適用于腦部電阻抗斷層成像的單源驅(qū)動電流模式論文

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1、適用于腦部電阻抗斷層成像的單源驅(qū)動電流模式論文史學(xué)濤，董秀珍，帥萬鈞，尤富生，付峰，劉銳崗【關(guān)鍵詞】腦部Singlesourcedrivepatternsforbrainelectricalimpedancetomography【Abstract】AIM:Toseekasinglesourcedrivepatternoresuitableforbrainelectricalimpedancetomography(EIT).METHODS:Inaccordance,icrange,numberofindependentmeasurement,totalmarginalvoltagec

2、hangesandantinoiseperformanceinanequivalentcircuitmodelofthebrainresistivitydistributionconsistingof7300oddresistors.RESULTS:Thequasipolardrivepatternalinallaspectsexceptthedynamicrange.PolarandcrossdrivepatternsandadjacentdrivepatternfolloostsuitablepatternforbrainEIT.【Keypedancetomography;eq

3、uivalentcircuit;drivepattern;brainresistivitydistribution【摘要】目的:尋求一種更適合于腦部電阻抗斷層成像技術(shù)（EIT）的單源驅(qū)動模式．方法:針對腦部電阻率分布的特點和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實際情況，在一個由7300多個電阻構(gòu)成的腦部電阻率分布等效電路模型上，對比了鄰近、交叉、對向和新提出的準(zhǔn)對向這四種驅(qū)動模式在動態(tài)范圍、獨(dú)立測量數(shù)、邊界電壓變化量和抗噪性能等方面的差異．結(jié)果:除動態(tài)范圍外.freelpedancetomography,EIT）通過求解Laplace方程逆問題來重構(gòu)圖像［1］．由于導(dǎo)體內(nèi)電流分布的非線性特性，該逆問題具

4、有嚴(yán)重的病態(tài)性．為在某些方面提高重構(gòu)圖像的性能，研究者們依據(jù)不同的判據(jù)，提出了多種電流驅(qū)動模式［2-3］.其中Demidenko等［3］所用的自適應(yīng)最優(yōu)電流模式中需要同時采用多個電極驅(qū)動并在這些電極上測量邊界電壓，各電流源需精確匹配，使系統(tǒng)實現(xiàn)起來難度很大，目前只有很少系統(tǒng)能夠做到．因而，從低成本、易于實現(xiàn)的角度出發(fā)，我們將目標(biāo)鎖定在單源激勵模式上．鑒于腦部電阻率分布的嚴(yán)重不均勻性及其對顱內(nèi)深層組織電特性變化信息的提取的影響，考慮到EIT測量的實際情況，我們在腦電阻率分布等效電路模型上對比了鄰近、交叉、對向和我們提出的準(zhǔn)對向這四種單電流源驅(qū)動模式的性能．1方法1.1腦EIT1.1.

5、1腦部的電阻率分布在進(jìn)行腦部EIT時，一方面，我們必須考慮到高電阻率的顱骨與低電阻率的腦脊液(cerebrospinalfluid,CSF)對注入電流的影響．由于顱骨的電阻率遠(yuǎn)高于頭皮，大量的電流會經(jīng)頭皮分流．其余穿透顱骨的電流又會被顱骨下的CSF進(jìn)一步分流．因此只有非常少的電流會穿透大腦深層，造成內(nèi)部組織電特性的變化信息更難被檢測出來．1.1.2數(shù)據(jù)測量本質(zhì)實際數(shù)據(jù)采集過程中，單次測量的可靠性主要由信號強(qiáng)度（EIT中的邊界電壓）和噪聲的有效值這兩個因素決定．多數(shù)情況下，噪聲由測量系統(tǒng)自身決定，不會隨輸入信號大小的改變而改變．同時，由于多數(shù)動態(tài)EIT圖像是基于邊界電壓的相對變化得來

6、的，邊界電壓越小，等量的噪聲對成像結(jié)果的影響就越顯著．也就是說重構(gòu)圖像的精度取決于那些較小的而非較大的邊界電壓．因而，腦EIT成像時應(yīng)取所有的邊界電壓都盡可能大即動態(tài)范圍應(yīng)盡可能的小的驅(qū)動模式．1.1.3獨(dú)立測量數(shù)獨(dú)立測量數(shù)是特定驅(qū)動模式下所得到的有效邊界電壓的個數(shù)．例如當(dāng)采用電極對(1，2)驅(qū)動時，電極對(3，4)上的電壓差與電極對(3，4)驅(qū)動時電極對(1，2)上的電壓差相等，因而它們只能看成是一次獨(dú)立測量．增加獨(dú)立測量個數(shù)，將會獲得更多的內(nèi)部阻抗信息，相應(yīng)的成像效果也應(yīng)更好．雖然增加電極的數(shù)目會增加獨(dú)立測量數(shù)，但同時會導(dǎo)致邊界電壓的動態(tài)范圍和電極間串?dāng)_的增大．在電極數(shù)目一定的

7、情況下，獨(dú)立測量數(shù)主要由驅(qū)動模式?jīng)Q定．值得注意的是，由于電極與皮膚的接觸阻抗會在驅(qū)動電極上產(chǎn)生較大且不穩(wěn)定的分壓，邊界電壓測量時往往要避開驅(qū)動電極，因而計算獨(dú)立測量數(shù)時應(yīng)排除這些測量點．1.1.4安全限制由于EIT作用的目標(biāo)是人，驅(qū)動電流的強(qiáng)度必須處在醫(yī)用電器安全標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的范圍之內(nèi)以確保人身安全．基于以上考慮，我們認(rèn)為判斷一個驅(qū)動模式是否更適于腦EIT時應(yīng)關(guān)注以下指標(biāo)：①邊界電壓的動態(tài)范圍盡可能??；②電極個數(shù)相同時獨(dú)立測量個數(shù)盡可能多；③相等的激勵電流下，顱內(nèi)電阻