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电阻抗断层成像中抑制电极移动伪影方法的研究进展
电阻抗断层成像现已被广泛应用于肺功能成像、乳腺癌早期检测以及颅脑功能成像等医学领域,在成像过程中,测量对象边界上的电极产生位置变动,将会引起电阻抗成像算法中模型参数误差,从而导致重构图像产生大量伪影.针对这一问题,本文首先综述了改善此种严重噪声干扰的几种算法,并对这些算法的物理基础进行了简单的介绍,然后,总结现行几种抗电极位置变动干扰的算法原理,对其特点进行总结和评述,并在文章的后,对几种算法的不足做出分析,对其未来的研究与应用进行了展望.
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一种用于电阻抗成像的拟Newton算法-基于修正Bk的开关算法
本文提出了一种新的电阻抗成像(EIT)图像重建算法-基于修正Bk的拟Newton类算法,并通过数值试验验证了该算法的有效性.新算法基于目标函数梯度向量的快速算法,利用基于修正Bk的拟Newton法来求解EIT逆问题.与著名的Newton-Raphson算法相比,该算法的突出优点是计算量小,数值稳定性好,具有整体收敛性.
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生物电阻抗脑功能成像研究现状
生物电阻抗成像技术在脑功能和脑疾病检测与监护中具有潜在的应用价值,并且具有无创伤、功能性、价格低、操作简便等优点,是目前生物医学工程的研究热点.本文主要介绍了生物电阻抗成像技术在脑功能和脑疾病成像的研究现状,并着重讨论了EIT(electrical impedance tomography,生物电阻抗断层成像)、MIT(magnetic induction tomography,磁感应电阻抗成像)、MREIT(magnetic resonance electrical impedance tomography,磁共振电阻抗成像)、MAT MI(magnetoacoustic tomography with magnetic induction,磁感应磁声成像)技术在成像过程中的区别及今后有待近一步解决的理论与技术难题.
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电阻抗成像技术
介绍了一种新的医学图像重建技术--电阻抗成像技术(EIT).EIT依据生物组织不同部位的导电参数(电阻率、介电常数/电容率)以及同一部位在正常和病变时导电参数的变化来判断疾病的源.EIT设备通过对体组织表面电流、电压的施加及测量来获知体组织内部导电参数的分布,并重建出反映体组织内部的图像.详细分析了EIT成像中遇到的关键问题以及现有的主要应对方法,列举了EIT技术在临床医学上的应用现状,同时对EIT在技术和临床上的发展趋势进行了展望.
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基于TwIST-TV正则化算法的肺萎陷电阻抗成像仿真研究
肺部电阻抗成像(EIT)通过配置于人体体表一组阵列电极,利用边界测量信息重建胸腔内部二维断面电导率分布,具有非侵入、无辐射等特点,可用于临床监护.针对EIT逆问题求解的欠定性和病态性,提出一种基于总变差正则化(TV)的两步迭代(TwIST)算法.该算法利用迭代引入TV去噪算子,达到解的双重正则化效果.通过仿真构建不同程度肺痿陷EIT模型,利用该算法进行呼吸状态差分图像再构；同时基于图像提出肺通气总量指数作为客观评价指标.结果表明,与传统Tikhonov正则化算法相比,该算法可达到较好的图像重建质量和鲁棒性,其相应肺通气量指数也更接近于仿真肺痿陷模型变化.从而验证了该算法用于临床肺痿陷EIT通气量监测的可行性.
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交叉测量协议对电阻抗成像病态性的影响
研究在二维圆形场域和相邻电流激励条件下,电压相邻测量协议和交叉测量协议对病态性的影响.相比相邻测量协议,交叉测量协议整体提高了Jacobian矩阵的奇异值,表明其Jacobian矩阵列中的线性相关程度在下降.采用相邻测量协议得到的Jacobian矩阵条件数是2.15×106,采用交叉测量协议对应的条件数是1.21×105.计算结果表明交叉测量协议相对相邻测量协议的Jacobian矩阵条件数的比值约为1∶18.本研究从理论上证明了交叉测量协议相比相邻测量协议降低了电阻抗成像的病态性.
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头部组织感应电流磁共振电阻抗成像仿真研究
将感应电流磁共振电阻抗成像(IC-MREIT)应用于人体头部组织电导率重构,并在三层球头模型上进行仿真研究.首先建立二次磁场Z方向磁感应强度摄动对有限元头模型中单元电导率摄动的灵敏度矩阵;然后分析系统中激励线圈个数、激励线圈与三层球头模型相对位置及激励线圈半径等因素对灵敏度矩阵性态的影响,为IC-MREIT系统激励线圈优化设计提供指导;后采用灵敏度矩阵法对三层球头模型非均匀电导率分布进行重构,仿真结果证明IC-MREIT技术用于重构头部组织电导率分布是可行的,在无创头部组织电导率检测领域具有潜在的应用价值.
