本文關(guān)鍵詞：腦磁感應(yīng)斷層成像正問題的三維有限元仿真研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：磁感應(yīng)斷層成像(Magnetic Induction tomography, MIT)是電阻抗斷層成像(Electronic Impedance Tomography, EIT)技術(shù)新的研究分支，它采用與人體表面不接觸的線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，線圈周圍的導(dǎo)電性被測(cè)對(duì)象內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生二次感應(yīng)磁場(chǎng)，當(dāng)被測(cè)對(duì)象內(nèi)的電導(dǎo)率分布發(fā)生變化時(shí)，其感應(yīng)磁場(chǎng)也隨之發(fā)生變化，采用檢測(cè)線圈組檢測(cè)感應(yīng)磁場(chǎng)，再運(yùn)用重構(gòu)算法，則可以重建被測(cè)對(duì)象內(nèi)部電導(dǎo)率分布或其變化的圖像。MIT以交變磁場(chǎng)作為激勵(lì)源，能輕松穿透絕緣性較好的顱骨；采用非接觸的檢測(cè)方式避免了由于外傷等無法粘貼電極的情況，并且可以預(yù)先精確定位；MIT和其他的生物電阻抗成像技術(shù)相同，具有檢測(cè)成本低，功能成像等特點(diǎn)。所以對(duì)于腦水腫或腦出血等可以引起電導(dǎo)率分布發(fā)生變化的顱腦疾病，MIT技術(shù)非常適合進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，具有重要的醫(yī)學(xué)意義。 MIT的研究主要在計(jì)算機(jī)仿真、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、成像算法、軟件系統(tǒng)等方面進(jìn)行，有些已經(jīng)取得很好的研究進(jìn)展，證實(shí)了用于人體檢測(cè)的可行性。目前的研究結(jié)果表明，MIT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測(cè)精度、穩(wěn)定性、成像的靈敏性以及空間分辨率不高是制約MIT推向?qū)嶋H臨床應(yīng)用的主要原因。決定MIT成像質(zhì)量的關(guān)鍵性問題是正、逆問題求解結(jié)果的準(zhǔn)確性。逆問題的求解，也就是圖像重構(gòu)的過程要依賴于正問題的解提供更加真實(shí)、準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行修正和優(yōu)化圖像重構(gòu)算法，提高求解的準(zhǔn)確性，改善成像質(zhì)量。正問題的求解通常采用有限元的研究方法。為了獲得更準(zhǔn)確的正問題計(jì)算結(jié)果，通常使用仿真計(jì)算的方法來研究，該方法可以更好地模擬真實(shí)情況，能夠方便、快捷的變換實(shí)驗(yàn)條件，研究其變化規(guī)律，這在活體生物體內(nèi)是不容易實(shí)現(xiàn)的，這為人腦MIT正問題的仿真計(jì)算提供了便利。目前MIT正問題的仿真研究大多采用圓球體、圓柱體等規(guī)則的三維幾何模型代替大腦模型，這些規(guī)則腦模型與真實(shí)人腦的形狀差別很大，在正問題的計(jì)算和逆問題的求解方面都勢(shì)必會(huì)帶來較大的誤差，從而造成圖像重構(gòu)的誤差。也有部分研究采用醫(yī)學(xué)圖像重建的方法建立腦模型，這類模型建立方法步驟多，周期長(zhǎng)，腦模型包含真實(shí)大腦的解剖細(xì)節(jié)，會(huì)大大增加有限元網(wǎng)格和計(jì)算壓力，影響后續(xù)計(jì)算的效率，并且所構(gòu)建的腦模型具有特殊性，無法根據(jù)個(gè)體差異對(duì)模型的尺寸進(jìn)行快速的修改。還有少數(shù)研究采用二維腦模型進(jìn)行研究，雖然其計(jì)算過程將三維問題簡(jiǎn)化為二維問題，但是電磁場(chǎng)在真實(shí)人腦中是三維分布的，這種二維近似必然會(huì)引入很大的誤差。 針對(duì)上述MIT仿真研究中存在的這些問題，本研究構(gòu)建了一個(gè)真實(shí)人腦結(jié)構(gòu)的腦模型和線圈系統(tǒng)模型，并基于該模型和球模型進(jìn)行了有限元仿真，由此來研究腦模型幾何結(jié)構(gòu)等條件的變化對(duì)于MIT正問題求解結(jié)果和圖像重建的影響，具體工作如下： 1．建立真實(shí)人腦三維有限元模型 分析人腦部解剖結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，顱骨是大腦的支撐結(jié)構(gòu)，向內(nèi)包含腦實(shí)質(zhì)，向外附著頭皮，因此，可以顱骨為基礎(chǔ)構(gòu)建腦部模型。