基于EIT技术的乳腺电阻抗成像的逆问题研究

论文摘要

乳腺癌已成为我国女性最常见的恶性肿瘤病之一,居女性恶性肿瘤病死率的首位,目前常用的乳腺癌诊断设备（X-ray、Ultrasound、MRI等）具有对早期肿瘤不易区别良恶性、对于致密型乳腺检查准确率不高、检测伴有电磁辐射等缺点,限制了现有乳腺诊断设备作为乳腺癌早期筛查工具的应用。电阻抗成像（Electrical Impedance Tomography,EIT）技术是新一代有效的无损伤功能成像技术,具有广阔的应用前景。它通过配置于生物物体表面的电极阵列,施加一个安全电流,然后测量置于边界上电极的电压数据,进而重构并显示出与被测组织和器官生理、病理状态相关电特性信息的分布图像。离体乳腺组织阻抗频谱测量的研究结果表明,乳腺恶性肿瘤组织和正常组织的阻抗特性有显著差异。生物体的阻抗信息不仅可以反映了生物组织的结构情况,更重要的是给出组织生理、病理变化的信息,在研究人体生理功能和疾病防治方面有重要的临床价值和实际意义。近年来国内外对乳腺EIT技术的研究极为活跃,已经取得了明显的进展。本文首先对介绍了EIT技术的成像原理以及研究概况。采用有限元方法,建立了人体乳腺半球模型,进行了EIT正问题分析,计算了乳腺模型边界电位分布。在此基础上,进行了EIT逆问题的研究。由于在EIT逆问题求解时,存在严重的不适定性,使得重构图像的分辨率较低。针对逆问题求解时的不适定性以及成像分辨率较低的问题,采用基于总变差（Total Variation,TV）正则化的图像重建算法。该算法相对于传统的Tikhonov正则化方法,不仅能够保证逆问题求解的稳定性,还可以提高对介质在不连续分布区域的成像分辨率,边缘成像效果较好。仿真结果表明,TV正则化算法在提高重构图像分辨率方面效果较好,同时也满足实时性的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 问题的提出
• §1-2 电阻抗成像技术简介
• 1-2-1 电阻抗成像技术的概念
• 1-2-2 电阻抗成像技术国内外研究状况
• §1-3 现代乳腺检测成像技术发展状况
• 1-3-1 现有乳腺检测成像方法简介
• 1-3-2 电阻抗成像技术在乳腺检测中的应用
• §1-4 本课题研究的意义
• §1-5 本论文的主要研究工作
• 第二章 基于人体乳腺半球模型电阻抗成像正问题分析
• §2-1 电阻抗成像的基本原理
• §2-2 求解场域的数学描述
• §2-3 正问题的有限元求解
• 2-3-1 有限元变分问题
• 2-3-2 三维场域的四面体单元离散
• 2-3-3 整体合成以及右端项的处理
• 2-3-4 乳腺半球体模型边界电位分布
• §2-4 本章小结
• 第三章 基于总变差正则化的电阻抗成像重建算法研究
• §3-1 常用图像重建算法简介
• 3-1-1 节点反投影算法原理
• 3-1-2 Tikhonov正则化算法原理
• §3-2 基于总变差正则化的图像重建算法
• §3-3 图像重建结果分析
• §3-4 本章小结
• 第四章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