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检测脑水肿的磁感应成像测量方法研究

作　者: 秦明新
导　师: 焦李成
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 电路与系统
关键词: 磁感应断层成像 脑水肿 生物组织 电导率 螺旋线圈 相位检测 准静态场 时谐电磁场 时域有限差分法 头模型
分类号: TP274.4
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


脑磁感应断层成像(BMIT)技术是一种新的医学成像技术,是当今国际生物医学工程学前沿研究课题之一。非接触、无创性、图象监护的BMIT技术研究,对于解决现有脑水肿检测技术存在的缺陷,具有重要的临床意义和应用价值。本文在军队十五重点课题的支持下,首先介绍脑水肿的分类、病理生理机制和检测手段,以及相关的生物组织电磁特性,并对脑磁感应断层成像技术的测量系统、仿真方法和关键技术等问题的研究现状进行综述和分析。本文重点工作是以单通道MIT脑水肿检测测量系统为研究对象,从理论、仿真计算和实验系统等方面,开展了以下几方面的工作:1.介绍了已建立的一个单通道MIT脑水肿检测测量实验系统,讨论MIT实验系统的设计依据,给出MIT实验系统的基本组成、测量方式,并给出MIT实验系统对空间位置、电导率变化的单通道测量结果,对系统性能进行评估,最后分析了该实验系统存在的问题,提出可能的解决方案。2.采用静态电磁场理论,推导出单通道MIT测量时目标电导率与测量线圈电流和相位的电磁关系,计算出测量状态下各种脑组织,颅骨、脑脊液、灰质、白质和脑水肿等引起的检测线圈电流和相位变化,为单通道MIT测量实验系统的设计提供依据。3.应用时谐电磁场理论,研究单通道MIT测量系统在高频正弦激励下的电磁特性,推导出单通道MIT测量时电磁问题的解析解。将头颅近似为一个电导率分层的球体,MIT单通道测量系统近似为测量和激励线圈与球体共轴,且与球心对称的双线圈结构,研究电导率分层球体与激励和测量线圈共轴的电磁系统的正弦时变电磁场,通过求解磁矢量位的边值问题,获得正弦时变电磁场的解析解,为脑MIT单通道测量系统的设计和改进,建立精确的理论计算方法。4.针对已有研究的需要和存在的问题,基于时谐电磁场理论,采用时域有限差分(FDTD)方法,在10MHz激励频率下,对头近似为颅骨、脑脊液和脑组织三层的球体,脑水肿近似为小球体的情况,建立激励螺旋线圈和头模型FDTD仿真方法。仿真计算单通道MIT测量系统测量时,自由空间、灰质白质模型、无脑水肿头模型和有脑水肿头模型引起的测量线圈电流和相位的变化。探讨更为精确的MIT系统仿真方法,为MIT测量系统的设计和研究提供参考数据。5.在已建立的三层脑模型和激励测量线圈FDTD仿真模型和计算方法的基础上,研究脑水肿空间位置、几何大小和电导率发生变化时,检测线圈电流和相位变化,估计检测线圈的敏感性,以确定可检测的脑水肿尺寸和可区分脑电导率的

