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1、河北工业大学 硕士学位论文 基于仿体模型的乳腺EIT系统研究 姓名：孙兆伯 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：徐桂芝；张帅 2010-12 河北工业大学硕士学位论文 i 基于仿体模型的乳腺基于仿体模型的乳腺 EIT 系统研究系统研究 摘摘 要要 Henderson 和 Webster 于 1978 年首次发表了阻抗图像。到目前为止，电阻抗成像技术 的研究历史已经有三十多年了，但至今仍然是比较前沿的课题，还有很多问题有待于进一 步研究，比如求解方程中的病态性和硬件系统的精度不高等等。电阻抗成像技术是一种功 能性、无伤害的成像技术，并且可以长时间对病人临床监护。本文在全面分析、研究了国
2、 内外乳腺 EIT 检测技术发展动态和存在问题的基础上，针对乳腺 EIT 监测系统实用化应用 技术进行研究。针对乳腺仿体模型做了大量实验分析和成像研究，进一步对乳腺电阻抗成 像技术的临床应用奠定基础。 本文针对乳腺电阻抗成像技术做了进一步研究，主要工作内容如下： （1）设计了一个初步的用于乳腺检测的96通道的三层电阻抗成像硬件系统，并采用 两片单片机作为控制部分。 （2）设计了一个三层的每层16个电极的乳腺仿体模型。 （3）针对三维仿体模型做了四面体剖分。 （4）基于仿体模型做了大量实验，分析不同阻抗特性分布下的定位能力和分辨率。 （5）初步研究针对乳腺仿体模型的等位面反投影算法的任意切面成像
3、方法，并用 matlab软件对三维成像方法做了初步仿真。 关键词关键词：电阻抗成像，乳腺，硬件系统，仿体模型，切面成像 基于仿体模型的乳腺 EIT 系统研究 ii THE RESEARCH OF BREAST ELECTRICAL IMPEDANCE TOMOGRAPHY SYSTEM BASED ON PHANTOM MODEL ABSTRACT Henderson and Webster released impedance image firstly in 1978.The history of the research for electrical impedance tomograp
4、hy go through more than 30 years so far. But, it is still a frontier issues so far. There are still many issues to be further studied now. For example method of solving equations is sick and hardware systems are not high accuracy and so on. It is a functional, non-injury imaging technology used to m
5、onitoring patients for long periods.The practical application technology of the breast EIT detection system based on comprehensive analysis of the developments and existing problems for the breast EIT detection technology both domestic and international is studied in this paper.Lots of experimental
6、analysis and examinations of imaging based on phantom model for the breast that had been done in this paper established further the basis for the clinical application of breast electrical impedance tomography imaging technology. Further study for imaging of breast electrical impedance tomography hav
7、e been done in this paper. Main tasks have completed in this paper are as follows: (1) A electrical impedance tomography hardware system having 96 channels and three-electrode used to detecting breast is designed in this paper. The system uses two microcontrollers used to controlling other parts of
8、the system. (2) A breast phantom model having three-electrode and 16 electrodes for each layer is designed in this paper. (3) The tetrahedral mesh for three-dimensional physical model have been done in this paper. (4) Lots of experiments have been done in this paper, and, the positioning capability
9、and resolution for all kinds of distribution of electrical impedance have been analyzed in this paper. (5)There are a preliminary study of three-dimensional imaging methods to section of equipotential surface backprojection algorithm based on breast phantom model and a preliminary simulation using m
10、atlab software based on the tetrahedral mesh of three-dimensional physical model in this paper. KEY WORDS: electrical impedance tomography, breast, hardware system, phantom model, section imaging 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体 已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位
11、而使用过的材料。对本论文 所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学 校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学 位论文全文或者部分内容的阅览服务； 学校有权将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复 印件和电子版。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期：
12、 导师签名： 日期： 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1-1 电阻抗成像技术简介电阻抗成像技术简介 1-1-1 电阻抗成像的基本原理电阻抗成像的基本原理 电阻抗断层成像技术（Electrical Impedance Tomography，EIT） ，又称电阻抗 CT 技术，是当今生物 医学工程重大研究课题之一。它是继形态、结构成像之后，于八十年代出现的新一代更为有效的无损伤 功能成像技术， 它是应用低频电流流过人体组织时呈现出的电特性为依据， 进行一种新的无创成像方法 的研究。电阻抗断层成像(electrical impedance tomography，EIT)是根据人
13、体内不同组织具有不同的电阻 抗这一物理原理，通过给人体注入小的安全电流，测量体表的电位来重建人体内部的电阻抗分布图像， 是医学成像技术的一个新方向。 电阻抗断层成像系统由数据测量系统（Data Measurement System,，DMS）及图像重构软件两大部 分组成。数据测量系统的作用就是在正弦激励下从体表测量中解调出反映体内阻抗分布的电信号，经 A/D 及数据处理后为阻抗图像重构算法提供高精度的数据。EIT 系统的总体结构如图 1.1 所示。 其中， 激励源的作用是产生对人体安全的正弦激励并以一定的激励模式施加于激励电极上； 测量系 统的主要功能是从测量电极以一定测量模式获取正弦激励下的
14、体表电信号， 经高精度放大后采用解调技 术提取反映成像目标内阻抗分布信息， 供算法重构阻抗图像应用； 控制电路作为计算机与激励源及测量 电路间的接口电路，主要负责激励源及测量电路的参数及模式设置，以及校正和定标等功能；计算机主 要进行总体控制、数据处理、图像重构、图像显示等功能。 图 1.1 EIT 系统的总体结构图 Fig.1.1 Overall structure of EIT system 如 X 射线断层扫描成像、CT 成像、MRI（磁共振)成像等断层成像技术一样，电阻抗成像技术的可 行性在于 Radon 于 1917 年在数学上证明了二维、 三维的物体可由它的无限多个投影的逆变换实现
15、重构。 Housefield 则将该理念应用于医学断层成像-X 射线断层摄影。 其基本原理是： 在不损伤物体本身结构的 情况下，发射各种可通过物体的讯号(如各种射线、波、粒子、电磁场等)，然后通过对从体外接收到的 激励源单元 控制和采集单元 测量单元 重建算法 成像结果 被测 对象 基于仿体模型的乳腺 EIT 系统研究 2 信号，利用数学方法和计算机进行加工和处理，获取物体内部结构的信息，形成该物体结构的三维透视 图像，亦称图像重建或图像恢复（imagereconstruction/restoration） 。与上述断层成像不同的是，电阻抗 成像不需要发射对人体有一定危害的放射性物质， 而仅通
16、过在体表放置一定数量的电极， 并将不同模式、 频率的小电流(或电压)注入体内，然后在其它电极测量电压 （或电流） ，依据这些电流、电压值反构出 体内电导率、电容率的分布图。 1-1-2 电阻抗成像技术的国内外发展现状电阻抗成像技术的国内外发展现状 EIT 技术的发展历史不长，现在是国外近些年的一个研究热点。目前国外有 30 多个研究小组从事 EIT 基础研究及临床基础研究。欧洲、北美、前苏联等地区有许多研究小组在进行这方面的工作，并建 立了 EIT 统一行动组织（CAIT）来组织和协调 EIT 研究工作。Rensselaer Polytechnic Institute（USA） ， The University of Sheffield（UK）等大学的 EIT 研究小组在算法和实验设备上均有自己完整的体系，研 究工作具世界领先地位。 在电压驱动的测量系统中， 美
