磁感应成像用于颅内监护关键技术基础研究

摘要

神经科很多常见疾病如脑卒中、颅脑外伤、脑炎及颅内肿瘤等，由于在疾病的病程中出现严重的脑水肿以及颅内压增高，若不能得到及时的救治，其致死率及致残率均很高。如果临床上能够早期、及时准确评价各种病因所致脑组织病变的部位、性质及范围或严重程度，以及其发展，和对药物等治疗的反应，无疑直接关系到脑水肿和颅内压的正确处理，这是神经科急危重症患者抢救成败的关键。虽然目前的检测技术如头颅CT、核磁共振(MRI)及磁共振弥散成像(DWI)等，可以准确判定危重疾病的性质、范围和程度，但是还是无法进行床旁连续的成像，对于病情危重、变化较快，但又不宜反复搬动的患者不能监测其病灶的动态变化，因此对病情演变的及时判断及调整治疗方案受到限制。所以急需一种便携，能够对病人进行连续监护的医学影像诊断设备，尤其重要的是能够有效地检测脑水肿与颅内压的状况。
　　 磁感应成像技术(Magnetic Induction Tomography，MIT)是一种新兴的非接触式测量组织电导率的成像技术，也是当今生物医学工程无损检测前沿研究课题之一。磁感应成像技术具有快捷、便携、低成本、无创等特点，这特点在生物医学无创检测成像和连续动态监护领域有很好的应用前景，特别是对颅内疾病的连续监护。
　　 本论文主要的研究目的是颅内病变组织的实时监护。主要研究内容是研制一种基于磁感应成像方式快速的、实时监护的、便携式的功能性成像系统，同时研究其重构算法和测量实验。本论文主要的研究工做和总结如下：
　　 ①本论文中提出使用亥姆霍兹线圈作为激励线圈产生一组均匀场，同时分析了激励磁场的均匀度。
　　 ②对磁感应成像正问题的研究，用棱边有限元法建立相应的有限元方程，用MATLAB实现有限元方程的生成和计算。计算了在无异物和有异物时的涡流的分布，同时计算了被测物体旋转不同角度对测量电压的影响，为后面的逆问题提供指导和数据来源。
　　 ③提出了基于均匀时谐磁场激励磁感应成像的滤波反投影重构算法。同时测试了在不同模型下的重构算法的效果和抗噪声能力。
　　 ④硬件研究。设计了高精度的同步检波的相位检测电路，以及为激励线圈提供电流的恒流源，同时设计了高SNR的线圈传感器。测试了单通道的硬件的关键技术指标。
　　 ⑤研制了一套旋转磁感应断层成像系统，通过单目标和双目标的琼脂模型实验，测试了成像系统在几种模型下的成像效果。这一系列的物理模型实验将为将来的临床实验提供指导意义，为实现颅内监护提供打下实验基础。
　　 ⑥研制了一套16通道的磁感应平面直接投影成像的临床系统。在儿童医院对7例脑膜炎患者和正常人进行初步的检测，其中包括2名脑炎患者和5名脑部正常的患者。比较两种情况的检测数据，脑膜炎病人的检测数据明显高于脑部正常的数据，这比较结果为将来动态监护提供很有价值的参考。

目录

文摘

英文文摘

资金项目

1 绪论

1.1 问题的提出与研究意义

1.1.1 临床医学的需求与研究意义

1.1.2 主要检测方法

1.2 MIT技术发展及研究现状

1.2.1 MIT发展现状

1.2.2 激励线圈和功率放大器

1.2.3 检测线圈传感器

1.2.4 微弱信号测量技术

1.2.5 正问题的研究状态

1.2.6 图像重构研究状态

1.2.7 多场结合成像技术

1.3 均匀时谐磁场的提出

1.4 本论文主要研究的内容

1.5 本论文章节和结构

2 均匀时谐磁场激励磁感应成像的理论基础

2.1 磁感应成像的理论基础

2.2 亥姆霍兹激励线圈的磁场分布

2.2.1 亥姆霍兹线圈的基本原理

2.2.2 亥姆霍兹线圈磁场均匀区的定义及误差估算

2.3 磁感应成像正问题研究

2.3.1 数学模型的导出

2.3.2 棱边有限元模型的建立

2.3.3 仿真研究

2.4 本章小结

3 均匀时谐磁场激励磁感应成像逆问题研究

3.1 引言

3.2 滤波反投影算法

3.2.1 计算机断层扫描基本思想

3.2.2 反投影算法物理概念

3.2.3 滤波反投影算法

3.3 磁感应成像滤波反投影算法

3.3.1 MIT系统的模型

3.3.2 算法的实现

3.4 滤波反投影算法性能研究

3.4.1 灵敏度研究

3.4.2 磁感应反投影滤波算法抗噪声能力

3.5 本章小结

4 硬件系统设计与指标测试

4.1 引言

4.2 硬件模块设计

4.2.1 激励线圈与恒流源

4.2.2 检测线圈

4.2.3 相敏检测

4.2.4 前置放大器

4.2.5 移相和整形模块

4.2.6 低通滤波和直流放大

4.2.7 控制电路

4.2.8 电机与驱动模块

4.3 单通道的硬件指标测试

4.3.1 测试实验平台

4.3.2 线性度分析

4.3.3 相位漂移和噪声分析

4.3.4 对电导率的灵敏度

4.3.5 对距离的灵敏度

4.4 本章小结

5 成像系统和物理模型实验研究

5.1 引言

5.2 系统总体设计

5.3 系统测量方式

5.4 物理模型实验

5.4.1 扰动物体电导率低

5.4.2 扰动物体电导率高

5.4.3 扰动物体位置变化

5.4.4 双目标距离变化

5.4.5 双目标电导率不相同

5.5 本章小结

6 临床实验系统

6.1 引言

6.2 临床实验系统设计

6.2.1 系统设计

6.2.2 系统成像方式

6.3 临床实验系统测试

6.3.1 单通道的指标测试

6.3.2 物理模型测试

6.4 本章小结

7 临床实验测试结果和分析

7.1 引言

7.2 初步临床实验

7.2.1 不同病例对比

7.2.2 系统重复实验

7.3 本章小结

8 总结与展望

8.1 总结研究工作

8.2 对下一步研究工作展望

致谢

参考文献

附 录

A.作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读博士学位期间申请的专利

C.作者在攻读博士学位期间参加的科研项目