人顱骨本身不是一個(gè)規(guī)則的幾何體，但總體結(jié)構(gòu)為鵝卵形，通過恰當(dāng)?shù)姆指睿孙B骨可以用多個(gè)不同尺寸的橢球體、球體和立方體等幾何體很好的逼近。應(yīng)用Comsol Multiphysics3.5a電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算軟件包中提供的幾何建模工具，根據(jù)正常人體顱骨平均尺寸，首先建立顱骨輪廓面模型，其前后距約為19cm，左右距約為17cm，上下距約為17cm。然后以顱骨輪廓模型為基礎(chǔ)，向外擴(kuò)展0.5cm作為頭皮層，向內(nèi)縮小1cm形成顱骨層，顱骨層內(nèi)部形成腦實(shí)質(zhì)層。最后利用軟件包自帶的剖分工具進(jìn)行四面體三維有限元剖分，最終形成了由頭皮層、顱骨層和腦實(shí)質(zhì)層構(gòu)成的真實(shí)三層人腦三維有限元腦模型。本模型對(duì)真實(shí)人腦結(jié)構(gòu)模擬程度良好，接近由三維CT等重建的真實(shí)人腦，特別是本模型構(gòu)建方便、模型參數(shù)修改快捷，因而可為腦MIT的研究提供一種適合的仿真模型。 2．建立三維線圈模型 以往MIT線圈系統(tǒng)多采用抽象的線形成圓環(huán)表示線圈，但是真實(shí)線圈的導(dǎo)線是具有一定直徑的，且多匝線圈具有一定的厚度。鑒于線圈在MIT系統(tǒng)中作為傳感器的重要性，研究更好的線圈仿真是十分必要的。本研究通過Comsol Multiphysics3.5a有限元仿真軟件建立了空心圓柱體線圈模型，柱體壁的厚度模擬導(dǎo)線的直徑，柱體的長(zhǎng)度模擬線圈的匝數(shù)。仿真計(jì)算結(jié)果表明在結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)等方面可以很好的仿真MIT所用的螺線管線圈，且激勵(lì)電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度等參數(shù)在空間域和時(shí)間域都與實(shí)際趨勢(shì)保持一致�？紤]到MIT系統(tǒng)一般采用MHz以上的激勵(lì)電流，而高頻電磁場(chǎng)下金屬導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)明顯，故上述模型可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圓柱面線圈模型。與空心圓柱體模型相比，圓柱面線圈模型在有限單元數(shù)量、求解自由度和求解時(shí)間等方面均大大減小，減輕了計(jì)算壓力，提高了求解的效率，針對(duì)于復(fù)雜的三維模型的仿真計(jì)算，在提高計(jì)算精度和降低計(jì)算壓力的要求下，該模型更加適合后續(xù)的仿真研究�？招膱A柱體和圓柱面線圈模型相比已有研究采用的線形線圈和點(diǎn)激勵(lì)源，其結(jié)構(gòu)更加逼近真實(shí)情況，為MIT激勵(lì)源的產(chǎn)生和數(shù)據(jù)檢測(cè)提供了一種準(zhǔn)確、快速、高效的研究方法。 3．基于真實(shí)人腦模型的MIT正問題仿真研究 構(gòu)建與真實(shí)腦模型體積相同的球模型，球模型同樣具有三層結(jié)構(gòu)分別模擬頭皮、顱骨和腦實(shí)質(zhì)，頭皮厚度為0.5cm，顱骨厚度為1cm，顱骨層半徑為16cm。球模型和腦模型各層組織的電導(dǎo)率設(shè)置相同。將上述已建立的真實(shí)形狀腦模型和球模型分別放置于16通道的仿真線圈中，構(gòu)成MIT仿真系統(tǒng)。在兩種模型中分別設(shè)置相同的電導(dǎo)率擾動(dòng)目標(biāo)，在激勵(lì)線圈中施加10MHz，1A的正弦電流，計(jì)算MIT正問題，求出檢測(cè)線圈上磁感應(yīng)強(qiáng)度的相位變化量。之后改變擾動(dòng)目標(biāo)的體積、位置以及形狀等，計(jì)算不同出血情況下的相位差。計(jì)算結(jié)果表明：1)同一個(gè)擾動(dòng)目標(biāo)放置于腦模型和球模型中，在15個(gè)檢測(cè)線圈上所得有無擾動(dòng)目標(biāo)的相位差的變化趨勢(shì)與已有的仿真研究報(bào)道一致；2)球模型時(shí)檢測(cè)線圈處的相位差基本對(duì)稱，而腦模型則存在最大10%的差異。由于球模型規(guī)則幾何結(jié)構(gòu)，15個(gè)相位差具有對(duì)稱性，基本以8號(hào)檢測(cè)線圈為中心，呈對(duì)稱分布；而真實(shí)形狀腦模型的仿真結(jié)果顯示，在對(duì)稱位置線圈上的相位差結(jié)果是不相同的，1到7號(hào)檢測(cè)線圈上的相位差與其對(duì)稱位置9到15號(hào)檢測(cè)線圈上產(chǎn)生的相位差相差10%左右，其中以4號(hào)和12號(hào)檢測(cè)線圈的差別最大，根據(jù)已有的研究表明10%的相位誤差會(huì)影響圖像的重建結(jié)果。