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-15
第一章 绪论  15-39
  1.1 磁感应成像方法检测脑水肿的意义  15-17
  1.2 脑水肿  17-19
    1.2.1 分类和特点  17
    1.2.2 主要症状和危害  17
    1.2.3 发病生物医学机制  17-18
    1.2.4 主要的检查手段  18-19
  1.3 生物组织的电特性  19-24
    1.3.1 生物组织和细胞的电路模型  19-20
    1.3.2 组织电导率和介电常数  20-21
    1.3.3 细胞和组织的电特性  21-24
  1.4 生物组织的磁特性  24-26
    1.4.1 生物组织的磁性  24
    1.4.2 生物组织的磁场  24-26
    1.4.3 外磁场引起的生物效应  26
  1.5 脑磁感应断层成像的研究现状  26-33
    1.5.1 MIT 测量的基本原理  26-27
    1.5.2 脑疾病、脑神经活动MIT 成象的生物物理基础  27-28
    1.5.3 MIT 实验系统研究  28-30
    1.5.4 MIT 仿真研究  30-31
    1.5.5 主要的MIT 性能参数  31-32
    1.5.6 关键问题  32-33
  1.6 本文主要研究的问题  33-34
  本章参考文献  34-39
第二章 MIT 测量理论和测量系统  39-47
  2.1 MIT 的基本电磁场理论  39-40
  2.2 电磁学假设  40-41
  2.3 方法和材料  41-42
    2.3.1 数据采集方式  41
    2.3.2 系统性能  41-42
    2.3.3 实验材料  42
  2.4 实验结果  42-44
    2.4.1 相移与电导率的关系  42-43
    2.4.2 相移与沿X 轴位移的关系  43
    2.4.3 相移与沿Y 轴位移的关系  43
    2.4.4 参考线圈对电导率灵敏度的影响  43-44
  2.5 小结  44
  本章参考文献  44-47
第三章 MIT 测量的电磁关系及脑组织测量参数计算  47-54
  3.1 MIT 实验系统与电磁关系模型  47-48
  3.2 基本理论假设和电磁关系求解  48-51
    3.2.1 基本理论假设  48
    3.2.2 激励线圈在目标上产生的感应电流  48-49
    3.2.3 穿过测量线圈平面的磁场强度  49
    3.2.4 求测量线圈上的感应电流  49-50
    3.2.5 I_B 与I_(B+△B) 相位差与目标电导率的关系  50-51
  3.3 模拟测量敏感性的估计  51-52
  3.4 小结  52
  本章参考文献  52-54
第四章 脑MIT 单通道测量的正弦时变电磁场解析解  54-60
  4.1 脑MIT 单通道测量电磁系统模型  54-56
    4.1.1 脑MIT 单通道测量方法  54-55
    4.1.2 脑MIT 单通道测量电磁系统模型  55
    4.1.3 求解假设  55-56
  4.2 脑MIT 单通道测量电磁系统模型的解析解  56-59
    4.2.1 矢量磁位的约束方程和边界条件  56-57
    4.2.2 矢量磁位的约束方程的通解  57-58
    4.2.3 矢量磁位表达式  58-59
  4.3 小结  59
  本章参考文献  59-60
第五章 磁感应方法检测脑组织电导率的FDTD 方法  60-70
  5.1 测量通道模型  60-61
  5.2 FDTD 仿真模型的建立  61-65
    5.2.1 目标区域的确定  61-62
    5.2.2 激励线圈的模型  62
    5.2.3 单元Yee 元胞模拟电偶极子  62-64
    5.2.4 单元Yee 元胞模拟小圆环天线  64-65
    5.2.5 激励线圈网格上电场值和磁场值的设置  65
  5.3 吸收边界及数值稳定  65-66
  5.4 相位差和振幅的提取  66
  5.5 仿真计算  66-67
  5.6 结果分析和结论  67-68
  5.7 小结  68
  本章参考文献  68-70
第六章 脑磁感应断层成像的敏感性研究  70-85
  6.1 脑磁感应断层成像前向问题的仿真方法  70
  6.2 脑磁感应断层成像的敏感性分析  70-77
    6.2.1 脑水肿在激励检测线圈所在平面上移动  70-73
    6.2.2 同平面敏感性分析  73-74
    6.2.3 脑水肿移动平面不在激励检测线圈平面上  74-76
    6.2.4 不同平面时敏感性分析  76-77
  6.3 检测线圈对脑水肿几何大小的敏感性  77-80
    6.3.1 仿真模型和结果  77-79
    6.3.2 检测线圈对脑水肿几何大小的敏感性分析  79-80
  6.4 检测线圈对脑水肿电导率的敏感性  80-82
    6.4.1 仿真模型和结果  80-82
    6.4.2 检测线圈对脑水肿电导率变化的敏感性分析  82
  6.5 小结  82-83
  本章参考文献  83-85
第七章 MIT 系统设计与实现方案  85-96
  7.1 MIT 系统激励频率选择  85-87
    7.1.1 基于生物组织电磁特性的考虑  85-86
    7.1.2 基于电磁场理论的考虑  86-87
  7.2 MIT 测量系统激励源设计  87-91
    7.2.1 提高频率稳定性  87-88
    7.2.2 提高杂波抑制和降低谐波失真  88-89
    7.2.3 参考信号的分离  89-90
    7.2.4 MIT 系统激励源设计方案  90-91
  7.3 MIT 测量系统相位检测电路设计  91-94
    7.3.1 乘法器组成的鉴相电路  92-93
    7.3.2 X47 鉴相器电路  93
    7.3.3 SYPD-1 型鉴相器  93-94
  7.4 小结  94-95
  本章参考文献  95-96
总结与展望  96-99
致谢  99-100
博士学习阶段(合作)发表与撰写的学术论文  100-102
附录一  102-103
附录二  103-105
  1、攻读博士学位论文期间参加的国际学术会议  103
  2、攻读博士学位论文期间获得国家发明专利 1 项  103
  3、攻读博士学位论文期间承担的研究课题  103-104
  4、攻读博士学位论文期间承担的学术工作  104
  5、攻读博士学位论文期间参编的教材  104
  6、攻读博士学位论文期间承担的教学工作  104
  7、秦明新同志工作简介  104-105

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统 > 集中检测与巡回检测系统
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