包括組織均質(zhì)電導(dǎo)率、非均質(zhì)電導(dǎo)率及各向異性電導(dǎo)率對傳統(tǒng)EIT及MREIT的正問題中電磁場分布的影響進行了研究,為MREIT技術(shù)在頭部組織成像中的應(yīng)用奠定了一定程度的理論基礎(chǔ)。
　　 第四章主要將均質(zhì)電導(dǎo)率重構(gòu)的RBF-MREIT算法擴展到重構(gòu)頭部大腦內(nèi)各向同性的腦脊液、灰質(zhì)組織和各向異性的白質(zhì)

6、組織電導(dǎo)率上。對建立在擴散張量核磁共振成像(Diffusion Tensor-Magnetic Resonance Imaging,DT-MRI)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的白質(zhì)組織各向異性電導(dǎo)率和各向同性的灰質(zhì)、腦脊液目標(biāo)電導(dǎo)率進行重構(gòu)。在五層真實形狀頭模型(包括頭皮、顱骨、腦脊液、灰質(zhì)和白質(zhì)組織)上進行的仿真實驗結(jié)果表明將MREIT技術(shù)用于頭部結(jié)構(gòu)復(fù)雜組織的電導(dǎo)率(白質(zhì)各向異性和灰質(zhì)、腦脊液各向同性)重構(gòu)是可靠且有實際研究意義的。
　　 第

7、五章首先應(yīng)用基于敏感度矩陣的MREIT算法對簡單模型進行阻抗成像；并為了解決現(xiàn)有MREIT技術(shù)在頭部阻抗成像應(yīng)用上的局限性,提出了基于By-Bz分量的代數(shù)重構(gòu)MREIT算法來對頭部各組織非均質(zhì)電導(dǎo)率分布進行重構(gòu)；并進一步提出了two-Step MREIT算法對更加精細復(fù)雜的頭部組織非均質(zhì)電導(dǎo)率分布進行重構(gòu)。在真實頭模型上進行的仿真實驗研究結(jié)果表明,上述算法可以比較精確地重構(gòu)出組織的非均質(zhì)電導(dǎo)率并具有良好的抗噪聲能力,重構(gòu)的阻抗圖像具有較