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家兔腹部注射生理盐水的磁感应 断层成像在体检测研究
目的 研究磁感应断层成像技术对活体动物体内电阻抗改变在体检测的可行性.方法 建立家兔腹部注射生理盐水模型.使用自研的16通道磁感应断层成像实验系统进行检测,通过时间差分Newton-Raphson成像算法获得相对注射前状态的电导率分布变化量的重建图像.对重建值与注射剂量的关系进行线性回归分析和统计学差异分析.结果 重建图像显示出生理盐水的注射位置,其对应重建值随注射剂量的增加而上升,与剂量呈线性相关.结论 磁感应断层成像技术可以在体检测活体动物体内的电导率分布变化情况,并能正确反映目标位置及重建值与注射剂量的变化趋势.
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磁感应断层成像磁力线反投影算法研究
磁感应断层成像利用涡流原理,在成像区域边界对内部磁场变化进行测量,再经过重建,获得内部电导率分布图像.其中,反投影作为一种快速重建算法,经常被应用于断层成像技术.但是,由于成像区域内磁场分布的非线性,大大降低了反投影成像的定位精度.研究检测线圈测得的相位差与成像区域磁场分布之间的关系,根据测量相位差即为成像区域内电导率分布沿磁力线路径投影的集合这一结论,设计一套适用于磁感应断层成像的反投影算法,利用成像区域磁力线的分布,构建反投影路径和区域,改善直线反投影应用于非线性场定位不准的问题.重建实验结果表明,在直径为200 mm的成像区域内,所提出算法的小定位误差为1 mm,相对直线反投影算法提高了2～26 mm,同时重建图像在视觉质量上也有很大提高,为磁感应断层成像技术提供一种有效的重建算法.
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基于伽辽金有限元法的磁感应断层成像正问题仿真
磁感应断层成像(MIT)的正问题计算为系统建模和研究提供了重要依据,由于MIT中涡流场微分方程的非正定性,增加了MIT正问题计算的复杂度.本研究提出一种基于伽辽金有限元法的正问题求解方法,该方法对微分算子无特殊要求,解决了涡流场微分方程非正定性的问题,利用该方法对成像区域内的磁场分布、涡流强度以及检测线圈的相位差等参数进行了分析.计算结果表明,成像区域内磁感应强度的幅值主要由实部决定,而虚部对场域内电导率的变化较为敏感,因此,可以用磁感应强度的虚部进行图像重建.同时,与目标导体的位置越近、激励线圈的位置越远,检测线圈中的相位差值越大；同一位置的目标导体,检测线圈的相位差与电导率大小成线性关系.经理论推导与仿真实验的验证,所采用的伽辽金有限元法能够有效求解MIT正问题,进而为MIT硬件系统的测量及重建算法的研究提供实验参考和理论依据.
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双激励线圈磁感应断层成像的可行性研究
研究磁感应断层成像中两个激励线圈相对于单个激励线圈时增强被测对象内部磁感应强度的可行性.利用电磁场数值计算软件Comsol Multiphysics,在三维球形头模型外周设置单个激励线圈或呈不同夹角的两个激励线圈(夹角分别设置为30°、60°、90°、120°、150°、180°),分别计算中心有病变组织和无病变组织时中心位置的磁感应强度,并加以比较.中心无病变组织时,除夹角为180°外,中心位置的磁感应强度约为单激励线圈的2倍；中心有病变组织时,除夹角为180°外,随夹角增大中心位置的磁感应强度从单激励线圈的2倍开始逐渐增大；除夹角为180°外,有病变和无病变时中心位置的磁感应强度的变化量随夹角的增大而逐渐减小,但是夹角小于90°时该变化量大于单激励线圈的变化量.两激励线圈夹角为180°时,无论中心有无病变组织,中心位置的磁感应强度均减小.结果表明:双激励线圈较单激励线圈有可能增大被测对象内的磁感应强度；通过合理选择双激励线圈的夹角,有可能放大被测对象内部病变组织导致的磁感应强度的变化；两者均可改善磁感应断层成像.
