腦磁感應(yīng)斷層成像正問題的三維有限元仿真研究.pdf

1、磁感應(yīng)斷層成像(MagneticInductiontomography,MIT)是電阻抗斷層成像(ElectronicImpedanceTomography,EIT)技術(shù)新的研究分支,它采用與人體表面不接觸的線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng),線圈周圍的導(dǎo)電性被測(cè)對(duì)象內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生二次感應(yīng)磁場(chǎng),當(dāng)被測(cè)對(duì)象內(nèi)的電導(dǎo)率分布發(fā)生變化時(shí),其感應(yīng)磁場(chǎng)也隨之發(fā)生變化,采用檢測(cè)線圈組檢測(cè)感應(yīng)磁場(chǎng),再運(yùn)用重構(gòu)算法,則可以重建被測(cè)對(duì)象內(nèi)部電導(dǎo)率分布或其變化的圖像。MIT以交變

2、磁場(chǎng)作為激勵(lì)源,能輕松穿透絕緣性較好的顱骨;采用非接觸的檢測(cè)方式避免了由于外傷等無法粘貼電極的情況,并且可以預(yù)先精確定位;MIT和其他的生物電阻抗成像技術(shù)相同,具有檢測(cè)成本低,功能成像等特點(diǎn)。所以對(duì)于腦水腫或腦出血等可以引起電導(dǎo)率分布發(fā)生變化的顱腦疾病,MIT技術(shù)非常適合進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè),具有重要的醫(yī)學(xué)意義。
　　MIT的研究主要在計(jì)算機(jī)仿真、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、成像算法、軟件系統(tǒng)等方面進(jìn)行,有些已經(jīng)取得很好的研究進(jìn)展,證實(shí)了用于人體檢測(cè)

3、的可行性。目前的研究結(jié)果表明,MIT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測(cè)精度、穩(wěn)定性、成像的靈敏性以及空間分辨率不高是制約MIT推向?qū)嶋H臨床應(yīng)用的主要原因。決定MIT成像質(zhì)量的關(guān)鍵性問題是正、逆問題求解結(jié)果的準(zhǔn)確性。逆問題的求解,也就是圖像重構(gòu)的過程要依賴于正問題的解提供更加真實(shí)、準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行修正和優(yōu)化圖像重構(gòu)算法,提高求解的準(zhǔn)確性,改善成像質(zhì)量。正問題的求解通常采用有限元的研究方法。為了獲得更準(zhǔn)確的正問題計(jì)算結(jié)果,通常使用仿真計(jì)算的方法來研究,該方

4、法可以更好地模擬真實(shí)情況,能夠方便、快捷的變換實(shí)驗(yàn)條件,研究其變化規(guī)律,這在活體生物體內(nèi)是不容易實(shí)現(xiàn)的,這為人腦MIT正問題的仿真計(jì)算提供了便利。目前MIT正問題的仿真研究大多采用圓球體、圓柱體等規(guī)則的三維幾何模型代替大腦模型,這些規(guī)則腦模型與真實(shí)人腦的形狀差別很大,在正問題的計(jì)算和逆問題的求解方面都勢(shì)必會(huì)帶來較大的誤差,從而造成圖像重構(gòu)的誤差。也有部分研究采用醫(yī)學(xué)圖像重建的方法建立腦模型,這類模型建立方法步驟多,周期長(zhǎng),腦模型包含真實(shí)

5、大腦的解剖細(xì)節(jié),會(huì)大大增加有限元網(wǎng)格和計(jì)算壓力,影響后續(xù)計(jì)算的效率,并且所構(gòu)建的腦模型具有特殊性,無法根據(jù)個(gè)體差異對(duì)模型的尺寸進(jìn)行快速的修改。還有少數(shù)研究采用二維腦模型進(jìn)行研究,雖然其計(jì)算過程將三維問題簡(jiǎn)化為二維問題,但是電磁場(chǎng)在真實(shí)人腦中是三維分布的,這種二維近似必然會(huì)引入很大的誤差。
　　針對(duì)上述MIT仿真研究中存在的這些問題,本研究構(gòu)建了一個(gè)真實(shí)人腦結(jié)構(gòu)的腦模型和線圈系統(tǒng)模型,并基于該模型和球模型進(jìn)行了有限元仿真,由此來研究

6、腦模型幾何結(jié)構(gòu)等條件的變化對(duì)于MIT正問題求解結(jié)果和圖像重建的影響,具體工作如下:
　　1.建立真實(shí)人腦三維有限元模型
　　分析人腦部解剖結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),顱骨是大腦的支撐結(jié)構(gòu),向內(nèi)包含腦實(shí)質(zhì),向外附著頭皮,因此,可以顱骨為基礎(chǔ)構(gòu)建腦部模型。人顱骨本身不是一個(gè)規(guī)則的幾何體,但總體結(jié)構(gòu)為鵝卵形,通過恰當(dāng)?shù)姆指?人顱骨可以用多個(gè)不同尺寸的橢球體、球體和立方體等幾何體很好的逼近。應(yīng)用ComsolMultiphysics3.5a電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)

