醫(yī)學(xué)電阻抗成像算法研究

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1、一Q●第l章緒論念，并于1988年研制成功8電極電容層析成像系統(tǒng)。1990年該系統(tǒng)發(fā)展成為12電極并配備了高速并行處理網(wǎng)絡(luò)(Transputer系列)，在線圖象重建速率達(dá)40幀／秒，并能以100幀／秒的速率離線顯示所存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)。多年來(lái)該研究小組投入了大量人力物力，對(duì)過(guò)程層析成像技術(shù)進(jìn)行了全面的研究。英國(guó)Leeds大學(xué)Y．Dai等應(yīng)用雙截面ERT技術(shù)研究了三維氣液兩相流的氣體相含率及速度場(chǎng)分布，其測(cè)量結(jié)果與管道內(nèi)探針測(cè)量結(jié)果吻合。他們還采用線狀電極對(duì)管道流體和矩形容器內(nèi)固相沉淀過(guò)程進(jìn)行了可視化研究【引。Leeds大學(xué)

2、PT研究小組研制的ERT系統(tǒng)也成功應(yīng)用在垃圾循環(huán)處理、采礦工業(yè)工程和水力旋流器的設(shè)計(jì)中。芬蘭Kuopio大學(xué)L．M．Heikkinen等先后采用4截面(64電極)和5截面(80電極)傳感器進(jìn)行了3維EIT多相流成像研究。他們采用并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，16電極測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)成像速率為36幀／秒；采用3維80電極時(shí)，為15幀／秒[91。英國(guó)PTL公司開(kāi)發(fā)研制的PTL．200、PTL．300等型號(hào)的ECT系統(tǒng)，可對(duì)內(nèi)徑為150mm--600mm之間的管道成像，速度最高可以超過(guò)200幀／秒。除歐洲外，近年來(lái)美國(guó)也開(kāi)始了電學(xué)成像研究。

3、美國(guó)能源部Morgantown研究中心幾乎與M．S．Beck的研究小組同時(shí)開(kāi)發(fā)出了一種在線監(jiān)測(cè)流化床中空隙率分布的16電極電容成像系統(tǒng)(CapacitanceImagingSystem，簡(jiǎn)稱CIT)。美國(guó)LawrenceLivermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用電阻層析成像技術(shù)對(duì)核廢料場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)數(shù)年研究，為核廢料儲(chǔ)存場(chǎng)所的超長(zhǎng)期、安全性計(jì)算機(jī)仿真模型的計(jì)算提供了依據(jù)。美國(guó)的杜邦公司采用已經(jīng)商品化的電容層析成像系統(tǒng)對(duì)流化床的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)【lo．1¨。國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展ET研究的單位是天津大學(xué)、清華大學(xué)等，并在ECT、ERT、超

4、聲波CT等方面取得了一定的進(jìn)展。劉石等通過(guò)將電容層析成像系統(tǒng)的電極轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度以增加獨(dú)立測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)仿真證明其可提高成像質(zhì)量。他們把電容層析成像技術(shù)應(yīng)用于循環(huán)流化床內(nèi)兩相流濃度場(chǎng)的研究，并驗(yàn)證了ECT系統(tǒng)對(duì)流化床內(nèi)泡狀流、活塞流和循環(huán)流化的分辨力【坦】。另外，他們還利用ECT研究了熱虹吸管內(nèi)的液體薄膜l-31。1999年中科院工程熱物理所與UMIST開(kāi)展國(guó)際合作，在英國(guó)文化委員會(huì)的資助下完成了交流激勵(lì)系統(tǒng)的成像軟件并合作對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，使12電極傳感系統(tǒng)的采集速度達(dá)到了140幅／秒，成為當(dāng)時(shí)國(guó)際上用于實(shí)測(cè)的最快ECT

5、系統(tǒng)。1．3生物電阻抗成像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外的EIT研究一直很活躍。每年都有新的研究進(jìn)展和成果發(fā)表。三年一次的國(guó)際生物電阻抗會(huì)議(ICEBI)上，有關(guān)EIT的研究論文數(shù)占第一位。分布在世界各國(guó)的EIT研究小組已超過(guò)20個(gè)。其中，以英國(guó)Sheffield大學(xué)B．H．Brown一o，第1章緒論研究組和DeMontfort大學(xué)W．Wang研究組的工作最為突出。他們?cè)诎耸甏烷_(kāi)始了這方面的研究，建立了初步的EIT成像系統(tǒng)并進(jìn)行不斷的改進(jìn)。1995年該小組成員Smith等建立了最新動(dòng)態(tài)EIT實(shí)時(shí)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用16電極，成像速度

6、為25幀／秒。該系統(tǒng)已在英國(guó)皇家Hallamshire醫(yī)院進(jìn)行臨床應(yīng)用研究，其功能成像和圖像監(jiān)護(hù)的特點(diǎn)已被證明。在胃酸分泌、腦血流變化等方面，EIT成像得到了初步的結(jié)果。在形態(tài)學(xué)方面，得到肺、心臟、胃、大腦等不同部位的EIT成像。近幾年，w．Wang小組在乳腺腫瘤早期檢測(cè)方面進(jìn)行了卓有成效的研究。此外，其它研究組，如美國(guó)的Newell小組以及英國(guó)的Holder小組也在心肺監(jiān)護(hù)和腦功能的成像方面取得了很好的成績(jī)【141。第四軍醫(yī)大學(xué)于1993年開(kāi)始進(jìn)行生物電阻抗成像技術(shù)研究，并構(gòu)建了阻抗成像的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)生理鹽水槽，運(yùn)用Ne

7、wton-Raphson迭代重構(gòu)算法，實(shí)現(xiàn)了4幅／秒圖像重建速度【”l；重慶大學(xué)周守昌教授以及北京航空航天大學(xué)程吉寬、柳重堪教授領(lǐng)導(dǎo)課題組k分別于1989年及1992年開(kāi)始進(jìn)行EIT成像技術(shù)研究，他們的研究工作側(cè)重于圖象重建算法【№1。如周守昌教授提出的區(qū)域分割法的圖像重建算法，程吉寬、柳重堪教授提出的擬Newton類算法、加權(quán)Newton-Raphson重建算法，其圖像速度、質(zhì)量均有一定提高和改善。1．4EIT成像算法的研究現(xiàn)狀1．4．1EIT圖像重建算法的研究概況如果硬件采集系統(tǒng)滿足一定測(cè)量精度要求，那么有效的重建

8、算法對(duì)于輸出高精度、高分辨率的EIT圖像就至關(guān)重要。EIT圖像重建算法是EIT技術(shù)發(fā)展歷程中最為活躍的研究領(lǐng)域。從國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道看，EIT技術(shù)至今仍未真正應(yīng)用于臨床輔助診斷，一部分原因就是現(xiàn)有的EIT圖像重建算法存在嚴(yán)重的不足，即重建圖像的精度和空間分辨率較低，而且有些算法的穩(wěn)定性較差。因此在重建算法研究方面還有許多工作需要做。目