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四层复杂球颅脑模型的构建
颅脑模型构建的研究是颅内成像的基础,也是磁感应断层成像(MIT)系统设计中正问题计算的必要条件.根据人体颅脑真实结构,通过Comsol Muhiphysics有限元数值仿真软件的几何建模工具,构建近似真实颅脑结构的四层复杂球颅脑模型.首先,根据大脑体积和颅骨内径,构建脑实质模型;其次,根据人体解剖结构,构建颅骨模型,并进行枕骨修正、轮廓修正、额骨修正和眼眶修正;第三,通过对颅骨模型的缩放,构成头皮层、颅骨层、脊液层,并与脑实质模型共同构成具有4层结构的颅脑模型;后,将模型置入10 MHz的交流磁场中,通过仿真计算获得头皮层、颅骨层、脊液层和脑实质层感应电流的分布,感应电流在脊液层强,在皮肤层和脑实质层较弱,在颅骨层弱,且各层感应电流密度值之比为32∶1∶190∶21,与电导率之比相近.结果表明,该模型可以很好地显示出人体头部各组织的电磁特性差异,为MIT系统研究提供可靠的依据.
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基于改进型迭代NR的磁感应断层成像图像重建算法
在磁感应断层成像中,图像重建是一个典型的病态问题,其数值解存在不稳定性.针对此问题,提出一种基于加权矩阵和L1范数正则化的改进型迭代Newton-Raphson (NR)算法.该算法通过在目标函数的误差项中引入加权矩阵,同时在L2范数正则化惩罚项的基础上引入L1范数正则化,改善图像重建解的病态性.设置3种典型的模型,分别对有无噪声的数据进行分析,将本算法与Tikhonov正则化算法和迭代NR算法进行对比.在无噪声数据分析中,所提算法相对Tikhonov正则化算法和迭代NR算法的相对图像误差减小0.11 ～0.14,相关系数提高13％ ～ 17％.在有噪声数据中,所提算法相对于Tikhonov正则化算法和迭代NR算法的相对图像误差减小0.06 ～0.09,相关系数提高7％ ～ 10％.提出的算法成像性能较好,且抗噪性能较强,为进一步的实验重建精确性提供理论依据.
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磁感应断层成像技术中涡流问题的有限元法仿真研究
目的 为了求解磁感应断层成像(magnetic induction tomography, MIT)技术中的涡流问题,以获得MIT正问题的有效解法.方法 推导了对应于MIT技术的涡流场的微分方程及其边界条件,采用有限元方法计算了场域内一些不同电导率或位置的扰动目标下的位函数.结果 仿真计算结果与单线圈MIT系统的测量结果相吻合.结论 本文提出的有限元计算方法适用于生物组织磁感应断层成像技术,是解决MIT正问题的一个有效方法,更完善的仿真计算模型有望进一步提高计算精度.
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基于LabVIEW的MIT软件鉴相平台的实现
目的:把软件鉴相方法应用于磁感应断层成像(Magnetic Induction Tomography,MIT)检测系统中,建立MIT软件鉴相平台.方法:使用LabVIEW对数据采集卡编程,实现信号的采集.并使用频谱分析法、相关法以及相敏检测法提取参考信号与检测信号的相位差,实现软件鉴相.结果:形成了一整套包括数据采集、处理和显示的软件鉴相平台.结论:软件鉴相能够应用到单通道MIT相位差检测系统中,建立的软件鉴相平台能够精确地测量相位差.
