脑磁感应断层成像正问题的三维有限元仿真研究

发布时间：2017-06-10 23:04

  本文关键词：脑磁感应断层成像正问题的三维有限元仿真研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：磁感应断层成像(Magnetic Induction tomography, MIT)是电阻抗断层成像(Electronic Impedance Tomography, EIT)技术新的研究分支，它采用与人体表面不接触的线圈产生交变磁场，线圈周围的导电性被测对象内部会产生二次感应磁场，当被测对象内的电导率分布发生变化时，其感应磁场也随之发生变化，采用检测线圈组检测感应磁场，再运用重构算法，则可以重建被测对象内部电导率分布或其变化的图像。MIT以交变磁场作为激励源，能轻松穿透绝缘性较好的颅骨；采用非接触的检测方式避免了由于外伤等无法粘贴电极的情况，并且可以预先精确定位；MIT和其他的生物电阻抗成像技术相同，具有检测成本低，功能成像等特点。所以对于脑水肿或脑出血等可以引起电导率分布发生变化的颅脑疾病，MIT技术非常适合进行长时间监测，具有重要的医学意义。 MIT的研究主要在计算机仿真、数据采集系统、成像算法、软件系统等方面进行，有些已经取得很好的研究进展，证实了用于人体检测的可行性。目前的研究结果表明，MIT系统的数据检测精度、稳定性、成像的灵敏性以及空间分辨率不高是制约MIT推向实际临床应用的主要原因。决定MIT成像质量的关键性问题是正、逆问题求解结果的准确性。逆问题的求解，也就是图像重构的过程要依赖于正问题的解提供更加真实、准确的计算结果，进行修正和优化图像重构算法，提高求解的准确性，改善成像质量。正问题的求解通常采用有限元的研究方法。为了获得更准确的正问题计算结果，通常使用仿真计算的方法来研究，该方法可以更好地模拟真实情况，能够方便、快捷的变换实验条件，研究其变化规律，这在活体生物体内是不容易实现的，这为人脑MIT正问题的仿真计算提供了便利。目前MIT正问题的仿真研究大多采用圆球体、圆柱体等规则的三维几何模型代替大脑模型，这些规则脑模型与真实人脑的形状差别很大，在正问题的计算和逆问题的求解方面都势必会带来较大的误差，从而造成图像重构的误差。也有部分研究采用医学图像重建的方法建立脑模型，这类模型建立方法步骤多，周期长，脑模型包含真实大脑的解剖细节，会大大增加有限元网格和计算压力，影响后续计算的效率，并且所构建的脑模型具有特殊性，无法根据个体差异对模型的尺寸进行快速的修改。还有少数研究采用二维脑模型进行研究，虽然其计算过程将三维问题简化为二维问题，但是电磁场在真实人脑中是三维分布的，这种二维近似必然会引入很大的误差。 针对上述MIT仿真研究中存在的这些问题，本研究构建了一个真实人脑结构的脑模型和线圈系统模型，并基于该模型和球模型进行了有限元仿真，由此来研究脑模型几何结构等条件的变化对于MIT正问题求解结果和图像重建的影响，具体工作如下： 1．建立真实人脑三维有限元模型 分析人脑部解剖结构发现，颅骨是大脑的支撑结构，向内包含脑实质，向外附着头皮，因此，可以颅骨为基础构建脑部模型。人颅骨本身不是一个规则的几何体，但总体结构为鹅卵形，通过恰当的分割，人颅骨可以用多个不同尺寸的椭球体、球体和立方体等几何体很好的逼近。应用Comsol Multiphysics3.5a电磁场数值计算软件包中提供的几何建模工具，根据正常人体颅骨平均尺寸，首先建立颅骨轮廓面模型，其前后距约为19cm，左右距约为17cm，上下距约为17cm。然后以颅骨轮廓模型为基础，向外扩展0.5cm作为头皮层，向内缩小1cm形成颅骨层，颅骨层内部形成脑实质层。最后利用软件包自带的剖分工具进行四面体三维有限元剖分，最终形成了由头皮层、颅骨层和脑实质层构成的真实三层人脑三维有限元脑模型。