電阻抗斷層成像頭模型系列及其實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、電阻抗斷層成像(electrical impedance tomography，EIT)是一種根據(jù)生物組織的電阻抗特性來形成人體內(nèi)電阻抗斷層圖的技術(shù)，與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)相比，首先它可以實(shí)現(xiàn)功能成像；其次不使用核素或射線，對人體無害，可以重復(fù)使用。目前這一新型技術(shù)受到國內(nèi)外臨床醫(yī)學(xué)與生物醫(yī)學(xué)界的廣泛重視，成為研究的熱點(diǎn)之一。 在腦EIT 成像研究中，由于腦組織受高電阻率的顱骨和低電阻率的腦脊液的包繞，頭部電阻抗斷層成像檢測時(shí)電流從

2、頭皮分流，因此頭部EIT 信號提取的難度要遠(yuǎn)高于常規(guī)EIT。為研究顱骨等因素對頭部EIT 研究的影響，根據(jù)顱骨等的電導(dǎo)率分布制作顱骨模型并用于EIT 研究。目前國內(nèi)外研究頭部EIT 成像模型實(shí)驗(yàn)時(shí)用到的顱骨模型都是均勻電導(dǎo)率分布的模型，根據(jù)相關(guān)組織阻抗的基礎(chǔ)測量中發(fā)現(xiàn)顱骨不同位置的電導(dǎo)率不一致，含有板障層的厚顱骨電導(dǎo)率較不含板障層的薄顱骨電導(dǎo)率大，最大相差3-4 倍的這一現(xiàn)狀，本研究研制了新型的頭部物理模型并進(jìn)行了相關(guān)的系列實(shí)驗(yàn)研究工作

3、，主要有： 1) 非均勻電導(dǎo)率顱骨EIT 物理模型實(shí)驗(yàn)研究為研究顱骨電導(dǎo)率的非均勻性分布對EIT 成像的影響，分別制作電導(dǎo)率均勻分布和非均勻分布的顱骨物理模型用于EIT 模型實(shí)驗(yàn)，對比分析顱骨電導(dǎo)率非均勻分布對成像結(jié)果的影響。選用上海硬石膏作為制作均勻電導(dǎo)率顱骨模型的材料，選用上海硬石膏和賀利氏石膏作為制作非均勻電導(dǎo)率顱骨模型的兩種不同材料。制作的非均勻電導(dǎo)率物理模型為半球形，內(nèi)徑185mm，壁厚5mm，電導(dǎo)率較高部分和電導(dǎo)率較

4、低部分的電導(dǎo)率分別為0.014s/m 和0.0032s/m，面積之比為3：1；制作的均勻電導(dǎo)率物理模型與非均勻模型大小、形狀一致，電導(dǎo)率為0.014s/m。分別用兩種顱骨物理模型進(jìn)行EIT 目標(biāo)成像，對比結(jié)果顯示：相對于均勻電導(dǎo)率顱骨模型，在非均勻電導(dǎo)率模型內(nèi)成像目標(biāo)遠(yuǎn)離電導(dǎo)率較低一側(cè)，且所在位置邊界電壓擾動量相對降低，因此說明顱骨模型的電導(dǎo)率非均勻分布對擾動目標(biāo)成像定位有影響。 2) 高精度的半球形頭部阻抗物理模型實(shí)驗(yàn)裝置的制

5、作和實(shí)驗(yàn)為進(jìn)一步評價(jià)顱骨電阻率對EIT 成像結(jié)果的影響，特別是對模型中擾動位置的定位的精確性的影響，我們制作了高精度的半球形頭部阻抗物理模型實(shí)驗(yàn)裝置（新型頭物理模型）。和原有的簡單半球形頭部阻抗物理模型實(shí)驗(yàn)裝置（原有頭物理模型）相比：新型頭物理模型的滑動軸和旋轉(zhuǎn)軸帶有刻度標(biāo)尺，使成像目標(biāo)定位精度更精確，最小精確到1mm；新型頭物理模型設(shè)計(jì)有支撐和固定顱骨物理模型的結(jié)構(gòu)，可在實(shí)驗(yàn)過程中確保顱骨模型不會發(fā)生偏移。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用新型頭物理模型，在

