电阻抗断层成像电极系统性能与评价方法研究

摘要

电阻抗断层成像技术(Electrical Impedance Tomography，EIT)是当今生物医学工程学重大研究课题之一，具有功能成像，无损伤和医学图像监护三大突出优势，是一种理想的、具有诱入应用前景的无损伤医学成像技术。
　　 EIT电极系统直接与人接触，位于系统的最前端，是整个系统的关键部分之一。目前电阻抗断层成像技术现正处于一个从实验室研究阶段向临床应用过渡的时期，临床EIT直接与人体接触，电极系统面临一系列的问题需要研究和改进。而电极系统上发生的事件，包括有用信息、噪声、伪差、接触阻抗、极化电压等，都会进入后续电路被放大、传输，参与信号处理，影响图像重建结果，无用信息有时甚至会淹没有用信息，对系统检测灵敏度和图像重建质量的影响都非常大。场域边界移动形变造成的电极系统不确定性和电极排布方式也是影响成像结果的因素。根据实验室研究和临床研究的不同需求，研究电极特性，优化电极系统性能，具有十分重要的意义。
　　 论文回顾了EIT研究历史，分析了EIT屯极系统目前随亟待解决的问题。在介绍EIT成像基本原理、硬件系统、成像算法的基础上，提出EIT图像重建质量的评价方法，建立了EIT成像软硬件平台和测试系统，比较了几种重建算法的成像效果及其局限。
　　 基于强制等势点有限元模型，研究了电极类型、电极结构参数、电极数和激励测量模式对成像结果的影响，提出了电极系统优化设计方案。设计了一种用于EIT实验、参数可变的盐水槽电极系统，电极片拆卸方便，结构简单。
　　 进行了EIT电极阻抗特性研究。提出了EIT电极阻抗特性的意义和重要性。对目前EIT人体实验通常采用的一次性心电电极进行了交直流阻抗特性测试和研究，提出了使用注意事项。
　　 针对肺功能EIT检测时，由于电极运动和形变导致的图像伪差问题，采用改进的正则化算法和基于椭圆模型成像方法，改善图像质量。
　　 设计了手持式平面电极系统，研究了平面电极阵列EIT成像方法。建立了3D有限元模型，应用基于等势面反投影法的改进的加权重建算法，仿真重建出了多深度层的断层图像，为EIT乳腺测量新方法奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 引言

1.1 电阻抗断层成像

1.2 EIT电极系统

1.3 主要研究内容与论文结构

第二章 EIT测量方法与系统

2.1 新一代医学成像技术

2.1.1 功能成像

2.1.2 无损伤，方便的医学图像技术

2.1.3 实现医学图像监护

2.2 EIT电磁场问题的数学描述

2.3 正问题和逆问题

2.4 电磁场仿真计算方法

2.5 图像重建

2.6 EIT测量系统

第三章 EIT电极系统存在的问题

3.1 环形电极阵列

3.1.1 线电极与复合电极

3.1.2 电极结构与参数

3.1.3 电极数的选择

3.1.4 激励-测量模式

3.1.5 盐水槽实验电极

3.2 人体EIT检测电极

3.3 电极移动与边界变形的影响

3.4 环状电极系统的局限性

第四章 EIT测量研究平台及评价方法研究

4.1 EIT测量研究平台

4.2评价函数

4.2.1 检测灵敏度函数S

4.2.2 图像重建误差函数D

4.2.3 图像结构偏离度

4.3 有限单元法求解电磁场

4.3.1 有限单元法

4.3.2 等价变分问题

4.3.3 有限单元剖分

4.3.4 有限元方程

4.4 图像重建算法

4.4.1 等位线反投影

4.4.2 灵敏度系数法

4.4.3 londweber 法

4.4.4 牛顿-拉夫逊法

4.4.5 Tikhonov 正则化法

4.5 不同算法的图像重建结果

第五章 电极交流阻抗特性研究

5.1 生物电测量中的电极阳抗

5.2 EIT测量中的电极阻抗

5.2.1 阻抗是EIT的测量目标量

5.2.2 EIT电极需承受交流激励

5.2.3 一次性ECG电极

5.2.4 电极导电胶

5.3 电极阻抗特性测量方法与系统

5.4 电极阻抗特性测量实验

5.5 电极阻抗特性测量结果

5.6 讨论

第六章 电极结构与参数研究

6.1 成像模型

6.2 线电极结构参数对EIT系统的影响

6.3 复合电极

6.4 电极数的影响

6.5 激励模式的对EIT系统的影响

6.6 结构参数可变的盐水槽用电极结构

第七章 电极运动和边界形变的修正

7.1 边界形状改变对成像结果的影响

7.2 电极位置移动或不确定影响的算法修正

7.3 成像结果

7.4 讨论

第八章 平面电极阵列阻抗成像方法研究

8.1 平面电极EIT成像测量系统

8.2 3D有限元模型的建立与正向计算结果

8.2.1 3D 有限元剖分

8.2.2 3D有限元计算方法

8.2.3 平面等值线与云图显示方法

8.2.4 3D场域电场分布计算结果

8.3 3D平板电极EIT成像算法研究

8.3.1算法描述

8.3.2 算法实现

8.4 小结

第九章 总结与展望

9.1 全文工作总结

9.2 主要创新点

9.3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间申请与授权的专利，作为项目负责人承担和完成的基金项目及参加的基金项目

致 谢