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(diǎn)鮮明的成像技術(shù)，主要應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)診斷。EIT技術(shù)通過配置于人體體表的電極陣列對(duì)人體施加電激勵(lì)并測(cè)量其電響應(yīng)信號(hào)，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(xué)結(jié)構(gòu)，更能給出功能性圖像結(jié)果，這正是當(dāng)前主流醫(yī)學(xué)影像技術(shù)所欠缺的。EIT技術(shù)不使用核素或射線，對(duì)人體無(wú)創(chuàng)、無(wú)電離輻射損傷，可以多次測(cè)量、重復(fù)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(diǎn)使得EIT成為一種具有誘人應(yīng)用前景的新興醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，受到當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)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(lái)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(shí)驗(yàn)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(xué)影像技術(shù)并不現(xiàn)實(shí)，然而充分利用其鮮明的特點(diǎn)，在特定的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，將其

3、作為一種有效的輔助檢測(cè)手段還是大有可為，這是當(dāng)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(duì)這一問題展開。
　　 論文首先仔細(xì)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(duì)臨床應(yīng)用的特點(diǎn)，提出了開放式EIT的思想和方法，規(guī)劃出適合臨床需求、簡(jiǎn)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(shí)

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(xué)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(jì)算的角度分析了開放式EIT場(chǎng)域邊界近似對(duì)邊界電位測(cè)量的影響以及不同激勵(lì)模式對(duì)檢測(cè)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(duì)各種EIT重構(gòu)算法全面了解的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了兼具重構(gòu)質(zhì)量與速度優(yōu)勢(shì)的一步牛頓法，結(jié)合對(duì)開放式EIT預(yù)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(yàn)證了算法的有效性。
　　 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的研究中，在對(duì)EIT信號(hào)測(cè)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(jìn)的信號(hào)測(cè)量技術(shù)，以高性能模擬和數(shù)字集成電路器件為核心實(shí)現(xiàn)了小型化測(cè)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(tái)，研制出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并對(duì)其關(guān)鍵性能進(jìn)行了測(cè)試。

6、r>　　 為驗(yàn)證開放式EIT原理、方法的正確性以及實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的性能，開展了物理模型實(shí)驗(yàn)和臨床實(shí)驗(yàn)。前者包括水槽實(shí)驗(yàn)和瓊脂模型實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用方形水槽專門針對(duì)開放式EIT的特點(diǎn)而開發(fā)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明開放式EIT對(duì)機(jī)體內(nèi)部淺層目標(biāo)能較為清晰準(zhǔn)確地成像。瓊脂實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ透鼮榻咏R床應(yīng)用情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)表面下較淺的目標(biāo)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(duì)乳腺癌病例、乳腺疾病門診病例和正常人樣本進(jìn)行了總共37例測(cè)試，結(jié)果顯示開放式E

7、IT成像對(duì)塊狀腫瘤的定位和大小反應(yīng)基本準(zhǔn)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(jìn)一步研究和開發(fā)。
　　 在三維EIT的初步研究中，針對(duì)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(duì)研究工作進(jìn)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(duì)