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基于旋转电极法的乳腺电阻抗断层成像

作　者: 胡小波
导　师: 陈香才
学　校: 郑州大学
专　业: 物理电子学
关键词: 电阻抗断层成像乳腺旋转电极数据采集电力线均匀介质非均匀介质
分类号: R310
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

电阻抗断层成像技术(Electrical Impedance Tomography,EIT)是一种新兴的计算机断层成像技术，它通过安放在物体表面的电极阵列获得物体内部组织的电导率(或电阻率)分布，是一种无损伤功能成像技术。EIT技术的发展只有十多年的历史，目前全世界大约有三十多个研究小组在从事EIT技术的研究工作。EIT技术无创、廉价、便携、安全，能够反复成像，重复使用，可用于高危病房的床旁检测，脑血肿的动态检测，心脏及肺功能的监测等，因而该技术在临床医学等领域有潜在的应用价值。此外，EIT技术不仅能够反映目标物体的解剖学结构，更重要的是，它可以给出功能性图像结果，即在组织或器官结构性变化出现之前，及时检测和确认该组织与器官的功能性变化，这对于相关疾病的普查、预防与诊断治疗非常有利。EIT技术用于生物医学工程领域，其基本原理是通过配置于人体体表的电极阵列，提取与人体生理、病理状态相关的组织或器官的电特性信息。生物组织的电导率含有大量的反映组织、器官生理状态及功能的信息，EIT技术就是以低频电流流过人体组织时呈现出的这种电特性为依据，进行无创成像。将EIT技术应用到乳腺组织的检测称为乳腺电阻抗断层成像，乳腺电阻抗断层成像是利用电极阵列对乳腺体表电压或电流进行测量，在一维、二维甚至三维图像上再现被测区组织电阻和电容值的一种技术。其理论基础是均匀电场中如含有电导率不同的其他电介质时电场的分布就会改变。健康的乳房中大量存在的脂肪组织，可以被认为电介质是均一的，癌变组织被认为比周围正常组织有着较高的电导率，因此在一个等效的乳腺组织电流场模型中，癌变组织可以被认为是一个低电阻或高电导的介质，那么它就会使乳腺组织电流场中的电流分布发生改变。如果将测量电极阵列置于乳房表面就可以通过测量单元电极上的电流大小间接地反映电极间的组织特性。本文提出了一种基于旋转电极法的乳腺电阻抗断层成像系统，系统中的图象重建算法基于欧姆定律，根据算法的要求设计并实现了利用旋转电极阵列的数据采集系统，主要内容如下：一、提出了基于欧姆定律的图像重建算法EIT技术在理论上是一个电流场计算的逆问题，其核心是重建算法，但重建算法至今仍然没有得到很好的解决，这是因为完善它的理论基础非常困难。本文提出了基于欧姆定律的图像重建算法，将被测对象加上驱动电压，测量通过被测对象上的电流，根据欧姆定律计算出被测对象的阻抗分布。二、设计了利用旋转电极的数据采集系统EIT中的电极由于受到算法的限制，电极个数是有限的，这样对被测对象数据采集量很小。本论文中的数据采集系统根据所提出算法的要求可旋转从多方位对被测对象进行数据采集，数据采集方式灵活，数据采集量大。三、重建模拟的阻抗分布的的图像对被测对象进行测量并求解，得到了模拟阻抗分布的重建图像，对重建的图像分析表明该电阻抗成像系统是可行的，但图像分辨率低，需要对算法进行修正。四、分析了均匀介质在引入非均匀介质后非均匀介质对电场的影响算法的修正关键是对在均匀介质下所建立的方程进行修正，使之接近非均匀介质下的方程。我们在均匀介质中引入了非均匀介质，分析了电极对间的电力线在引入非均匀介质后的变化情况，此实验结果为算法修正提供了依据。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-23
  1.1 乳腺电阻抗成像研究的意义  10-12
  1.2 乳腺电阻抗成像技术国内外研究现状  12-16
    1.2.1 简单阻抗测量  12-14
    1.2.2 阻抗分布测量  14
    1.2.3 电阻抗断层图像技术  14-16
  1.3 电阻抗断层成像技术简介  16-21
    1.3.1 EIT原理  16-17
    1.3.2 EIT成像系统  17-20
    1.3.3 EIT成像的问题和难点  20-21
  1.4 本文研究工作  21-22
  1.5 论文的内容安排  22-23
第二章基于旋转电极法的乳腺电阻抗断层成像系统的建立  23-34
  2.1 物理模型的建立  23-27
    2.1.1 弧形电极阵列  24-25
    2.1.2 电极组电气旋转  25-27
    2.1.3 模拟乳腺及病变组织的电阻率分布  27
  2.2 数学模型的建立  27-33
    2.2.1 弧形电极对之间的电场分布  28-29
    2.2.2 建立方程  29-31
    2.2.3 建立方程的方法  31-32
    2.2.4 方程的检查  32-33
  2.3 本章小结  33-34
第三章数据测量及成像结果与讨论  34-44
  3.1 实验数据测量  34-36
  3.2 实验数据处理  36-39
    3.2.1 引入修正因子直接求解方程  37-38
    3.2.2 电流差值法  38-39
  3.3 灰度成像  39-41
  3.4 成像结果讨论  41-43
  3.5 本章小结  43-44
第四章异物对均匀介质电场的影响  44-51
  4.1 实验装置  44
  4.2 测量与数据分析  44-50
    4.2.1 铁棒在轴对称位置上对同一测量电极下的电流值影响的比较  45-48
    4.2.2 铁棒在均匀介质中不同位置对中间测量电极的电流值影响的分析  48-50
  4.3 结果讨论  50-51
第五章结论与展望  51-54
参考文献  54-64
在读期间发表论文的情况  64-65
致谢  65-66
附录  66-129
  附录1 方程  66-119
  附录2 均匀介质下测量电流矩阵I_1  119-122
  附录3 非均匀介质下测量电流矩阵I_2  122-125
  附录4 铁棒在轴对称位置上对同一测量电极下的电流值影响  125-129
  附录5 铁棒在A部分中不同位置对中间测量电极电流的影响  129

基于旋转电极法的乳腺电阻抗断层成像

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