7、算軟件包中提供的幾何建模工具,根據(jù)正常人體顱骨平均尺寸,首先建立顱骨輪廓面模型,其前后距約為19cm,左右距約為17cm,上下距約為17cm。然后以顱骨輪廓模型為基礎(chǔ),向外擴(kuò)展0.5cm作為頭皮層,向內(nèi)縮小1cm形成顱骨層,顱骨層內(nèi)部形成腦實(shí)質(zhì)層。最后利用軟件包自帶的剖分工具進(jìn)行四面體三維有限元剖分,最終形成了由頭皮層、顱骨層和腦實(shí)質(zhì)層構(gòu)成的真實(shí)三層人腦三維有限元腦模型。本模型對(duì)真實(shí)人腦結(jié)構(gòu)模擬程度良好,接近由三維CT等重建的真實(shí)人腦,

8、特別是本模型構(gòu)建方便、模型參數(shù)修改快捷,因而可為腦MIT的研究提供一種適合的仿真模型。
　　2.建立三維線圈模型
　　以往MIT線圈系統(tǒng)多采用抽象的線形成圓環(huán)表示線圈,但是真實(shí)線圈的導(dǎo)線是具有一定直徑的,且多匝線圈具有一定的厚度。鑒于線圈在MIT系統(tǒng)中作為傳感器的重要性,研究更好的線圈仿真是十分必要的。本研究通過ComsolMultiphysics3.5a有限元仿真軟件建立了空心圓柱體線圈模型,柱體壁的厚度模擬導(dǎo)線的直徑,柱

9、體的長(zhǎng)度模擬線圈的匝數(shù)。仿真計(jì)算結(jié)果表明在結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)等方面可以很好的仿真MIT所用的螺線管線圈,且激勵(lì)電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度等參數(shù)在空間域和時(shí)間域都與實(shí)際趨勢(shì)保持一致?？紤]到MIT系統(tǒng)一般采用MHz以上的激勵(lì)電流,而高頻電磁場(chǎng)下金屬導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)明顯,故上述模型可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圓柱面線圈模型。與空心圓柱體模型相比,圓柱面線圈模型在有限單元數(shù)量、求解自由度和求解時(shí)間等方面均大大減小,減輕了計(jì)算壓力,提高了求解的效率,針對(duì)于復(fù)雜的三維模型的仿真

10、計(jì)算,在提高計(jì)算精度和降低計(jì)算壓力的要求下,該模型更加適合后續(xù)的仿真研究?？招膱A柱體和圓柱面線圈模型相比已有研究采用的線形線圈和點(diǎn)激勵(lì)源,其結(jié)構(gòu)更加逼近真實(shí)情況,為MIT激勵(lì)源的產(chǎn)生和數(shù)據(jù)檢測(cè)提供了一種準(zhǔn)確、快速、高效的研究方法。
　　3.基于真實(shí)人腦模型的MIT正問題仿真研究
　　構(gòu)建與真實(shí)腦模型體積相同的球模型,球模型同樣具有三層結(jié)構(gòu)分別模擬頭皮、顱骨和腦實(shí)質(zhì),頭皮厚度為0.5cm,顱骨厚度為1cm,顱骨層半徑為16cm

11、。球模型和腦模型各層組織的電導(dǎo)率設(shè)置相同。將上述已建立的真實(shí)形狀腦模型和球模型分別放置于16通道的仿真線圈中,構(gòu)成MIT仿真系統(tǒng)。在兩種模型中分別設(shè)置相同的電導(dǎo)率擾動(dòng)目標(biāo),在激勵(lì)線圈中施加10MHz,1A的正弦電流,計(jì)算MIT正問題,求出檢測(cè)線圈上磁感應(yīng)強(qiáng)度的相位變化量。之后改變擾動(dòng)目標(biāo)的體積、位置以及形狀等,計(jì)算不同出血情況下的相位差。計(jì)算結(jié)果表明:1)同一個(gè)擾動(dòng)目標(biāo)放置于腦模型和球模型中,在15個(gè)檢測(cè)線圈上所得有無擾動(dòng)目標(biāo)的相位差的

12、變化趨勢(shì)與已有的仿真研究報(bào)道一致;2)球模型時(shí)檢測(cè)線圈處的相位差基本對(duì)稱,而腦模型則存在最大10％的差異。由于球模型規(guī)則幾何結(jié)構(gòu),15個(gè)相位差具有對(duì)稱性,基本以8號(hào)檢測(cè)線圈為中心,呈對(duì)稱分布;而真實(shí)形狀腦模型的仿真結(jié)果顯示,在對(duì)稱位置線圈上的相位差結(jié)果是不相同的,1到7號(hào)檢測(cè)線圈上的相位差與其對(duì)稱位置9到15號(hào)檢測(cè)線圈上產(chǎn)生的相位差相差10%左右,其中以4號(hào)和12號(hào)檢測(cè)線圈的差別最大,根據(jù)已有的研究表明10%的相位誤差會(huì)影響圖像的重建結(jié)

