基于压缩感知的肺损伤三维动态阻抗图像重建理论研究

Cardiopulmonary bypass is one of the most optimal methods for open-heart surgery. It plays an important role for the therapy of cardiovascular disease. However, there is no effective method for monitoring of lung injury during and after cardiopulmonary bypass. As a result, the lung injury can not be promptly nursed and treated. The incidence of lung injury has a strong impact on the success rate of open-heart surgery. In order to solve this problem, three-dimensional electrical impedance tomography (3-D EIT) is studied for real-time detection of lung injury during and after cardiopulmonary bypass. The compressive sensing theory of 3-D dynamic EIT is proposed. Three main parts are included in this work. The mathematical model for the forward problem of compressive sensing based 3-D dynamic EIT is built; the spatio-temporal sparsification of compressive sensing based 3-D dynamic EIT is proposed to meet the condition of sparsity for compressive sensing theory; in order to further reduce the number of sampling data, the mathematical model of structured compressive sensing based 3-D dynamic EIT is built. The contribution of the proposal can enrich essential theory for real-time monitoring of lung injury during and after cardiopulmonary bypass and will be of great importance to improve the level of prevention and treatment for complication of cardiopulmonary bypass both in China and the world.

体外循环术是心内直视手术实施必选的方案之一，对心血管疾病的治疗具有十分重要的作用。然而，由于目前在术前、术中及术后均缺少体外循环导致肺损伤病变的有效监测方法，使得肺损伤病变不能得到及时处理和治疗，严重影响了心内直视术的成功率。为了解决这个问题，本项目探索基于三维电阻抗成像(Electrical impedance tomography , EIT)技术的体外循环致肺损伤实时监测方法，提出面向体外循环致肺损伤的三维动态EIT压缩感知成像理论。研究内容主要包括：结合受损肺部结构先验信息的三维动态EIT压缩感知成像正问题建模；提出三维动态EIT压缩感知成像的时间-空间稀疏化方案，满足压缩感知稀疏性条件；为进一步降低采样数据量，研究三维动态EIT结构化压缩感知成像数学模型。研究成果可为体外循环致肺损伤实时监测系统的研制提供理论基础，对我国乃至世界体外循环术并发症防治水平的提高都具有十分重要的意义。

由体外循环导致的肺损伤起病急，发展迅速，缺乏有效的实时监测手段，往往贻误最佳的治疗时机。电阻抗成像（Electrical impedance tomography，EIT）技术是一种功能成像技术，具有无创、安全、实时成像等优点。本项目主要研究基于EIT技术的肺损伤监测方法，探索人体肺部功能状态实时监测理论和方法，提出动态EIT压缩感知成像理论框架，主要研究内容有：.（1）结合胸部结构先验信息，构建三维人体肺部电阻抗成像模型；.（2）深入挖掘动态电阻抗图像时间、空间相关性以及结构化信息，构建动态EIT结构化压缩感知成像数学模型；.（3）构建动态电阻抗成像实验系统，满足肺损伤实时床旁监测的需要。.获得的科研成果有：.（1）形成了三维动态EIT结构化压缩感知成像整体方案，包括模型构建、图像重建与系统搭建，适合于肺损伤实时可视化监测；.（2）研制完成可用于肺损伤实时监测的动态电阻抗成像系统样机；.（3）发表论文18篇，其中SCI期刊论文5篇，EI期刊论文6篇，EI国际会议论文4篇，中文核心期刊论文3篇；.（4）申请发明专利5项，授权2项；.（5）参加国际学术会议6人次，会议报告2人次；.（6）培养硕士研究生毕业6名，在读研究生11名；.（7）获“华为杯”第十二届中国研究生电子设计竞赛华北分赛区二等奖，获“合泰杯”第十二届天津市大学生单片机应用设计竞赛三等奖，获《电子测量与仪器学报》优秀论文奖。.形成的重要研究成果为：.（1）考虑人体胸部结构的特异性，形成一套构建人体三维肺部模型以及准确获取重建图像边界形状的方法，提高成像的准确性以及对肺部损伤监测的敏感性；.（2）实现EIT数据压缩感知采样，考虑动态图像的低秩与稀疏特性，提出基于多向量测量序列的动态EIT成像数学模型，同时提高了成像质量与成像速度，为肺损伤的无创实时可视化监测提供了新方法与有效手段；.（3）构建电阻抗动态成像系统样机，完成上位机软件设计，实现数据测量、采集以及图像重建与显示等功能，为肺损伤成像方法的可行性和有效性提供实验平台。