开放式电阻抗成像原理和技术研究

论文摘要

电阻抗成像技术(Electrical Impedance Tomography, EIT)是一种特点鲜明的成像技术,主要应用于临床医学诊断。EIT技术通过配置于人体体表的电极阵列对人体施加电激励并测量其电响应信号,从中提取与人体生理、病理状态相关的组织与器官的电特性信息,不但可以反映解剖学结构,更能给出功能性图像结果,这正是当前主流医学影像技术所欠缺的。EIT技术不使用核素或射线,对人体无创、无电离辐射损伤,可以多次测量、重复使用。其设备成本低廉,不要求特殊的工作环境,便于大规模推广。这些特点使得EIT成为一种具有诱人应用前景的新兴医学成像技术,受到当前生物医学工程学界的广泛关注。EIT技术的研究走过了约30年的历程,总体来看,EIT成像尚存在分辨率不高的缺陷,到目前为止此技术还处于实验室研究阶段,仅在有限的领域开展了为数不多的临床应用研究。期望EIT技术短期内成为一种主流的医学影像技术并不现实,然而充分利用其鲜明的特点,在特定的应用领域发挥其优势,将其作为一种有效的辅助检测手段还是大有可为,这是当前EIT研究的重要方向。在阻碍EIT临床应用推广的因素中,除了成像分辨率不高之外,研究中被广泛采用的封闭式EIT工作模式也是不容忽视的重要因素。论文的研究工作即是针对这一问题展开。论文首先仔细分析了封闭式EIT在临床应用中面临的诸多问题和不足,针对临床应用的特点,提出了开放式EIT的思想和方法,规划出适合临床需求、简洁易用的开放式EIT系统结构,在此基础上探讨其理论、方法和实现问题。在理论层面的研究中,在研究EIT电极建模和电磁问题数学模型的基础上,阐述了全电极模型的有限元求解方法,然后以有限元仿真为工具,从正问题计算的角度分析了开放式EIT场域边界近似对边界电位测量的影响以及不同激励模式对检测深度的影响,为后续研究奠定了基础。在图像重构方法的研究中,在对各种EIT重构算法全面了解的基础上,重点阐述了兼具重构质量与速度优势的一步牛顿法,结合对开放式EIT预期临床应用情况的分析,提出了适合于开放式EIT应用的快速一步牛顿频差重构方法,并通过仿真验证了算法的有效性。在系统设计与实现的研究中,在对EIT信号测量的关键问题深入探讨的基础上,依据开放式EIT的系统结构,采用直接数字合成、数字相敏解调、高速模数/数模转换等先进的信号测量技术,以高性能模拟和数字集成电路器件为核心实现了小型化测量探头,在PC上以MATLAB为工具构建了开放式EIT系统软件平台,研制出实验样机,并对其关键性能进行了测试。为验证开放式EIT原理、方法的正确性以及实验样机的性能,开展了物理模型实验和临床实验。前者包括水槽实验和琼脂模型实验。实验所用方形水槽专门针对开放式EIT的特点而开发,实验结果表明开放式EIT对机体内部浅层目标能较为清晰准确地成像。琼脂实验模型更为接近临床应用情况,实验结果表明对表面下较浅的目标能清晰分辨。在此基础上,开展了初步的临床应用研究,针对乳腺癌病例、乳腺疾病门诊病例和正常人样本进行了总共37例测试,结果显示开放式EIT成像对块状肿瘤的定位和大小反应基本准确,与X射线、超声结果基本一致。但目前的成像结果离临床诊断的需求尚有一定的距离,有待于进一步研究和开发。在三维EIT的初步研究中,针对目前二维EIT中信息量不足的问题,在开放式的框架下,建立初步的模型,通过有限元仿真研究其正问题,探索提高系统性能的途径。论文最后对研究工作进行了总结,给出了所完成的主要研究工作及取得的成果,指出了目前存在的问题,提出了一些不足之处及对本课题今后的研究展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 生物组织的电特性
• 1.1.1 生物组织的导电机理
• 1.1.2 生物组织电特性参数
• 1.2 EIT 技术的发展与研究现状
• 1.2.1 系统与方法
• 1.2.2 测量技术
• 1.2.3 技术应用
• 1.3 挑战与出路
• 1.4 本论文研究的意义和内容
• 2 开放式电阻抗成像原理
• 2.1 开放式 EIT 基本思想
• 2.1.1 CEIT 的临床应用局限
• 2.1.2 OEIT 基本思想
• 2.2 EIT 数学模型
• 2.2.1 EIT 电磁问题的数学近似
• 2.2.2 EIT 电极建模及数学模型
• 2.3 全电极模型的有限元法求解
• 2.3.1 CEM 的积分弱形式
• 2.3.2 CEM 有限元方程
• 2.4 OEIT 场域模型
• 2.4.1 近似处理方法
• 2.4.2 模型误差分析方法
• 2.4.3 仿真结果
• 2.5 OEIT 激励模式
• 2.5.1 物理模型
• 2.5.2 激励模式
• 2.5.3 评估方法
• 2.5.4 仿真结果
• 2.6 小结
• 3 开放式电阻抗成像重构方法
• 3.1 灵敏度关系式
• 3.2 牛顿—拉弗森（NEWTON-RAPHSON, NR）方法
• 3.2.1 NR 法基本思想
• 3.2.2 NR 法用于 EIT 重构
• 3.3 一步牛顿法（NOSER）
• 3.3.1 NOSER 算法原理
• 3.3.2 仿真研究
• 3.4 开放式EIT 重构方法
• 3.4.1 EIT 重构与误差
• 3.4.2 开放式EIT 重构算法
• 3.5 FNOSER 频差重构
• 3.5.1 算法原理
• 3.5.2 仿真实验
• 3.6 小结
• 4 开放式电阻抗成像系统设计与实现
• 4.1 OEIT 系统实现
• 4.1.1 测量探头
• 4.1.2 OEIT 系统软件
• 4.1.3 系统集成与实验样机
• 4.2 设计要点
• 4.2.1 EIT 测量前端等效电路
• 4.2.2 EIT 测量误差
• 4.2.3 测量电路前端
• 4.2.4 直接数字合成（DDS）
• 4.2.5 数字相敏检波（DPSD）
• 4.3 系统测试
• 4.4 小结
• 5 物理模型实验与临床实验研究
• 5.1 物理模型实验
• 5.1.1 初步试验
• 5.1.2 水槽动态成像实验
• 5.1.3 琼脂模型动态成像实验
• 5.1.4 水槽频差成像实验
• 5.1.5 琼脂模型频差成像实验
• 5.1.6 讨论
• 5.2 乳腺癌检测临床实验
• 5.2.1 乳腺癌的检测方法
• 5.2.2 乳腺组织的电特性
• 5.2.3 临床实验目的
• 5.2.4 临床实验方法
• 5.2.5 临床实验结果
• 5.2.6 讨论
• 5.3 小结
• 6 三维开放式电阻抗成像初步研究
• 6.1 区分度研究
• 6.1.1 模型描述
• 6.1.2 评估方法
• 6.1.3 仿真结果
• 6.2 三维开放式EIT 系统构想
• 6.2.1 电极阵列
• 6.2.2 激励与测量
• 6.2.3 成像方法
• 6.3 小结
• 7 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文
• B. 作者在攻读博士学位期间获授权和申请的发明专利
• C.作者在攻读博士学位期间参加的科研项目