13、果。這種差別是由于腦模型幾何形狀不對(duì)稱,導(dǎo)致線圈與模型的距離不完全一致所引起的。從腦模型的結(jié)構(gòu)分析,1到7號(hào)檢測(cè)線圈鄰近的顱骨后半部分相比前半部分體積更大、弧度更小。通過對(duì)比研究說明:在其他條件一致的情況下,MIT腦模型幾何形狀的不同是會(huì)影響正問題的計(jì)算結(jié)果,規(guī)則球模型與真實(shí)人腦模型求解結(jié)果的差別勢(shì)必會(huì)影響逆問題的求解準(zhǔn)確性。
　　4.基于真實(shí)人腦模型的MIT正問題數(shù)據(jù)的圖像重建
　　采用課題組的基于修正Newton-Rap

14、hson重構(gòu)算法的圖像重構(gòu)軟件來進(jìn)行MIT仿真圖像的重建。該圖像重構(gòu)軟件是基于二維圓域的剖分對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行逆問題圖像重構(gòu)的。
　　球形擾動(dòng)目標(biāo)的圖像重建結(jié)果顯示腦模型的結(jié)果定位更準(zhǔn)確,對(duì)比度更高。對(duì)腦模型和球模型中心設(shè)置半徑為2cm的球形、電導(dǎo)率分別為1S/m、2S/m、3S/m的擾動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行正問題求解,然后進(jìn)行圖像重建,腦模型和球模型的重建圖像能夠反映擾動(dòng)目標(biāo)的位置,在窗寬窗位相同的情況下,腦模型的重構(gòu)結(jié)果顏色較深,對(duì)比度更高。

15、將擾動(dòng)目標(biāo)向模型的邊緣移動(dòng)、距離中心4cm時(shí),重建結(jié)果可以反映擾動(dòng)目標(biāo)的位置,圖像中擾動(dòng)目標(biāo)的位置有微小差別,但不明顯。腦模型結(jié)果的對(duì)比度仍然較球模型要高。將擾動(dòng)目標(biāo)的位置再向模型的邊緣移動(dòng)距離中心6cm時(shí),重建圖像結(jié)果顯示腦模型中擾動(dòng)目標(biāo)的定位比球模型更準(zhǔn)確,兩者位置相差1cm。
　　對(duì)長(zhǎng)方體擾動(dòng)目標(biāo)的圖像重建結(jié)果顯示腦模型的結(jié)果其形狀更逼近原擾動(dòng)目標(biāo)的形狀,輪廓更準(zhǔn)確,對(duì)比度更高。對(duì)長(zhǎng)、寬、高為4cm、2cm、2cm的長(zhǎng)方體擾

16、動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行了正問題求解和圖像重建。當(dāng)擾動(dòng)位于模型中心時(shí),腦模型圖像中擾動(dòng)目標(biāo)的重建結(jié)果相比球模型擾動(dòng)目標(biāo)的結(jié)果更加逼近所設(shè)置擾動(dòng)目標(biāo)的幾何形狀,但與實(shí)際形狀仍有一定的差別。當(dāng)長(zhǎng)方體擾動(dòng)目標(biāo)向邊緣移動(dòng)6cm時(shí),腦模型的重建結(jié)果相比中心位置,其形狀更加符合原模型的形狀,長(zhǎng)寬比例與實(shí)際擾動(dòng)目標(biāo)的比例一致,而球模型的結(jié)果則仍然和原目標(biāo)有明顯差別,結(jié)果表明:在其他實(shí)驗(yàn)條件一致的情況下,腦模型和球模型的重建結(jié)果有明顯差別,而這種差別是由模型的幾何形

17、狀的差別引起的。由于逆問題的求解是基于二維圓域進(jìn)行剖分的,如果采用真實(shí)人腦幾何輪廓進(jìn)行逆問題的求解,這種差別可能更加明顯,目標(biāo)位置和輪廓更加準(zhǔn)確。
　　本研究在考慮人腦模型形狀的真實(shí)程度和模型計(jì)算復(fù)雜程度的同時(shí),通過有限元仿真軟件構(gòu)建了一種逼近真實(shí)人腦結(jié)構(gòu)的三層人腦三維有限元模型,并構(gòu)建了更為真實(shí)的三維線圈模型,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了正、逆問題的求解,研究結(jié)果表明:采用真實(shí)人腦形狀的模型進(jìn)行正、逆問題的仿真求解,能夠提供更加真實(shí)、準(zhǔn)確的