磁探测电阻抗成像在肺部呼吸监测中的研究

摘要

用于肺部疾病检查的临床技术有多种，但现有的常规影像学诊断并非连续成像，难以反映具有特殊周期性、时域性的呼吸过程，而且它们大多只能在出现结构性病变之后才能给出检查结果。基于电特性检测的电阻抗成像技术（electrical impedance tomography,EIT）则可发现器质性病变之前出现的功能性异常，用于肺部呼吸疾病的早期筛查。磁探测电阻抗成像(magnetic detection electrical impedance tomography，MDEIT)是一种新型的电阻抗成像，具有非接触、价格低廉、测量方便等优点。
　　本文将磁探测电阻抗成像应用到肺部呼吸监测中，针对磁探测电阻抗成像技术的正问题，以肺癌图像数据库联盟(lung image database consortium，LIDC)数据构建真实人体胸腔物理模型，采用了有限元方法得到成像体内部的电势和电流密度分布，然后根据Biot-Savart定律分别获得正常人、肺气肿、肺肿瘤呼气末与吸气末成像体外部的磁感应强度数据。结果表明，正常人吸气末时成像体周围的磁感应强度值大约比呼气末小8.875％。研究结果显示了呼吸时由于肺容积、电导率分布的不同而导致周围磁感应强度等信息的差异。
　　针对磁探测电阻抗成像的逆问题，本文首先采取广义逆求解的方法，利用两个分量的磁感应强度增加测量信息，对基于LIDC数据库而构建的真实人体肺部模型进行图像重建，并数值分析了重建电流密度的相对误差和相对残差。在此基础上，利用TSVD正则化和Tikhonov正则化对混入不同程度高斯白噪声的磁场数据进行图像重建，得到了较好的图像重建效果，从而提高了图像重建的抗噪声性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 生物电阻抗理论

1．1．1 生物组织的电特性

1．1．2 生物组织的功能状态检测的应用

1．2 肺部的电阻抗特性研究现状

1．3 本文的研究内容

第二章 电阻抗成像及磁探测电阻抗成像的原理及发展

2．1 电阻抗成像的发展状况

2．2 磁探测电阻抗成像的基本原理

2．3 磁探测电阻抗成像的研究历史及现状

2．4 小结

第三章 磁探测电阻抗成像的正问题及其应用

3．1 引言

3．2 磁探测电阻抗成像正问题的数学描述

3．3 磁探测电阻抗成像正问题的求解

3．3．1 电场分布的计算

3．3．2 磁感应强度的计算

3．4 正问题的有限元仿真实验

3．4．1 立方体模型

3．4．2 圆柱体模型

3．5 磁探测电阻抗成像正问题在呼吸过程中的应用

3．5．1 呼吸过程概述

3．5．2 人体真实肺部模型建立

3．5．3 肺气肿患者肺部情况研究

3．5．4 肺肿瘤患者肺部情况研究

3．5．5 正常人与肺部疾病患者的对比研究

3．6 小结

第四章 磁探测电阻抗成像的逆问题及其应用

4．1 逆问题概述

4．2 离散不适定问题

4．2．1 最小二乘解

4．2．2 奇异值分解

4．3 磁探测电阻抗图像重建

4．3．1 图像重建的原理

4．3．2 立方体模型图像重建

4．3．3 正常人呼吸过程图像重建

4．3．4 肺气肿患者呼吸过程图像重建

4．3．5 肺肿瘤患者呼吸过程图像重建

4．4 小结

第五章 磁探测电阻抗成像逆问题重建的抗噪性能分析

5．1 引言

5．2 正则化过程

5．2．1 离散Picard条件

5．2．2 TSVD正则化

5．2．3 Tikhonov正则化

5．3 测量噪声对重建结果的影响

5．3．1 高斯白噪声

5．3．2 立方体模型的抗噪性能分析

5．3．3 正常人呼吸过程的抗噪性能分析

5．3．4 肺肿瘤呼吸过程的抗噪性能分析

5．3．5 肺气肿呼吸过程的抗噪性能分析

5．4 小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

附录

致谢