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基于电阻抗断层成像的一维信息提取与分析

作　者: 刘蒙
导　师: 付峰；史学涛
学　校: 第四军医大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 电阻抗断层成像 EIT一维阻抗值
分类号: R318
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)作为一种新兴的功能成像技术,因其自身无创、简便、无害、廉价并且可以长期、连续、实时动态地进行床旁监护,引起越来越多人的关注。第四军医大学EIT课题组经过近20年的研究,在EIT的相关研究中已取得一系列突破,自主研制的EIT动态成像监测系统,已经初步应用于临床研究,并展示出良好的应用前景和价值。前期研究表明:EIT动态成像系统已能够敏感地反映人体内由于病理变化引起的电阻抗变化。然而随着临床研究的深入,同时为了更好的适用于临床监护,现有EIT动态成像监测系统需进行如下改进:1、基于EIT动态图像进行信息提取;2、使用提取的信息简便、直观、实时地监测电阻抗整体变化趋势;3、将提取的信息和EIT动态图像结合使用,互为补充。通过对EIT动态成像的数据分析发现:电阻抗的一维监测相对简单、直观、方便;可以敏感的反映监测对象的电阻抗整体变化,并且可以实时的提供电阻抗整体变化的趋势;对电阻抗整体变化大小具有量化评估的可能性。假如可以基于EIT动态图像监测系统实现电阻抗一维信息的提取和分析,并将EIT动态图像监测和电阻抗一维监测结合使用,那么,既可以实时监测EIT动态图像的变化,又可以简便、直观、实时地观测电阻抗整体变化趋势,从而更好将EIT应用于临床研究。针对以上设想,本文从EIT动态成像的基本过程出发,结合临床应用的需要,利用EIT动态成像的数据,提取对于生物组织整体的电阻抗变化敏感性高的一维指标,并将一维指标和EIT动态图像监测系统结合,进行验证性研究。整个研究过程可以分为以下两部分:(1)基于EIT动态成像的一维指标的提取EIT动态成像的整个计算过程可以分为正问题的求解和逆问题的求解两个过程。通过对这两个数学计算过程的研究发现,在采用电流激励时,体表的测量电压和生物组织内部电阻抗的变化存在敏感性关系,因此,可以通过体表测量电压的变化反映生物组织内部电阻抗整体的变化。依据此理论,提出了EIT一维阻抗值的概念,既对EIT测量系统解调后的测量电压值数组求模值,然后再计算模值的算术平均数,并除以激励电流,从而得到EIT一维阻抗值,单位为欧姆。一维阻抗值采用动态曲线的方式与EIT动态图像同时显示,实现EIT动态成像和一维阻抗值两种电阻抗监测技术的优势互补。(2)EIT一维阻抗的验证性研究在提出EIT一维阻抗值的概念后,基于第四军医大学EIT课题组自主研制的EIT动态成像监测系统,将EIT一维阻抗曲线和EIT动态图像相结合,进行了包括仿真实验、物理模型实验、人体实验、临床实验在内的验证性研究。在仿真实验中采用FEM仿真模型进行了电阻抗扰动目标位置的移动,电阻抗扰动目标面积变化的仿真实验。实验结果表明EIT一维阻抗曲线对于这两种方式的变化具有较高的敏感性;一维阻抗曲线和EIT动态图像的结合使用,不仅实时提供了整体变化的趋势和变化的大小,同时也提供了电阻抗局部变化的位置信息。在物理实验中,采用NaCl溶液构成的半球形水槽,模拟人体的颅脑。并用琼脂块模拟电阻抗的扰动。实验结果表明EIT一维阻抗曲线对于琼脂块产生的电阻抗扰动十分敏感,并且EIT动态图像准确的提供了电阻抗变化的位置信息。在人体实验中,当人体体位的发生变化时,颅脑的EIT动态图像整体发生明显变化,同时EIT一维阻抗值曲线对于这种变化十分敏感,实时提供了电阻抗整体的变化趋势。在临床实验中,依据EIT一维阻抗值对于电阻抗整体变化敏感的特点,选取甘露醇脱水治疗和慢性硬膜下血肿钻孔闭式引流术的病例进行监护。通过对甘露醇脱水治疗过程监护数据的分析发现:EIT一维阻抗值可以简便、直观、实时的反映整个治疗过程脑部电阻抗的整体变化趋势,且EIT一维阻抗曲线的变化和甘露醇药物的作用周期相吻合,从而为甘露醇脱水治疗的效果提供了佐证。在慢性硬膜下血肿钻孔闭式引流术的监护中EIT动态图像实时的反映了由于颅脑血肿引流引起的电阻抗变化, EIT一维阻抗值实时的显示了相应的电阻抗整体变化趋势,实现了二者的优势互补。通过一系列的验证实验,证实EIT一维阻抗值对于生物组织电阻抗整体变化敏感性高;EIT一维阻抗值曲线可以简便、直观、实时提供整体电阻抗变化的趋势;依据一维阻抗值可以对电阻抗整体变化大小进行初步量化。同时一维阻抗曲线和EIT动态图像的结合使用,互为补充,使EIT具有了更加广阔的临床应用前景。

基于电阻抗断层成像的一维信息提取与分析

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