三維電阻抗成像數(shù)值算法和技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、電阻抗成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)是一種新型的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，通過向被測場域施加電激勵(lì)并測量其表面的電響應(yīng)來重構(gòu)其內(nèi)部的電導(dǎo)率分布。與現(xiàn)有醫(yī)學(xué)影像技術(shù)相比，電阻抗成像技術(shù)具有功能性成像、設(shè)備簡單、成本低廉、體積小、對(duì)人體無創(chuàng)無害等優(yōu)點(diǎn)。在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如腦部疾病、消化道疾病、肺部疾病、腫瘤診斷等方面具有良好的應(yīng)用前景。目前電阻抗成像的研究主要集中在二維成像，現(xiàn)有的三維系統(tǒng)一般采用多層閉合電

2、極的結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用在肺部、胃部疾病的診斷。而乳腺癌、腹腔內(nèi)滲血等疾病的診斷，只需要研究皮膚下淺層區(qū)域的電導(dǎo)率分布，且乳房等器官不適合使用多層的閉合電極。本文擬在開放式電阻抗成像的基礎(chǔ)上，研究三維電阻抗成像激勵(lì)測量模式、重構(gòu)算法、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和物理實(shí)驗(yàn)等問題，可以應(yīng)用在乳腺癌普查、前期診斷和腹腔內(nèi)出血的檢測。論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　 1)分析研究國內(nèi)外現(xiàn)有電阻抗成像系統(tǒng)，針對(duì)臨床應(yīng)用提出平板電極加背電極的電阻抗成像結(jié)

3、構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以使電流場分布更加均勻，并能增加探測深度。
　　 2)三維電阻抗成像正問題研究。在研究三維電阻抗成像電極模型的基礎(chǔ)上，由麥克斯韋方程組推導(dǎo)全電極模型的有限元方程，在Matlab環(huán)境下編寫有限元程序，并采用商業(yè)電磁場仿真軟件Comsol對(duì)比程序計(jì)算精度。結(jié)果表明程序計(jì)算結(jié)果與Comsol結(jié)果誤差小于4％，可以作為逆問題計(jì)算的基礎(chǔ)。采用仿真手段對(duì)比研究現(xiàn)有的電阻抗成像激勵(lì)測量模式，提出區(qū)分度和表面投影成像兩種評(píng)估方法，結(jié)

4、果表明背電極電流激勵(lì)模式區(qū)分度高，投影圖像效果好，為三維系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
　　 3)三維電阻抗成像逆問題研究。采用基于牛頓拉弗遜算法的Tikhonov和NOSER正則化算法，首次針對(duì)平板電極結(jié)構(gòu)系統(tǒng)開展三維場域的重構(gòu)計(jì)算。提出類似拉普拉斯算子的Tikhonov正則化矩陣選取方法，并使用L曲線確定正則化參數(shù)。建立三維圓柱模型對(duì)單目標(biāo)情況進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，兩種正則化算法存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上提出混合這兩種算法的混合正則化算

5、法，通過在同一模型中的仿真，表明混合算法進(jìn)一步降低條件數(shù)，改善逆問題性態(tài)，使重建過程趨于穩(wěn)定，提高目標(biāo)分辨率。由于三維場域逆問題計(jì)算量巨大，計(jì)算時(shí)間長，借鑒開放式電阻抗成像的方式，提出對(duì)二維圖像進(jìn)行線性插值的三維插值成像的思想，通過快速的二維成像以及線性插值，可以得到兩層二維圖像之間的電導(dǎo)率分布情況。
　　 4)測量系統(tǒng)研制。在深入探討電阻抗成像激勵(lì)源、信號(hào)測量關(guān)鍵問題基礎(chǔ)上，介紹了三維多頻電阻抗成像測量硬件系統(tǒng)各個(gè)模塊設(shè)計(jì)思路

6、以及實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)制作出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)性能展開測試。
　　 5)實(shí)驗(yàn)研究。為驗(yàn)證樣機(jī)的性能和重構(gòu)算法有效性，開展了物理模型實(shí)驗(yàn)，包括水槽時(shí)差成像實(shí)驗(yàn)、瓊脂模型時(shí)差成像實(shí)驗(yàn)、瓊脂模型頻差成像實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)模擬腹腔內(nèi)出血的血塊實(shí)驗(yàn)，通過改變血塊體積模擬不同出血量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三維電阻抗成像系統(tǒng)能夠重構(gòu)出深度4cm、大小1cm的目標(biāo)，分辨不同體積的血塊，圖像的空間分辨率較高。
　　 最后對(duì)研究工作進(jìn)行了總結(jié)，指出目前存在