6、顱骨模型和腦模型電阻率五種比值的情況下對比EIT 成像結(jié)果。對比結(jié)果表明，在成像目標(biāo)定位精確到毫米級的情況下，存在顱骨模型相對于無顱骨模型來說，目標(biāo)成像更加遠(yuǎn)離邊界；顱骨模型的電阻率越大，成像越模糊。 3) 腦出血時(shí)腦脊液代償機(jī)制對EIT 成像的模型仿真研究已知血液的電阻率低于腦實(shí)質(zhì)，在課題組近期的EIT 動物腦出血模型實(shí)驗(yàn)中，動物腦部出血后的EIT 結(jié)果顯示對應(yīng)區(qū)域電阻抗升高，因此推測EIT結(jié)果是由于顱內(nèi)出血使周圍腦脊液重新分

7、布，引起腦部電阻抗分布變化的綜合結(jié)果。為驗(yàn)證這一推測，同時(shí)為探索腦脊液對腦EIT 成像的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了顱內(nèi)出血物理模型并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過三種圓柱形（直徑分別為Ф8.5mm，Ф16mm，Ф26mm；高均為30mm）的擾動目標(biāo)模擬出血點(diǎn)在腦脊液排開與未排開兩種模型中成像（其中腦脊液排開模型中腦脊液的體積變化為10cm 3 ），從0-1 電極的邊界電壓變化量的比較可以看出，直徑為8.5mm 和16mm的擾動目標(biāo)（出血點(diǎn)）的0-1 電極邊

8、界電壓變化量在三層電極測量中均為正值，表明電阻抗升高；而直徑為26mm 的擾動目標(biāo)（出血點(diǎn)）的0-1 電極邊界電壓變化量在第三層電極測量中為負(fù)值，表明電阻抗降低。因此可以初步證明：當(dāng)顱內(nèi)出血時(shí)，如果腦脊液受出血影響而重新分布的話，會影響成像結(jié)果。 4）頭部EIT 電極帽（帶）的制作及成像實(shí)驗(yàn)頭部EIT 成像主要應(yīng)用于長期監(jiān)護(hù)，電極移動會引起偽差，影響成像結(jié)果。在EIT 實(shí)驗(yàn)中對于電極位置的穩(wěn)定性要求較高。電極帶是電極系統(tǒng)的支撐部

9、分，起到固定電極、保護(hù)導(dǎo)線、傳導(dǎo)信號等作用，是電極系統(tǒng)中必不可少的組成部分之一，在長期監(jiān)護(hù)中起到重要作用。本文中通過材料實(shí)驗(yàn)選取松緊帶作為制作頭部EIT 監(jiān)護(hù)的電極帽材料，并通過按壓人頸動脈實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電極帽的可靠性。在按壓左、右側(cè)頸動脈時(shí)，造成大腦內(nèi)血液分布發(fā)生改變，在頭部EIT 監(jiān)護(hù)可以反映出變化。在監(jiān)護(hù)實(shí)驗(yàn)過程中（約3 小時(shí)），人體佩戴電極帽無不舒適感，電極帽位置沒有發(fā)生改變。由此可以證明：松緊帶式電極帶（帽）能夠應(yīng)用于頭部EIT 監(jiān)

10、護(hù)。 5）EIT 定標(biāo)電路板的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)?zāi)壳拔覀冋n題組設(shè)計(jì)的EIT 系統(tǒng)的成像精度和穩(wěn)定性仍然缺乏一個(gè)具體的標(biāo)準(zhǔn)來判斷，因此我們設(shè)計(jì)一個(gè)兩層結(jié)構(gòu)，56 個(gè)單元，25 個(gè)節(jié)點(diǎn)的EIT定標(biāo)電路板來評估系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。按照生物復(fù)阻抗的阻容模型設(shè)計(jì)定標(biāo)板的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元，電路板中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元均有一個(gè)開關(guān)并聯(lián)一個(gè)50Ω電阻，通過開關(guān)的通斷來模擬擾動目標(biāo)的電阻抗升高或降低。定標(biāo)電路板兩兩電極之間的電阻均值為520.64Ω，標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.2