电极稀疏化颅脑电阻抗动态成像算法研究

作     者：陈荣庆 

作者单位：中国人民解放军空军军医大学 

学位级别：硕士

导师姓名：付峰;徐灿华

授予年度：2018年

学科分类：1002[医学-临床医学] 100210[医学-外科学(含：普外、骨外、泌尿外、胸心外、神外、整形、烧伤、野战外)] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 10[医学] 

主      题：电阻抗断层成像 急性颅脑损伤 快速检测 位置先验信息 分辨能力 

摘      要：急性颅脑损伤是以颅内出血或者缺血损伤为主要临床表现的一类脑部疾病,具有发病急、病程变化复杂迅速、病情凶险等特点。在临床上,创伤和脑卒中均会造成急性颅脑损伤。实时动态监测并早期发现颅脑损伤变化是临床中实施及时、准确救治的重要前提,也是挽救颅脑损伤患者生命并改善其预后生存质量的关键。而现有CT、MRI等医学影像技术时间分辨率低,无法对颅脑损伤进行动态成像监测。因此,急需一种时间分辨率较高的动态成像监测技术。电阻抗成像技术(Electrical Impedance Tomography,EIT)利用人体组织在不同生理、病理状态下具有不同的电阻抗的原理,以成像的方式表达出与人体组织生理、病理相关的电阻抗及其变化的分布,具有便携,快速,功能成像等优点,有望成为颅脑损伤检测与动态成像监测新的有效手段。目前主要EIT研究采用的电极系统多为16电极以上,然而在诸如颅脑损伤患者的院前急救、颅脑战创伤救治等特殊应用场合,电极粘贴将会耗费大量时间,需要减少电极数量以达到提高系统操作效率、实现设备可穿戴化的目的。然而,减少电极数目后,成像算法的目标识别能力面临较大挑战,如何在电极稀疏化的同时尽可能确保动态图像对颅脑损伤变化的表征能力,是EIT系统实现电极稀疏化面临的关键问题。EIT系统电极稀疏化后对成像的主要挑战集中在两个方面:一是EIT系统可能会因电极稀疏化而造成其对内部扰动目标的分辨能力下降;二是电极稀疏化对图像重建质量造成的影响,主要表现为重构图像伪影较多,从而影响扰动目标识别。针对上述电极稀疏化EIT研究中存在的问题,本文基于对电极稀疏化过程中EIT系统分辨能力变化的量化分析,提出电极稀疏化的颅脑电阻抗动态成像算法,主要工作内容及结果包括:1.电极稀疏化过程中EIT系统对待测物体内部扰动目标分辨能力变化的量化分析:建立了三维真实颅脑仿真模型用于定量研究电极稀疏化过程中EIT系统对颅内电阻抗扰动目标的分辨能力变化。研究结果表明,电极稀疏化过程中,EIT系统分辨能力在电极数目少于8电极时迅速下降,仅能保留至多原16电极系统20%的分辨能力,电极数目不少于8电极时,分辨能力至少能保留50%以上;2.稀疏电极颅脑电阻抗动态成像算法的研究:主要基于训练目标方法求解最优重构矩阵和子域加权方法对成像算法进行优化。在重构矩阵求解中,使用训练目标法计算最优重构矩阵,在预成像后判断阻抗变化最有可能发生的区域,并在此区域使用子域加权方法,突出目标,减少伪影,增强EIT重构图像的质量,最终形成电极稀疏化的基于预成像的子域加权优化算法的基本框架;3.电极稀疏化的基于预成像的子域加权优化算法有效性的实验验证:构建颅脑EIT算法性能测试平台,包括基于真实人脑阻抗分布稀疏电极的三维仿真模型和物理模型,EIT成像软件以及重构图像质量评价指标,对电极稀疏化的基于预成像的子域加权优化算法进行综合比较与评价。结果表明,针对电极稀疏化进行颅脑电阻抗动态成像算法优化后,相比于直接套用原有的16电极动态成像算法,重构图像误差减少了约41.3%,重构图像质量得到较大的改善。本文针对颅脑动态EIT成像中电极稀疏化面临的挑战,开展了研究,初步实现了以下创新:1.定量计算EIT系统对待测物体内部扰动目标的分辨能力,并深入分析了电极稀疏化过程中EIT系统分辨能力的变化;2.提出并实现了一种稀疏电极颅脑电阻抗动态成像优化算法,经过物理模型实验验证,改善了电极稀疏化后重构图像的质量。本文针对稀疏电极颅脑动态电阻抗成像开展的探索,将为推动电阻抗成像在颅脑损伤患者院前急救、颅脑战创伤救治等特殊领域应用,以及电阻抗成像设备的可穿戴化研究,提供重要的理论与实验基础。