关键词： 感应电流磁共振电阻抗成像 磁共振电阻抗成像 电阻抗成像 灵敏度矩阵 头部组织 -
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,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.
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基于先验信息的肺部电阻抗成像算法
电阻抗层析成像 (EIT) 系统逆问题求解的欠定性是导致重构图像分辨率低的主要原因之一.结合先验信息,改善逆问题的不适定性,提高算法鲁棒性是提高成像质量可行的办法.本研究基于Tikhonov正则化算法,结合肺部组织结构、器官电导率分布参数以及肺部呼吸动态结构变化等先验信息,构建正则化矩阵,进行EIT图像重构.研究结果表明,结合先验信息的Tikhonov正则化图像重构算法减小了成像相对误差,改进了图像质量,EIT用于区域性肺部通气变化的检测和监护是可行的.
关键词： 肺功能 电阻抗成像 图像重建 Tikhonov正则化 先验信息 -
用于电阻抗成像系统的单电源差分电流源
为优化电阻抗成像(EIT)系统中所使用的电压控制电流源,设计一个单电源差分电流源以简化其中电流源电路的供电方式并提高其输出阻抗.基于差分电流源设计一个能够单电源供电的电流源,并针对该电路采用连入负电容补偿电路的方法进行外部电路补偿.在NI Multisim 10环境下,对单电源差分电流源以及补偿后的单电源差分电流源进行仿真,根据输出阻抗公式计算出仿真环境下单电源差分电流源补偿前后的输出阻抗.通过7280锁相放大器对电路中负载电压幅值的采集,可获得负电容补偿电路中部分参数调整前后对输出电流的影响,并将测试数据根据输出阻抗公式计算出实际电路的输出阻抗.通过NI USB-6281数据采集卡测得补偿后电流源的功率谱,并以一定浓度NaCl溶液作为负载测试其在EIT硬件系统中的稳定性.实验结果表明,负电容补偿电路中部分参数调整后,负载为1和10 kΩ,在1 000 kHz时,其电压幅值变化率仅为0.32％、0.35％,在不同频率下,负载电压幅值的稳定性有显著提高.单电源差分电流源经过外部电路补偿之后,其输出阻抗在1 ～ 100 kHz范围内均为1 MΩ以上,约为补偿前的5倍,与未补偿时相比有较大提高.在测得的功率谱中,有用信号高出噪声信号70 dB以上,体现该设计较好的抑制噪声能力.计算所得的负载电压幅值相对误差均小于0.0180％,表明该设计具有良好的稳定性.可见,经过外部电路补偿的单电源差分电流源能够适用于一般的EIT系统.
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前列腺癌磁共振电阻抗成像新方法
基于经肠道和尿道的体内电极方式,提出适用于人体深层、小体积前列腺癌诊断的磁共振电阻抗成像(MREEIT)新方法,并通过仿真将该方法的成像结果与传统的体外电极MREIT方法进行对比.分别采用有限元方法及J-substitution算法,求解三维正问题和逆问题.仿真结果表明:在噪声存在的情况下,经肠道和尿道两种体内电极MREIT的成像效果均远优于体外电极方式;且在相同的噪声水平下,经尿道MREIT方式的成像效果更好.信噪比(SNR)为30且采用佳电极配置方式时,经尿道和肠道体内电极MREIT得到的重构电导率与目标电导率之间的相对误差(RE)分别为10.32％和14.58％.研究提示,体内电极MREIT在前列腺癌诊断领域具有潜在应用价值.
关键词： 前列腺癌 磁共振 电阻抗成像 J-substitution算法 -
肺部三维EIT模型构建与图像重建研究
肺部三维电阻抗图像重建是电阻抗成像技术的重要应用之一.利用3D光学云点技术对人体胸腔区域扫描,并融合X图像提供的肺部结构构建肺部三维EIT仿真模型.根据肺部膨胀及收缩时的电导率先验知识,由COMSOL软件求解获得三维灵敏度矩阵,并在Matlab平台下由共轭梯度迭代算法重建肺部EIT断层图像,进行三维立体重构,获得3D EIT图像.为研究电流敏感场均匀性,设置4组不同电极层间距进行比较仿真实验,结果表明,对于33 cm胸腔区域,电极层间距为8 cm时,成像效果佳,其大相关系数为0.810 3,敏感场均匀性为1.869 6×103,结构相似度为0.482 5,灵敏场的均匀性明显改善,有利于图像重建质量的提高.
