三維電阻抗成像數值算法和技術基礎研究.pdf

1、電阻抗成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)是一種新型的醫(yī)學成像技術，通過向被測場域施加電激勵并測量其表面的電響應來重構其內部的電導率分布。與現有醫(yī)學影像技術相比，電阻抗成像技術具有功能性成像、設備簡單、成本低廉、體積小、對人體無創(chuàng)無害等優(yōu)點。在臨床醫(yī)學領域，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用前景。目前電阻抗成像的研究主要集中在二維成像，現有的三維系統(tǒng)一般采用多層閉合電

2、極的結構，主要應用在肺部、胃部疾病的診斷。而乳腺癌、腹腔內滲血等疾病的診斷，只需要研究皮膚下淺層區(qū)域的電導率分布，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上，研究三維電阻抗成像激勵測量模式、重構算法、系統(tǒng)實現和物理實驗等問題，可以應用在乳腺癌普查、前期診斷和腹腔內出血的檢測。論文的主要研究內容包括以下幾個方面：
　　 1)分析研究國內外現有電阻抗成像系統(tǒng)，針對臨床應用提出平板電極加背電極的電阻抗成像結

3、構，該結構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上，由麥克斯韋方程組推導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對比程序計算精度。結果表明程序計算結果與Comsol結果誤差小于4％，可以作為逆問題計算的基礎。采用仿真手段對比研究現有的電阻抗成像激勵測量模式，提出區(qū)分度和表面投影成像兩種評估方法，結

4、果表明背電極電流激勵模式區(qū)分度高，投影圖像效果好，為三維系統(tǒng)設計提供依據。
　　 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，首次針對平板電極結構系統(tǒng)開展三維場域的重構計算。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。建立三維圓柱模型對單目標情況進行仿真，結果表明，兩種正則化算法存在各自的優(yōu)缺點。在此基礎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，表明混合算法進一步降低條件數，改善逆問題性態(tài)，使重建過程趨于穩(wěn)定，提高目標分辨率。由于三維場域逆問題計算量巨大，計算時間長，借鑒開放式電阻抗成像的方式，提出對二維圖像進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源、信號測量關鍵問題基礎上，介紹了三維多頻電阻抗成像測量硬件系統(tǒng)各個模塊設計思路

6、以及實現方式，設計制作出實驗樣機，并對系統(tǒng)各項性能展開測試。
　　 5)實驗研究。為驗證樣機的性能和重構算法有效性，開展了物理模型實驗，包括水槽時差成像實驗、瓊脂模型時差成像實驗、瓊脂模型頻差成像實驗。設計模擬腹腔內出血的血塊實驗，通過改變血塊體積模擬不同出血量。實驗結果表明，三維電阻抗成像系統(tǒng)能夠重構出深度4cm、大小1cm的目標，分辨不同體積的血塊，圖像的空間分辨率較高。
　　 最后對研究工作進行了總結，指出目前存在