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线性卡尔曼滤波算法在磁感应断层成像技术中的仿真研究
目的:研究在磁感应断层成像(magnetic induction tomography,MIT)中使用多帧连续数据进行图像重建的线性卡尔曼滤波算法.方法:首先,对经典卡尔曼滤波算法进行改造,使其适用于MIT的需要;其次,为了评估线性卡尔曼滤波算法的性能,在仿真模型中对续变化的单个、2个和3个电导率扰动目标进行MIT仿真成像实验,并且绘制多个单元网格的电导率变化曲线.结果:获得了单个、2个和3个电导率扰动目标的重建图像和多个网格单元的电导率变化曲线.重建图像反映出了成像区域内电导率的分布,得到的电导率变化曲线和真实电导率变化曲线在变化趋势上基本一致,但扰动目标的位置在轴向上偏离中心.结论:在MIT中通过线性卡尔曼滤波算法可以有效地进行图像重建,并且有效地追踪电导率的变化,为进一步研究磁感应断层成像序列化图像重建算法打下基础.
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几种发展中的生物电阻抗成像方法和系统
在明确了生物电阻抗成像技术概念和优势的基础上,从多频率电阻抗断层成像、感应电流断层成像、磁感应断层成像等三种发展中的生物阻抗成像方法,对生物电阻抗成像技术研究进展进行了概述,分析了它们与传统生物电阻抗断层成像技术相比所具有的优势,并归纳出它们各自的应用方向.指出:生物阻抗成像技术是当今生物医学工程学的重要研究课题之一,是一种理想的、具有诱人应用前景的医学成像技术.
关键词： 多频率电阻抗断层成像 感应电流断层成像 磁感应断层成像 -
磁感应断层成像及其实验室设计
本文回顾了磁感应断层成像技术的发展历史及现状,指出了其研究意义.介绍了磁感应断层成像技术的原理及其实验室设计模型,分析了设计方法的特点,给出了系统结构和重构结果,并指出了磁感应断层成像技术发展的前景.
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绝缘性容器壁对磁感应断层成像相位检测的影响研究
研究绝缘性容器对磁感应断层成像相位检测的影响关系.使用绝缘性的有机玻璃制作容器,其内充入饱和CaSO4溶液,将其置入充入饱和CaSO4溶液的圆柱形水槽式物理模型之中,分别测量置入容器前后的磁感应相位差.选择两种尺寸的有机玻璃容器,分别进行上述实验过程.使用实心有机玻璃棒逐步浸入饱和CaSO4溶液之中,每下降1 cm测量一次磁感应相位差,绘制相位差随浸入深度的变化曲线.两种有机玻璃容器壁的体积与磁感应相位差的比例相近,相位差随浸入深度的变化曲线近似呈线性关系.绝缘性的有机玻璃容器对磁感应相位的测量值有影响,减小容器壁的体积可减轻这种影响.
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基于数字信号处理器的磁感应断层成像相位解调的初步研究
在硬件端完成MIT测量数据的相位解调以期降低硬件与计算机间的数据传输负担和减少相位检测时间.通过对数字信号处理器(DSP)芯片的编程,实现正交序列相位解调算法,并分别对两路无噪声仿真信号和由任意波形发生器产生的实际信号进行相位解调.两种模拟MIT测量信号的相位解调结果与设定相位差的相关系数均超过0.998,单次鉴相耗时约为0.048 s.基于DSP的MIT相位解调方法有效可行.
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磁感应方法检测脑组织电导率的FDTD仿真研究
为进一步优化和改进MIT(magnetic induction tomography,MIT)实验系统,采用FDTD(finite difference time domain)方法,对MIT单通道测量系统进行仿真研究.根据天线理论,将激励线圈近似为螺线管,模拟为一系列电磁源.脑模型考虑颅骨、脑脊液、脑组织和水肿.在10MHz频率,测量与激励线圈同轴时,对自由空间、均匀脑模型、三层脑模型和含水肿的三层脑模型进行仿真计算,获得了上述四种情况下测量线圈上的电流值和激励电流与测量电流的相位差值.
