检测脑水肿的磁感应成像测量方法研究

【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