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电阻抗静态成像中混合正则化算法抗噪性能的仿真研究
测量噪声是制约电阻抗成像技术实用化的一个主要障碍,为提高电阻抗静态重构的抗噪性能,将离散变差函数作为罚函数引入到重构的正则化算法中,形成混合正则化算法.通过设定算例的降噪重构证明:所提算法在抗干扰性能和成像质量方面,均明显优于常用的Tikhonov正则化算法.该算法对促进电阻抗成像技术临床运用具有积极意义.
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电阻抗成像交叉测量协议的灵敏度性能
电阻抗重构图像技术对噪声敏感.测量数据中比较小的误差可能在终图像上导致很大的误差.测量技术应提高对被测场域的灵敏度.在二维圆形均匀场域和相邻电流激励条件下,研究相邻和交叉测量协议的灵敏度性能.相比相邻测量协议,交叉测量协议提高整体灵敏度,同时也提高了中心区域的灵敏度比例值.交叉测量的合成灵敏度峰值是相邻测量的4.54倍.中心处相邻测量的灵敏度比例值是10.7%,交叉测量时为27.2%.实验结果表明交叉测量协议在灵敏度性能方面优于相邻测量协议.
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微分进化算法在头部电阻抗成像中的应用
电阻抗成像(EIT)技术是一种功能成像技术,它向未知目标注入(安全)电流,通过测得目标边界的电位来估计它内部的阻抗分布情况.电阻抗成像是一个严重病态的非线性逆问题.本研究应用微分进化算法进行电阻抗成像,并将其用于二维真实头模型的阻抗重建中.仿真结果显示,作为一种简单、鲁棒的算法,微分进化算法在EIT成像中具有优越的性能.
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生物电阻抗成像研究的现状与挑战
生物电阻抗成像技术是继形态、结构成像之后的新一代更为有效的无损伤功能成像技术.本文简述了生物电阻抗成像研究的历史与发展现状,并提出了生物电阻抗成像研究所面临的挑战.
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乳腺电阻抗投影成像算法及实现
研究并验证电阻抗乳腺投影成像算法.该算法将乳腺等效为均匀,利用均匀介质电流场扰动原理,将场域内电阻抗异常区域投影到边界的电流分布,采用物理模型实验进行验证.该算法能识别2mm的电阻抗扰动目标,识别的目标深度可达25mm.电阻抗乳腺投影成像算法可以用于乳腺内异常电阻区的探查.
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基于电阻抗成像技术的脑病变组织检测仿真研究
目的 采用电阻抗成像技术重建三维头部模型的阻抗分布图像,检测组织是否发生病变.方法 在有限元球头模型和真实头部模型两种三维组织模型上进行仿真,采用微分进化算法重构组织图像,有效定位阻抗突变区域,检测病变组织部位.结果 该算法能够精确重建组织图像,成功检测病变区域.结论 本法是一种简单、鲁棒性强的进化类全局优化算法,用于电阻抗成像技术中,进化总能得到很好收敛,成像质量较高,可靠性较强.
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基于磁共振技术的生物电阻抗成像研究进展
磁共振电阻抗成像（magnetic resonance electrical impedance tomography, MREIT）是将MRI与电阻抗成像（electrical impedance tomography, EIT）技术相结合，通过MRI系统测量成像体内部的磁通密度值对成像体的电导率图像进行重建，是无创性地进行阻抗成像的一种新方法。MREIT由Zhang[1]于1992年首次提出，其基本方法是利用物体内的电流密度分布和磁感应强度测量值来重构物体内电导率的分布。传统的EIT需测量多个边界电压值来提高重建图像的精确度与空间分辨率，但求解过程值不稳定，利用磁感应强度进行重构图像能够解决此缺陷。本文拟对MREIT的新研究作一综述。
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用于肺功能监测的电阻抗成像系统
介绍了一套完整的用于肺功能监测的电阻抗成像系统.该系统以PC作为主控机,进行可视控制、图像重建等操作;DSP实现电极选通、数据采集并与PC进行数据通信.采用直接数字合成(DDS)技术产生高精度激励信号源,用相敏解调方法实现数据获取.同时进行了在体实验,测量了体位发生变化时,重力作用对肺部气体分布的影响,证明了电阻抗成像系统监测肺部呼吸过程、检查肺部组织病变的可行性.