這種差別是由于腦模型幾何形狀不對(duì)稱，導(dǎo)致線圈與模型的距離不完全一致所引起的。從腦模型的結(jié)構(gòu)分析，1到7號(hào)檢測(cè)線圈鄰近的顱骨后半部分相比前半部分體積更大、弧度更小。通過對(duì)比研究說明：在其他條件一致的情況下，MIT腦模型幾何形狀的不同是會(huì)影響正問題的計(jì)算結(jié)果，規(guī)則球模型與真實(shí)人腦模型求解結(jié)果的差別勢(shì)必會(huì)影響逆問題的求解準(zhǔn)確性。 4．基于真實(shí)人腦模型的MIT正問題數(shù)據(jù)的圖像重建 采用課題組的基于修正Newton-Raphson重構(gòu)算法的圖像重構(gòu)軟件來進(jìn)行MIT仿真圖像的重建。該圖像重構(gòu)軟件是基于二維圓域的剖分對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行逆問題圖像重構(gòu)的。 球形擾動(dòng)目標(biāo)的圖像重建結(jié)果顯示腦模型的結(jié)果定位更準(zhǔn)確，對(duì)比度更高。對(duì)腦模型和球模型中心設(shè)置半徑為2cm的球形、電導(dǎo)率分別為1S/m、2S/m、3S/m的擾動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行正問題求解，然后進(jìn)行圖像重建，腦模型和球模型的重建圖像能夠反映擾動(dòng)目標(biāo)的位置，在窗寬窗位相同的情況下，腦模型的重構(gòu)結(jié)果顏色較深，對(duì)比度更高。將擾動(dòng)目標(biāo)向模型的邊緣移動(dòng)、距離中心4cm時(shí)，重建結(jié)果可以反映擾動(dòng)目標(biāo)的位置，圖像中擾動(dòng)目標(biāo)的位置有微小差別，但不明顯。腦模型結(jié)果的對(duì)比度仍然較球模型要高。將擾動(dòng)目標(biāo)的位置再向模型的邊緣移動(dòng)距離中心6cm時(shí)，重建圖像結(jié)果顯示腦模型中擾動(dòng)目標(biāo)的定位比球模型更準(zhǔn)確，兩者位置相差1cm。 對(duì)長(zhǎng)方體擾動(dòng)目標(biāo)的圖像重建結(jié)果顯示腦模型的結(jié)果其形狀更逼近原擾動(dòng)目標(biāo)的形狀，，輪廓更準(zhǔn)確，對(duì)比度更高。對(duì)長(zhǎng)、寬、高為4cm、2cm、2cm的長(zhǎng)方體擾動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行了正問題求解和圖像重建。當(dāng)擾動(dòng)位于模型中心時(shí)，腦模型圖像中擾動(dòng)目標(biāo)的重建結(jié)果相比球模型擾動(dòng)目標(biāo)的結(jié)果更加逼近所設(shè)置擾動(dòng)目標(biāo)的幾何形狀，但與實(shí)際形狀仍有一定的差別。當(dāng)長(zhǎng)方體擾動(dòng)目標(biāo)向邊緣移動(dòng)6cm時(shí)，腦模型的重建結(jié)果相比中心位置，其形狀更加符合原模型的形狀，長(zhǎng)寬比例與實(shí)際擾動(dòng)目標(biāo)的比例一致，而球模型的結(jié)果則仍然和原目標(biāo)有明顯差別，結(jié)果表明：在其他實(shí)驗(yàn)條件一致的情況下，腦模型和球模型的重建結(jié)果有明顯差別，而這種差別是由模型的幾何形狀的差別引起的。由于逆問題的求解是基于二維圓域進(jìn)行剖分的，如果采用真實(shí)人腦幾何輪廓進(jìn)行逆問題的求解，這種差別可能更加明顯，目標(biāo)位置和輪廓更加準(zhǔn)確。 本研究在考慮人腦模型形狀的真實(shí)程度和模型計(jì)算復(fù)雜程度的同時(shí)，通過有限元仿真軟件構(gòu)建了一種逼近真實(shí)人腦結(jié)構(gòu)的三層人腦三維有限元模型，并構(gòu)建了更為真實(shí)的三維線圈模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了正、逆問題的求解，研究結(jié)果表明：采用真實(shí)人腦形狀的模型進(jìn)行正、逆問題的仿真求解，能夠提供更加真實(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)和重構(gòu)圖像。
【關(guān)鍵詞】：磁感應(yīng)斷層成像 腦模型 仿真 有限元 相位
【學(xué)位授予單位】：第四軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：R310
【目錄】：

