开放式磁感应成像技术基础研究

论文摘要

目前运用于临床的医学影像技术可分为两种:结构性成像和功能性成像。结构性成像包括:X射线成像,CT,磁共振成像,超声成像。功能性成像主要包括:放射性核素显像,功能性核磁共振成像,脑磁图,电阻抗成像技术。当前,临床急需一种能够进行功能性成像的便携式床边实时检测设备,上述各种方法只有电阻抗成像技术能够提供连续时间功能性监护成像。然而,由于电阻抗成像技术需要向被测物体内注入电流,颅骨层的低电导率限制了电阻抗成像技术在颅脑疾病功能性成像方面的应用。所以,本论文根据磁场能够穿透低电导率颅骨的特点,针对颅脑疾病的实时监护,研究一种新型的无接触式功能性成像技术:开放式磁感应成像。论文内容包括以下几个方面:①开放式磁感应成像的正问题理论研究。正问题研究主要包括两方面:一是采用基于有限元的A -φ法分析二维场域内的涡流分布情况。二是参照地质勘测分层模型的思路,提出生物体组织分层介质模型的假设,采用基于区域划分的Gauss-Legendre数值积分算法计算分层介质的开放式磁感应成像正问题。②开放式磁感应成像逆问题研究。采用改进遗传算法计算分层开放式磁感应成像的逆问题。对遗传算法作了如下改进:根据个体之间的广义汉明距离限制,产生初始种群;采取精英保留策略和基于压差的排序方法进行选择操作;根据相关性配对方法,选择进行交叉的两个体,根据有效交叉区域的限制,确定单点交叉的基因座位置,根据个体适应度的大小,确定自适应交叉概率;根据进化代数,自适应调节变异概率。对开放式磁感应成像进行了仿真试验,结果表明:对于半径为10mm的探头,能对表皮下20mm的范围内,出血范围大约为两倍探头尺寸的电导率异常情况能够比较准确的进行重构。③测量系统研制。介绍了开放式磁感应成像的硬件测量系统的各组成模块和设计原理。针对头颅,设计了传感器呈球面分布的多通道开放式磁感应成像设备。④实验研究。实验研究包括两个主要内容:一是系统性能指标测试实验,确定测量系统的灵敏度,稳定性,以及噪声水平。测试结果表明:系统的相位灵敏度优于幅值灵敏度。所以我们确定以相位作为成像数据的来源。系统的相位灵敏度为0.185o / S /m。通过稳定性测试实验,引入参考通道,大大减小了系统的相位噪声。系统的相位噪声在±0.05°之间。二是水槽实验,通过一系列水槽实验研究了开放式磁感应成像系统的成像效果。通过变频实验发现,激励频率越高,越有利于提高图像的分辨率。检测深度的实验表明,现有水槽系统的探测深度大约为20mm左右。最后,通过覆盖骨头的琼脂实验,证明了磁感应成像系统对低电导率骨骼的穿越能力,为将来实现临床颅脑疾病监护奠定了实验基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 临床医学的需求及研究意义
• 1.1.2 开放式磁感应成像问题的提出
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 MIT 的检测信号
• 1.2.2 MIT 系统的屏蔽
• 1.2.3 MIT 信号测量
• 1.2.4 MIT 成像系统及其应用
• 1.2.5 图像重构研究现状
• 1.2.6 MIT 系统的分辨率和噪声
• 1.2.7 多频测量
• 1.3 论文的主要研究工作
• 1.4 论文的章节和结构
• 2 开放式磁感应成像的理论基础
• 2.1 基于磁偶极子假设的磁感应成像的理论基础
• 2.2 基于有限元分析的开放式磁感应成像理论基础
• 2.3 分层介质磁感应成像的电磁场理论基础
• 2.3.1 生物体组织分层计算模型
• 2.3.2 矢量磁位的边值问题
• 2.3.3 约束方程的通解
• 2.3.4 待定系数的确定
• 2.3.5 单层生物体组织的矢量磁位
• 2.3.6 单层生物体组织中的感应涡流
• 2.3.7 单层生物体组织情况下检测线圈中的感应电压
• 2.3.8 多层介质时的情况
• 2.4 本章小结
• 3 开放式磁感应成像的正问题研究
• 3.1 开放式MIT 正问题二维有限元求解
• 3.1.1 磁矢位的求解
• 3.1.2 标量电位的求解
• 3.1.3 线圈感应电动势求解
• 3.1.4 仿真研究
• 3.2 分层介质磁感应成像正问题求解
• 3.2.1 积分函数的特性
• 3.2.2 含双重贝塞尔函数的积分问题的求解
• 3.2.3 测试函数试验
• 3.2.4 仿真计算
• 3.3 本章小结
• 4 开放式磁感应成像的逆问题研究
• 4.1 引言
• 4.2 遗传算法
• 4.3 遗传算法的改进策略
• 4.3.1 初始种群的产生
• 4.3.2 选择操作的改进
• 4.3.3 交叉操作的改进
• 4.3.4 变异操作的改进
• 4.3.5 改进遗传算法的流程
• 4.4 改进遗传算法的测试
• 4.4.1 Shaffer 函数
• 4.4.2 Shubert 函数
• 4.5 分层介质磁感应成像逆问题仿真
• 4.5.1 仿真试验一
• 4.5.2 仿真试验二
• 4.5.3 动态成像仿真试验
• 4.6 本章小结
• 5 硬件测量系统研制
• 5.1 系统实现的功能
• 5.2 系统的结构
• 5.2.1 线圈传感器
• 5.2.2 直接数字合成信号源
• 5.2.3 信号幅值调节电路
• 5.2.4 功率放大电路
• 5.2.5 继电器开关阵列
• 5.2.6 检测通道开关阵列
• 5.2.7 抵消信号电路
• 5.2.8 控制器电路
• 5.2.9 锁相放大器
• 5.2.10 硬件系统
• 5.3 本章小结
• 6 磁感应成像系统关键指标分析
• 6.1 灵敏度分析
• 6.1.1 测量信号与被测物电导率的关系
• 6.1.2 测量信号与激励频率的关系
• 6.1.3 测量信号与被测物距离的关系
• 6.1.4 测量信号与主磁场抵消程度的关系
• 6.2 稳定性分析
• 6.2.1 信号的稳定性
• 6.2.2 提高系统稳定性的方法
• 6.3 本章小结
• 7 磁感应成像系统试验研究
• 7.1 多通道磁感应成像系统
• 7.2 变频成像试验
• 7.3 检测深度的试验
• 7.4 多目标成像试验
• 7.5 包含骨骼的成像试验
• 7.6 本章小结
• 8 总结与展望
• 8.1 研究工作总结
• 8.2 对进一步研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录