本模型对真实人脑结构模拟程度良好，接近由三维CT等重建的真实人脑，特别是本模型构建方便、模型参数修改快捷，因而可为脑MIT的研究提供一种适合的仿真模型。 2．建立三维线圈模型 以往MIT线圈系统多采用抽象的线形成圆环表示线圈，但是真实线圈的导线是具有一定直径的，且多匝线圈具有一定的厚度。鉴于线圈在MIT系统中作为传感器的重要性，研究更好的线圈仿真是十分必要的。本研究通过Comsol Multiphysics3.5a有限元仿真软件建立了空心圆柱体线圈模型，柱体壁的厚度模拟导线的直径，柱体的长度模拟线圈的匝数。仿真计算结果表明在结构和运行状态等方面可以很好的仿真MIT所用的螺线管线圈，且激励电流和磁感应强度等参数在空间域和时间域都与实际趋势保持一致。考虑到MIT系统一般采用MHz以上的激励电流，而高频电磁场下金属导体的趋肤效应明显，故上述模型可进一步简化为圆柱面线圈模型。与空心圆柱体模型相比，圆柱面线圈模型在有限单元数量、求解自由度和求解时间等方面均大大减小，减轻了计算压力，提高了求解的效率，针对于复杂的三维模型的仿真计算，在提高计算精度和降低计算压力的要求下，该模型更加适合后续的仿真研究。空心圆柱体和圆柱面线圈模型相比已有研究采用的线形线圈和点激励源，其结构更加逼近真实情况，为MIT激励源的产生和数据检测提供了一种准确、快速、高效的研究方法。 3．基于真实人脑模型的MIT正问题仿真研究 构建与真实脑模型体积相同的球模型，球模型同样具有三层结构分别模拟头皮、颅骨和脑实质，头皮厚度为0.5cm，颅骨厚度为1cm，颅骨层半径为16cm。球模型和脑模型各层组织的电导率设置相同。将上述已建立的真实形状脑模型和球模型分别放置于16通道的仿真线圈中，构成MIT仿真系统。在两种模型中分别设置相同的电导率扰动目标，在激励线圈中施加10MHz，1A的正弦电流，计算MIT正问题，求出检测线圈上磁感应强度的相位变化量。之后改变扰动目标的体积、位置以及形状等，计算不同出血情况下的相位差。计算结果表明：1)同一个扰动目标放置于脑模型和球模型中，在15个检测线圈上所得有无扰动目标的相位差的变化趋势与已有的仿真研究报道一致；2)球模型时检测线圈处的相位差基本对称，而脑模型则存在最大10%的差异。由于球模型规则几何结构，15个相位差具有对称性，基本以8号检测线圈为中心，呈对称分布；而真实形状脑模型的仿真结果显示，在对称位置线圈上的相位差结果是不相同的，1到7号检测线圈上的相位差与其对称位置9到15号检测线圈上产生的相位差相差10%左右，其中以4号和12号检测线圈的差别最大，根据已有的研究表明10%的相位误差会影响图像的重建结果。这种差别是由于脑模型几何形状不对称，导致线圈与模型的距离不完全一致所引起的。从脑模型的结构分析，1到7号检测线圈邻近的颅骨后半部分相比前半部分体积更大、弧度更小。通过对比研究说明：在其他条件一致的情况下，MIT脑模型几何形状的不同是会影响正问题的计算结果，规则球模型与真实人脑模型求解结果的差别势必会影响逆问题的求解准确性。 4．基于真实人脑模型的MIT正问题数据的图像重建 采用课题组的基于修正Newton-Raphson重构算法的图像重构软件来进行MIT仿真图像的重建。该图像重构软件是基于二维圆域的剖分对检测数据进行逆问题图像重构的。 球形扰动目标的图像重建结果显示脑模型的结果定位更准确，对比度更高。对脑模型和球模型中心设置半径为2cm的球形、电导率分别为1S/m、2S/m、3S/m的扰动目标进行正问题求解，然后进行图像重建，脑模型和球模型的重建图像能够反映扰动目标的位置，在窗宽窗位相同的情况下，脑模型的重构结果颜色较深，对比度更高。将扰动目标向模型的边缘移动、距离中心4cm时，重建结果可以反映扰动目标的位置，图像中扰动目标的位置有微小差别，但不明显。脑模型结果的对比度仍然较球模型要高。将扰动目标的位置再向模型的边缘移动距离中心6cm时，重建图像结果显示脑模型中扰动目标的定位比球模型更准确，两者位置相差1cm。 