人体胸部电阻抗成像建模方法研究

摘要

肺损伤是一种常见的胸部外科疾病，其内外致病因素有严重感染、创伤、休克、吸入有害气体、中毒等。轻者会发生肺水肿、肺不张等症状，延长患者术后监护及住院时间，重者则导致急性呼吸窘迫综合症(Acute respiratory distresssyndrome，ARDS)乃至急性呼吸衰竭，其病死率高达50％～70％。肺部疾病严重威胁着人类健康。因此，对肺部功能状态的实时监测具有重要意义。胸部电阻抗成像(Electrical impedance tomography, EIT)技术是一种无损功能成像技术，具有无创、安全、实时成像等优点，对肺损伤早期诊断和治疗具有重要意义。 目前，国内外对于胸部电阻抗成像的研究多基于圆形、椭圆形、或用近似人体胸部形状建立统一模型。但是由于胸部轮廓具有特异性，用统一模型会引入测量误差进而引入成像误差。此外，目前胸部肺损伤电阻抗成像多采用二维图像重建，对轻度肺损伤的检测精度有限。针对上述问题，本课题围绕肺损伤电阻抗成像展开研究，构建基于人体胸部真实结构的电阻抗成像模型，实现肺损伤三维成像，并对肺损伤评价指标进行优化，主要完成的工作如下: 1.针对胸部轮廓特异性问题，基于人体CT图片提取人体几何结构先验信息，优化胸部EIT二维正问题模型，基于边界先验信息提出一种图像剖分方法。仿真结果表明:该方法能有效降低传统模型成像方法与人体真实胸部结构的成像误差，改善成像质量。在此基础上，采用广义最小残差算法(Generalized MinimalResidual Algorithm，GMRES)进行成像，提高成像质量。 2.基于CT扫描序列构建人体胸部EIT成像三维正问题模型，并对多层电极激励测量模式进行优化。通过仿真实验对不同激励模式的成像结果进行对比分析，最终得到最优激励。 3.构建不同程度肺损伤模型，基于GMRES算法实现人体胸部三维电阻抗成像，并提出一种基于三维图像的肺损伤评价指标计算方法，通过仿真实验对新方法的肺损伤评价指标计算结果与基于二维图像的肺损伤评价指标计算方法的结果进行对比，证明新方法可以有效提高肺损伤评价的精度。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1 EIT技术简介

1．2肺损伤检测的相关技术现状分析

1．3用于肺损伤检测的EIT技术研究现状

1．4人体胸部EIT模型构建方法研究现状

1．5本文主要研究内容

第二章胸部EIT成像理论基础

2．1胸部EIT数学模型的建立

2．2二维胸部EIT正问题研究

2．2．1二维胸部EIT正问题数学模型

2．2．2二维EIT的单元分析

2．3三维胸部EIT正问题研究

2．3．1三维EIT数学模型

2．3．2三维EIT的单元分析

2．4胸部EIT逆问题研究

2．4．1胸部EIT重建图像的方法

2．4．2传统的胸部EIT图像重建算法

2．5本章小结

第三章基于人体结构先验信息的胸部EIT正问题模型构建

3．1基于人体结构先验信息的二维胸部EIT正问题模型构建

3．1．1图像处理

3．1．2构建胸部仿真模型

3．2二维灵敏度矩阵的计算

3．3基于人体结构先验信息的三维胸部EIT正问题模型构建

3．4三维灵敏度矩阵的构建

3．5本章小结

第四章基于人体结构先验信息的胸部EIT二维成像方法

4．1适用于不规则边界的剖分方法

4．2基于GMRES的电阻抗成像新方法

4．3仿真实验验证

4．3．1仿真模型

4．3．2评价参数

4．3．3仿真成像结果分析

4．3．4统计学分析

4．4本章小结

第五章人体胸部肺损伤三维成像方法

5．1三维胸部EIT模型电极激励模式优化

5．1．1激励测量模式

5．1．2评价指标

5．1．3仿真实验

5．2三维肺损伤成像仿真实验

5．2．1三维肺损伤模型

5．2．2肺损伤评价指标选择

5．3实验结果分析

5．3．1肺损伤图像重建结果

5．3．2肺损伤评价指标的计算

5．3．3统计学分析

5．4本章小结

第六章总结与展望

参考文献

硕士期间发表论文和参加科研情况

致谢