脑电阻抗成像技术中的头模型及磁感应断层阻抗成像基础研究

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1、第四军医大学博士学位论文缩略语表缩略语英文全称中文全称2DTwoDimensional二维3DThreeDimensional三维CSFCerebrospinalFluid脑脊液CTComputedTomography计算机辅助断层成像ECTElectricalCapacitanceTomography电阻抗层析成像EEGElectroencephalogram脑电图EIPTElectricalImpedanceParameter电阻抗特征参数成像TomographyEITElectricalImpedanceTomography电阻抗断层成像FEMFiniteelementmet

2、hod有限元方法IC-EITInducedCurrentEIT感应电流式电阻抗成像ISImpedanceSpectroscopy阻抗频谱MITMagneticInductionTomography磁感应断层成像MRIMagneticResonanceImaging磁共振成像MSIMagneticSourceImaging脑磁源成像NOSERNewton’sOne-StepError牛顿一步误差重构ReconstructorNRNewton-Raphson牛顿-拉夫逊OpenGLOpenGraphicsLib开放式图形库PCBPrintedCircuitBoard印刷电路板PETPo

3、sitronEmissionTomography正电子发射成像SCRSignal/CarrierRatio信载比SVDSingularValueDecompositionTSVDTruncationSingularValue截断奇异值分解DecompositionUCLUniversityCollegeLondon伦敦学院大学1第四军医大学博士学位论文脑电阻抗成像技术中的头模型及磁感应断层阻抗成像基础研究博士研究生：王聪导师：董秀珍教授第四军医大学生物医学工程系医学电子工程教研室，西安710032中文摘要脑电阻抗断层成像技术（ElectricalImpedanceTomograph

4、y，EIT）是EIT技术临床应用研究的一个重要方向。它具有EIT技术的无损、无害、连续监护和功能成像的优势。与其他部位的EIT技术相比，脑阻抗成像面临的一个特殊问题是电导率相对比较低的颅骨对脑EIT成像会产生较大的影响，一方面会降低系统对颅内阻抗变化的灵敏度，另一方面会影响系统的定位精度。本文在分析了目前国内外脑EIT研究现状的基础上，针对如何评价颅骨对脑EIT的影响这一关键问题，围绕着用于脑EIT研究的头部阻抗物理模型进行了如下的研究工作：1）通过实验选择并使用上海硬石膏在头部阻抗物理模型中模拟颅骨建立一个用于脑EIT研究的含颅骨层的头部阻抗物理模型，可以在实验中更好地模拟真实的

5、头部电导率分布，为研究颅骨对脑EIT成像的影响、评估驱动模式、改进成像算法和数据采集系统提供良好的基础。建立头部阻抗物理模型的关键在于模拟颅骨材料的选择。本文中，首先通过阻抗分析仪系统测量了常见的五种口腔科石膏在空气中和饱和CaSO溶液中的电阻抗，结果发4-1现上海硬石膏的电导率(0.0130±0.00125Sm)与颅骨电导率最为接近，加之其物理性质稳定、流动性好、加工容易、成型后表面光滑而坚固，因而初步2第四军医大学博士学位论文选择上海硬石膏作为模拟颅骨的材料。进一步的实验还发现：上海硬石膏的电导率的时间稳定性很好，从浸泡在饱和CaSO溶液中第8天起到第25天所有4-16个样本的

6、电导率的均值和标准差为0.011731±0.000643Sm；上海硬石膏粉与蒸馏水的配比与其电导率的稳定值之间存在一个近似线性的关系；上海硬石膏的稳定电导率值在激励频率从1Hz到1MHz的范围内变化时，基本保持稳定。实验结果证明，上海硬石膏达到了在头部阻抗物理模型中模拟颅骨的要求，适合用于EIT头部阻抗物理模型。2）建立了含均匀及非均匀电导率分布的仿真颅骨的头部阻抗物理模型建立了两个头部阻抗物理模型：圆筒形模型和简单半球形模型。模型中，将电导率值稳定的上海硬石膏加工成厚度约为4~5mm的电导率均匀分布或非均匀分布的石膏球壳，将这些石膏球壳同心地固定在模型内用来模拟电导率均匀分布(均

7、质)或者非均匀分布(非均质)的颅骨。容器内充满饱和CaSO溶4液来模拟头皮和脑组织的电导率分布。相对于圆筒形模型，半球形的模型中激励电流的分布更加接近真实人体测量。3）基于头部阻抗物理模型的成像实验基于含均质颅骨的圆筒形模型、含均质及非均质颅骨的简单半球形头部阻抗物理模型和高定位精度的半球形物理模型，分别对无颅骨、含均质和非均质颅骨条件下，模型内具有不同电导率、大小和位置的扰动目标进行了EIT成像实验。结果表明，如果在当前的重构算法中采用均匀电导率分布的正向计算模型，