• 縮略語表5-6
• 中文摘要6-11
• ABSTRACT11-16
• 前言16-18
• 文獻(xiàn)回顧18-29
• 1 磁感應(yīng)斷層成像簡(jiǎn)介18-21
• 1.1 MIT 的概念18
• 1.2 MIT 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)18-19
• 1.3 MIT 的基本原理19-21
• 2 人體組織的生物物理學(xué)基礎(chǔ)21-22
• 2.1 生物組織的電阻抗特性21-22
• 2.2 生物組織的磁特性22
• 2.3 腦部組織的電導(dǎo)率參數(shù)22
• 3 MIT 仿真研究22-29
• 3.1 MIT 正、逆問題23
• 3.2 國(guó)內(nèi)外腦模型的仿真研究23-26
• 3.3 MIT 線圈的仿真研究26
• 3.4 MIT 仿真研究的測(cè)量方法26-27
• 3.5 仿真研究的現(xiàn)狀分析27-29
• 引言29-31
• 1 三維人體腦模型的建立31-36
• 1.1 顱骨輪廓模型的構(gòu)建31-34
• 1.2 三層腦模型的構(gòu)建及剖分34-35
• 1.3 小結(jié)35-36
• 2 MIT 激勵(lì)線圈的仿真研究36-44
• 2.1 線圈的電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)36-37
• 2.2 線圈仿真模型的建立37-43
• 2.2.1 空心圓柱體仿真模型37-42
• 2.2.2 圓柱面仿真模型42-43
• 2.3 小結(jié)43-44
• 3 基于真實(shí)人腦模型的 MIT 正問題仿真研究44-59
• 3.1 MIT 仿真模型44-45
• 3.2 正問題求解過程45-46
• 3.3 腦模型與球模型正問題的對(duì)比研究46-57
• 3.3.1 不同電導(dǎo)率擾動(dòng)目標(biāo)的對(duì)比研究46-49
• 3.3.2 不同位置擾動(dòng)目標(biāo)的對(duì)比研究49-52
• 3.3.3 不同體積擾動(dòng)目標(biāo)的對(duì)比研究52-55
• 3.3.4 不同形狀擾動(dòng)目標(biāo)的對(duì)比研究55-57
• 3.4 正問題研究結(jié)果分析57-59
• 4 基于真實(shí)人腦模型的 MIT 逆問題仿真研究59-65
• 4.1 中心位置球形擾動(dòng)目標(biāo)的圖像重建59-61
• 4.2 非中心位置球形擾動(dòng)目標(biāo)的圖像重建61-62
• 4.3 長(zhǎng)方體擾動(dòng)目標(biāo)的圖像重建62-63
• 4.4 逆問題重建結(jié)果分析63-65
• 小結(jié)65-67
• 參考文獻(xiàn)67-73
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷和研究成果73-74
• 致謝74