对长方体扰动目标的图像重建结果显示脑模型的结果其形状更逼近原扰动目标的形状，，轮廓更准确，对比度更高。对长、宽、高为4cm、2cm、2cm的长方体扰动目标进行了正问题求解和图像重建。当扰动位于模型中心时，脑模型图像中扰动目标的重建结果相比球模型扰动目标的结果更加逼近所设置扰动目标的几何形状，但与实际形状仍有一定的差别。当长方体扰动目标向边缘移动6cm时，脑模型的重建结果相比中心位置，其形状更加符合原模型的形状，长宽比例与实际扰动目标的比例一致，而球模型的结果则仍然和原目标有明显差别，结果表明：在其他实验条件一致的情况下，脑模型和球模型的重建结果有明显差别，而这种差别是由模型的几何形状的差别引起的。由于逆问题的求解是基于二维圆域进行剖分的，如果采用真实人脑几何轮廓进行逆问题的求解，这种差别可能更加明显，目标位置和轮廓更加准确。 本研究在考虑人脑模型形状的真实程度和模型计算复杂程度的同时，通过有限元仿真软件构建了一种逼近真实人脑结构的三层人脑三维有限元模型，并构建了更为真实的三维线圈模型，在此基础上进行了正、逆问题的求解，研究结果表明：采用真实人脑形状的模型进行正、逆问题的仿真求解，能够提供更加真实、准确的检测数据和重构图像。
【关键词】：磁感应断层成像 脑模型 仿真 有限元 相位
【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R310
【目录】：

• 缩略语表5-6
• 中文摘要6-11
• ABSTRACT11-16
• 前言16-18
• 文献回顾18-29
• 1 磁感应断层成像简介18-21
• 1.1 MIT 的概念18
• 1.2 MIT 的技术优势18-19
• 1.3 MIT 的基本原理19-21
• 2 人体组织的生物物理学基础21-22
• 2.1 生物组织的电阻抗特性21-22
• 2.2 生物组织的磁特性22
• 2.3 脑部组织的电导率参数22
• 3 MIT 仿真研究22-29
• 3.1 MIT 正、逆问题23
• 3.2 国内外脑模型的仿真研究23-26
• 3.3 MIT 线圈的仿真研究26
• 3.4 MIT 仿真研究的测量方法26-27
• 3.5 仿真研究的现状分析27-29
• 引言29-31
• 1 三维人体脑模型的建立31-36
• 1.1 颅骨轮廓模型的构建31-34
• 1.2 三层脑模型的构建及剖分34-35
• 1.3 小结35-36
• 2 MIT 激励线圈的仿真研究36-44
• 2.1 线圈的电磁场理论基础36-37
• 2.2 线圈仿真模型的建立37-43
• 2.2.1 空心圆柱体仿真模型37-42
• 2.2.2 圆柱面仿真模型42-43
• 2.3 小结43-44
• 3 基于真实人脑模型的 MIT 正问题仿真研究44-59
• 3.1 MIT 仿真模型44-45
• 3.2 正问题求解过程45-46
• 3.3 脑模型与球模型正问题的对比研究46-57
• 3.3.1 不同电导率扰动目标的对比研究46-49
• 3.3.2 不同位置扰动目标的对比研究49-52
• 3.3.3 不同体积扰动目标的对比研究52-55
• 3.3.4 不同形状扰动目标的对比研究55-57
• 3.4 正问题研究结果分析57-59
• 4 基于真实人脑模型的 MIT 逆问题仿真研究59-65
• 4.1 中心位置球形扰动目标的图像重建59-61
• 4.2 非中心位置球形扰动目标的图像重建61-62
• 4.3 长方体扰动目标的图像重建62-63
• 4.4 逆问题重建结果分析63-65
• 小结65-67
• 参考文献67-73
• 个人简历和研究成果73-74
• 致谢74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：440190