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磁感应方式电导率测量基础研究
本文提出了用于磁感应方式电导率测量的单通道硬件系统的原理和结构,在此基础上,以NaCl溶液和琼脂为目标,进行了一系列试验,初步评估了场域的敏感性分布,证明了补偿线圈可以有效提高系统的相对灵敏度,试验结果与理论分析的比较证明了试验结果的可靠性.
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磁感应断层成像中激励线圈参数的选取
磁感应断层成像(MIT)是一种新的生物组织电特性成像方法.在MIT系统中,激励线圈的设计直接影响了线性检测范围和检测灵敏度.为了改善涡流感应区域磁场分布,在不同的MIT激励线圈半径、匝数、线径情况下,建立三维四层同心球头模型,进行三维瞬态有限元计算,并分析其对成像区域轴向磁感应强度和检测线圈感应电压的影响.研究结果表明,当增大激励线圈半径,增大线径及减少匝数时,检测线圈附近的轴向磁感应强度增加,线性检测范围扩大,检测深度增大.该研究对MIT系统设计具有重要的指导意义.
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新型MIT激励源和佳激励线圈的设计与实现
为了提高磁感应断层成像(MIT)系统性能,设计高性能的脑磁感应断层成像(BMIT)激励源,选择佳的激励线圈.设计输出可调的大功率激励源电路,用软件ICAP仿真输出正确波形,并制作实现电路.计算设计聚焦式和螺线管式激励线圈,通过磁场测试和神经细胞相位检测实验,得到佳激励线圈.在一定工作频率下,激励源输出功率可调范围为 0.035～31.4 W,稳定输出电流峰值大于1 A,频率稳定度达10-9,谐波失真小于-51 dB.通过比较三种激励线圈磁场,得到圆形螺旋聚焦线圈对细胞相位检测为有效.该激励源的输出功率可调范围大,频率稳定度高,谐波失真小.采用圆形螺旋聚焦线圈更有利于组织电导率信息的提取.
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基于晶体振荡器的MIT系统激励源设计及其实现
目的: 设计一种应用于磁感应断层成像技术(magnetic induction tomography,MIT)系统的10 MHz高性能激励源,以提高MIT系统的测量精度. 方法: 根据高频电子电路设计原理及其电磁屏蔽技术,选用高频率精度和稳定性的恒温晶体振荡器,设计和实现了高性能激励源.结果: 激励源稳定输出10 MHz正弦信号,频率稳定度优于1×10-7水平,杂波抑制和谐波抑制分别达到90 dBc和45 dBc,负载时输出电压峰峰值为12 V,大输出功率为1.3 W. 结论: 设计的激励源提供了高频率稳定性和高信噪比的激励信号,为高精度的MIT测量奠定了基础.
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脑MIT单通道测量的正弦时变电磁场特性
目的:探讨脑磁感应断层成像(MIT)单通道测量的正弦时变电磁场分布. 方法:将头颅近似为一个双层的导电球体,脑MIT单通道测量系统近似为由测量、激励线圈和球体组成的轴对称模型,采用时谐电磁场分析方法,推导出轴对称模型的解析解. 结果:获得了脑MIT单通道测量系统电磁场分布特性和求解表达式. 结论:为脑MIT单通道测量的正弦时变电磁场的分析和计算提供了一种解析方法.
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基于LabView的磁感应方式阻抗测量系统虚拟仪器接口的实现
目的: 实现用于磁感应方式阻抗测量系统中的软硬件的接口,为进一步的测量实验打下良好的基础. 方法: 采用LabView对数据采集卡进行编程,控制试验数据的采集、数据的预处理以及系统的测量模式. 结果: 在实现的虚拟仪器接口基础上,进行了单线圈的电导率与输出相移的关系试验,结果与理论分析一致. 结论: 基于LabView的虚拟仪器接口适用于磁感应方式阻抗测量系统,可以成功地进行测量试验和初步的成像实验.