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 董秀珍,秦明新,付峰,湯夢(mèng)興,尤福生,史學(xué)濤;生物電阻抗斷層成像技術(shù)的研究進(jìn)展[J];第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào);1999年03期

2 李世俊,秦明新,董秀珍,尤富生,史學(xué)濤,付峰,劉銳崗,李江;非接觸磁感應(yīng)腦阻抗斷層成像系統(tǒng)激勵(lì)源設(shè)計(jì)[J];第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào);2003年02期

3 殷朝慶;董秀珍;劉銳崗;尤富生;付峰;史學(xué)濤;王聰;劉程睿;;腦磁感應(yīng)成像的數(shù)學(xué)模型及仿真結(jié)果[J];第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào);2006年20期

4 王聰;董秀珍;史學(xué)濤;帥萬均;楊潤(rùn)楠;尤富生;;基于電阻抗成像的均質(zhì)頭模型研究[J];航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程;2007年01期

5 史學(xué)濤;霍旭陽;尤富生;付峰;劉銳崗;徐燦華;董秀珍;;顱內(nèi)出血電阻抗成像系統(tǒng)及初步動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[J];航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程;2007年01期

6 何為,徐管鑫,王平;腦水腫與腦出血的動(dòng)態(tài)阻抗測(cè)量和阻抗成像基礎(chǔ)研究[J];科學(xué)技術(shù)與工程;2004年01期

7 李國(guó)棟;2002-2003年生物磁學(xué)新進(jìn)展[J];生物磁學(xué);2003年04期

8 帥萬鈞,董秀珍,付峰,尤富生,劉銳崗,史學(xué)濤;一種具有真實(shí)人腦外形的腦有限元模型的建立方法[J];生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志;2005年04期

9 章健偉;吳偉娟;應(yīng)小艷;閆丹丹;;基于分類體數(shù)據(jù)的五層有限元真實(shí)頭模型建立[J];生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志;2011年03期

10 何園丁;何為;徐征;張占龍;;開放式磁感應(yīng)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J];醫(yī)療衛(wèi)生裝備;2007年05期

  本文關(guān)鍵詞：腦磁感應(yīng)斷層成像正問題的三維有限元仿真研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：440190