开放式电阻抗成像基本原理和仿真实验研究

电阻抗成像技术作为一种新兴的功能性医学成像技术具有广阔的应用前景。除了成像的空间分辨率不高之外,当前研究中普遍针对封闭场域成像的模式也是电阻抗成像技术推广到临床应用的一个不可忽视的障碍。在分析封闭式电阻抗成像临床应用局限性的基础上,提出了开放式电阻抗成像的思想,依据这一思想构建的开放式电阻抗成像系统能对局部浅层的生物组织给出有价值的电阻抗分布信息。给出了开放式电阻抗成像电磁场边值问题的数学模型,提出了边界约束问题的处理方法,并进行了初步的仿真和实验研究。结果表明,当目标位于体表下较浅部位时,成像具有较好的分辨率和定位准确度。

开放式电阻抗成像建模及其仿真

为克服封闭式电阻抗成像电极位置不确定性引入的图像重构误差,采用固定电极阵列的开放式电阻抗成像(open electrical impedance tomography,OEIT)模型。将求解整个开放场域电磁场边值问题,近似转化为局部的虚拟场域。通过仿真实验选取有效边界参数和电极阵列结构。利用有限元法求解OEIT的正问题,采用一步牛顿法进行图像重构。实验结果表明OEIT能够探测到目标位置、区域以及电导率的变化,重构图像较清晰。OEIT在浅层体表具有较好的分辨率和定位准确度,有一定的临床应用价值。

提高开放式电阻抗成像检测深度的方法研究

在分析影响开放式电阻抗成像检测深度的关键因素和解决途径的基础上,针对实际应用建立了人体躯干二维截面物理模型和相应的数学模型,提出了表面激励、背电极激励和手电极激励等三种激励模式,并采用有限元法进行仿真评估。仿真结果表明,背电极激励和手电极激励能使激励电流更多地分布于被测对象深部区域,相应地能使边界电压对被测对象内部阻抗具有更高的灵敏度,从而提高开放式电阻抗成像的检测深度,比表面激励模式更加适合于开放式电阻抗成像的应用。

开放式电阻抗成像中变差正则化重构算法

采用单排固定电极模式的开放式电阻抗成像(open electrical impedance tomography,OEIT)克服封闭式电阻抗成像在临床运用中重构模型适应性差、电极定位误差大以及操作简便性差等弊病。针对OEIT逆问题求解中更加严重的病态性问题,提出以变差函数作为罚函数项的变差正则化算法获得适定的重构解。仿真实验和水槽实验表明:变差正则化算法可有效求解OEIT重构的逆问题,重构图像能够正确反映位于电极下浅表层区域的目标位置、大小,并在一定程度上反映电导率的相对值。OEIT以其简便快速而更具潜在的临床实用价值。

开放式电阻抗成像的灵敏度和病态性问题

开放式电阻抗成像(OEIT)系统能对局部浅层的生物组织给出有价值的电阻抗分布信息。研究OEIT系统的灵敏度,并绘制其分布图。采用奇异值分解技术分析开放式电阻抗成像的病态性,Jacobian矩阵的条件数是2.27×107,体现出很强的病态性。仿真结果表明:当单个目标位于体表下高灵敏度区域时,成像具有较好的分辨率和定位准确度,随着设定目标逐渐偏离高灵敏度区域,其重构图像逐渐发散,最终重构图像失败。由于OEIT的病态性,表层高阻抗目标起到了类似屏障的作用,导致图像重构失败。

多尺度残差网络模型的开放式电阻抗成像算法

针对开放式电阻抗成像(OEIT)的图像重建算法存在的成像精度低、对噪声敏感、重建图像伪影面积较大等问题,提出基于多尺度残差网络模型的OEIT算法.该算法利用不同尺寸卷积核的残差块提取边界电压的多尺度特征;在完成特征拼接后,利用卷积实现深层信息融合,得到预测的电导率分布结果.使用有限元法搭建OEIT正问题模型,构造“边界电压-电导率分布”数据集,将所提算法与其他算法在该数据集和实际模型实验中进行比较.结果表明,所提算法使OEIT的重建精度、抗噪能力和定位目标准确性显著提高,并使检测目标的伪影面积缩小.

基于全变差-原对偶内点法开放式电阻抗成像

多通道电阻抗成像是一种可实现生理体征长期动态监测的低成本技术,常用的封闭式电阻抗成像需将电极均匀分布在被测对象周围,但在实际应用中有一定的局限性,如被测病人因腹部挤压造成腹腔内出血,而无法移动病人在其腹部周围完整均匀地布置电极,以及在临床监护中,病人背部放置电极导致不舒适等缺点。针对此问题,提出一种开放式的测量方式,在被测对象一侧放置电极,并利用全变差-原对偶内点法进行图像重构。仿真结果表明:当目标靠近电极一侧时,开放式与封闭式电阻抗成像均有较好的分辨率和定位准确度;在双目标时,开放式测量依然有很好的分辨率和清晰度。

开放式电阻抗成像中数字相敏检波器设计

开放式电阻抗成像技术对测量系统的精度要求很高,为此研制了基于FPGA的数字相敏检波器(DPSD)以用于电阻抗成像的数据测量。通过分析DPSD的信号采集与计算原理,给出了关键参数的计算,基于DDS技术的ADC时钟设计方法。同时设计了高速多通道ADC转换电路,低抖动性能的ADC时钟电路、FPGA实现实时数字相敏检波的计算方法,提高了系统的信噪比。经实验测试表明,在1KHz^1MHz正弦信号注入频率的条件下,系统的信噪比最高可达104dB,精度高,稳定度好。

开放式电阻抗成像下的目标定位

给出一种开放式电阻抗成像中目标小圆圆心的近似位置和半径大小定位方法。利用Comsol multiphysics工具建立开放式电阻抗成像模型,测量并记录圆心在不同位置及半径大小不同时的各电极电势,计算相邻电极点之间的电势差。通过分析边界电势差与圆心的近似位置和半径大小的对应关系,利用电势差分析法和二分法进行目标定位。对比实验结果表明,相对电势差分析法可快速确定目标小圆的近似位置,具有普遍性;二分法可准确确定目标小圆的半径大小,具有较高精度。

开放式电阻抗断层成像测量系统设计与成像试验研究

目的:研制一种基于开放式电阻成像的高精度测量系统,用于物理模型试验研究,为临床试验奠定基础。方法:开放式电阻抗成像(OEIT)采用固定电极阵列,克服了封闭式电阻抗成像(CEIT)在应用上电极间隔不等、放置不方便等问题;测量系统采用直接数字频率合成(DDS)产生激励信号,采用FPGA与ADC实现数字相敏检波,检测出电极间的正弦电压幅值与相位,经成像算法得到试验图像。结果:该测量系统的信噪比达104dB,在300mS/m背景电导率情况下,可区分电导率分别为400mS/m和200mS/m的双目标。结论:该测量系统满足开放式电阻抗成像对测量信噪比的要求,水槽和琼脂物理模型的双目标成像试验结果表明,OEIT具有较好的分辨率和定位准确度,可以应用于区分低电导率差异的组织。