電阻抗斷層成像頭模型系列及其實驗研究.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)學成像技術(shù)相比，首先它可以實現(xiàn)功能成像；其次不使用核素或射線，對人體無害，可以重復使用。目前這一新型技術(shù)受到國內(nèi)外臨床醫(yī)學與生物醫(yī)學界的廣泛重視，成為研究的熱點之一。 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電流從

2、頭皮分流，因此頭部EIT 信號提取的難度要遠高于常規(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 成像模型實驗時用到的顱骨模型都是均勻電導率分布的模型，根據(jù)相關(guān)組織阻抗的基礎測量中發(fā)現(xiàn)顱骨不同位置的電導率不一致，含有板障層的厚顱骨電導率較不含板障層的薄顱骨電導率大，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行了相關(guān)的系列實驗研究工作

3、，主要有： 1) 非均勻電導率顱骨EIT 物理模型實驗研究為研究顱骨電導率的非均勻性分布對EIT 成像的影響，分別制作電導率均勻分布和非均勻分布的顱骨物理模型用于EIT 模型實驗，對比分析顱骨電導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率顱骨模型的兩種不同材料。制作的非均勻電導率物理模型為半球形，內(nèi)徑185mm，壁厚5mm，電導率較高部分和電導率較

4、低部分的電導率分別為0.014s/m 和0.0032s/m，面積之比為3：1；制作的均勻電導率物理模型與非均勻模型大小、形狀一致，電導率為0.014s/m。分別用兩種顱骨物理模型進行EIT 目標成像，對比結(jié)果顯示：相對于均勻電導率顱骨模型，在非均勻電導率模型內(nèi)成像目標遠離電導率較低一側(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率非均勻分布對擾動目標成像定位有影響。 2) 高精度的半球形頭部阻抗物理模型實驗裝置的制

5、作和實驗為進一步評價顱骨電阻率對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驗裝置（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驗裝置（原有頭物理模型）相比：新型頭物理模型的滑動軸和旋轉(zhuǎn)軸帶有刻度標尺，使成像目標定位精度更精確，最小精確到1mm；新型頭物理模型設計有支撐和固定顱骨物理模型的結(jié)構(gòu)，可在實驗過程中確保顱骨模型不會發(fā)生偏移。本實驗應用新型頭物理模型，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，目標成像更加遠離邊界；顱骨模型的電阻率越大，成像越模糊。 3) 腦出血時腦脊液代償機制對EIT 成像的模型仿真研究已知血液的電阻率低于腦實質(zhì)，在課題組近期的EIT 動物腦出血模型實驗中，動物腦部出血后的EIT 結(jié)果顯示對應區(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。為驗證這一推測，同時為探索腦脊液對腦EIT 成像的影響規(guī)律，設計了顱內(nèi)出血物理模型并進行了實驗驗證。通過三種圓柱形（直徑分別為Ф8.5mm，Ф16mm，Ф26mm；高均為30mm）的擾動目標模擬出血點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（出血點）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（出血點）的0-1 電極邊界電壓變化量在第三層電極測量中為負值，表明電阻抗降低。因此可以初步證明：當顱內(nèi)出血時，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）的制作及成像實驗頭部EIT 成像主要應用于長期監(jiān)護，電極移動會引起偽差，影響成像結(jié)果。在EIT 實驗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、保護導線、傳導信號等作用，是電極系統(tǒng)中必不可少的組成部分之一，在長期監(jiān)護中起到重要作用。本文中通過材料實驗選取松緊帶作為制作頭部EIT 監(jiān)護的電極帽材料，并通過按壓人頸動脈實驗驗證電極帽的可靠性。在按壓左、右側(cè)頸動脈時，造成大腦內(nèi)血液分布發(fā)生改變，在頭部EIT 監(jiān)護可以反映出變化。在監(jiān)護實驗過程中（約3 小時），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）能夠應用于頭部EIT 監(jiān)

10、護。 5）EIT 定標電路板的設計及實驗目前我們課題組設計的EIT 系統(tǒng)的成像精度和穩(wěn)定性仍然缺乏一個具體的標準來判斷，因此我們設計一個兩層結(jié)構(gòu)，56 個單元，25 個節(jié)點的EIT定標電路板來評估系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。按照生物復阻抗的阻容模型設計定標板的每個網(wǎng)絡單元，電路板中每個網(wǎng)絡單元均有一個開關(guān)并聯(lián)一個50Ω電阻，通過開關(guān)的通斷來模擬擾動目標的電阻抗升高或降低。定標電路板兩兩電極之間的電阻均值為520.64Ω，標準差σ=0.2