實(shí)用化電阻抗斷層成像系統(tǒng)的構(gòu)建和評(píng)價(jià)方法研究.pdf

1、電阻抗斷層成像(Electrical impedance tomography,EIT)通過(guò)置于人體體表的電極陣列,施加微小的電流激勵(lì),測(cè)量邊界響應(yīng),重建人體內(nèi)部的電阻抗分布圖像,具有無(wú)損傷、功能成像和醫(yī)學(xué)圖像監(jiān)護(hù)三大突出優(yōu)勢(shì)。EIT方法學(xué)研究在于探索EIT成像原理,希望影響因素最少,其測(cè)量系統(tǒng)通常是理想化的,具有最高的檢測(cè)靈敏度和最佳的信噪比。實(shí)用化EIT測(cè)量與理想仿真時(shí)的理想條件差別很大。檢測(cè)靈敏度和噪聲水平是實(shí)用化EIT檢測(cè)系統(tǒng)的

2、兩個(gè)關(guān)鍵因素。基于EIT方法學(xué)研究和實(shí)用化EIT系統(tǒng)的差異,本文對(duì)實(shí)用化EIT系統(tǒng)的構(gòu)建和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了深入的研究。
　　 (1)實(shí)用化EIT系統(tǒng)與激勵(lì)模式的研究?；趯?duì)理想條件下16電極系統(tǒng)的8種激勵(lì)模式的EIT測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分析,以不同檢測(cè)靈敏度和信噪比的模擬實(shí)用化EIT系統(tǒng),仿真研究了不同激勵(lì)模式下,不同檢測(cè)靈敏度的EIT系統(tǒng)對(duì)不同深度位置目標(biāo)的成像效果。結(jié)果表明,間6激勵(lì),間3激勵(lì)和相鄰激勵(lì)模式對(duì)不同檢測(cè)靈敏度的系統(tǒng)各具

3、有優(yōu)勢(shì)。不同激勵(lì)模式下的EIT測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),可作為實(shí)用化系統(tǒng)的構(gòu)建和評(píng)價(jià)指標(biāo),指導(dǎo)不同應(yīng)用目標(biāo)的實(shí)用化EIT系統(tǒng)選擇恰當(dāng)?shù)募?lì)-測(cè)量模式,以獲取令人滿意的圖像。也可在確定的激勵(lì)-測(cè)量模式條件下,估算或評(píng)價(jià)該實(shí)用化系統(tǒng)所需達(dá)到的最低性能指標(biāo),指導(dǎo)、驗(yàn)證硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建。
　　 (2)實(shí)用化EIT系統(tǒng)與測(cè)量模式的研究。相鄰激勵(lì)一相鄰測(cè)量模式下待測(cè)信號(hào)小,對(duì)測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度和信噪比要求高。采用交叉測(cè)量(CMP),通過(guò)增加間隔較大

4、電極間的電壓值測(cè)量,以可信度較好的大電壓值測(cè)量取代或補(bǔ)充可信度較差的小電壓值測(cè)量,改善整體數(shù)據(jù)的可信度和有效性,在一定程度上可降低對(duì)實(shí)用化EIT系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度和信噪比的要求。本文在分析CMP原理的基礎(chǔ)上,總結(jié)CMP構(gòu)建三原則,并提出了3種新的CMP,CMP-13a,CMP—13b,CMP-25,進(jìn)行了不同檢測(cè)靈敏度和不同噪聲水平模擬實(shí)用化EIT系統(tǒng)條件下,3種CMP,AMP和CMP-48的EIT仿真成像的對(duì)比研究與評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,本文提

5、出的3種CMP可在實(shí)用化EIT系統(tǒng)條件下,在提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的同時(shí),獲得較好質(zhì)量的重建圖像。
　　 (3)實(shí)用化EIT系統(tǒng)與圖像重建算法研究。基于作者研發(fā)的EIT-GUI軟件平臺(tái),采用有限元法研究了EIT圖像重建正問(wèn)題。針對(duì)不同檢測(cè)靈敏度和信噪比的模擬實(shí)用化EIT系統(tǒng),采用多種算法,等位線反投影算法(LBP),Tikhonov正則化算法和Tikhonov-Noser組合正則化算法,Landweber迭代算法,牛頓-拉夫遜算法進(jìn)行E

6、IT圖像重建,研究了不同算法對(duì)實(shí)用化EIT系統(tǒng)成像效果的影響。結(jié)果表明,本文的5種算法中,Tikhonov-Noser組合正則化算法無(wú)論是從成像質(zhì)量,抗噪性能,還是穩(wěn)定性上都顯示出優(yōu)于其他算法的性能。
　　 (4)三維EIT圖像重建與三維EIT系統(tǒng)測(cè)試和評(píng)價(jià)方法研究。初步研究了同層電極相鄰激勵(lì)-相鄰測(cè)量模式下3D-EIT圖像重建方法。設(shè)計(jì)了一個(gè)四層的空間電阻網(wǎng)絡(luò),模擬EIT成像中的三維被測(cè)場(chǎng)域。通過(guò)選定單元與相鄰單元的并聯(lián)電阻值