呼吸时胸部电阻抗成像的边界变形影响和修正

阻抗肺功能成像以呼吸过程中肺区阻抗分布及其变化为成像目标，实时性、稳定性和图像重建质量要求很高，对整个系统特别是电极系统提出了新的要求和亟待解决的问题。前期肺功能EIT研究中发现，胸廓边界形状不规则，且由呼吸及体位变化会引起边界形状改变，如仍沿用传统圆形域边界建立的重建算法会产生显著误差，甚至导致成像失败。改善这种由于边界形状的不规则和改变而引起的图像伪差，是目前肺功能阻抗成像必须解决的关键问题。本项目将深入研究成像边界形状的改变及其对成像结果的影响，探索基于人体胸腔形状、考虑消除或减小呼吸过程中电极位置移动影响的成像模型和图像重建算法。项目完成将构建适用于EIT肺功能检测的成像系统和重建算法，提高系统的稳定性和图像重建质量，为实用化EIT肺功能成像装置的研制以及向临床应用研究过渡做好充分准备。

EIT肺功能成像通过胸部体表电极阵列向人体注入微小的安全电流，测量电极阵列上的电位，并通过图像重建算法以图像形式实现肺脏区域性肺功能状态检测与连续监护。由呼吸引起的边界形变既反映了呼吸过程中通气量的变化，包含了有用信息，也造成了电极位置的不确定，会导致电极位置改变，从而引起显著误差，甚至导致成像失败。改善这种由于边界形状的不规则和改变而引起的图像伪差，是肺功能阻抗成像必须解决的关键问题。本项目仿真建立了边界变形的椭圆成像模型，与圆形域对比研究了不同程度的边界形变对成像结果的影响，并用ROID、RONID和SSIM等评价函数对结果进行了评价。初步建立了能够减小由电极位置移动或不确定造成的图像误差的重建方法。基于扩展雅可比行列式的正则化算法，将电极边界形边信息加入雅可比行列式中。由于该方法得到的雅可比行列式具有相当大的条件数，病态性非常严重，因此采用最大后验规则化方法改善病态性，根据实际情况设置了合适的参数。建立能模拟边界形变的EIT模拟实验槽，采用特殊柔性塑胶类板材，能通过微动装置定量调整形状。制作了模拟人体肺形状的成像模型。仿真和模型实验中，新方法均可有效减小由于边界形变引起的图像误差，但在模型实验边界变形过大时，效果不明显。人体肺功能EIT实验结果表明新方法可有效去除边界的伪影，并提高了整个图像的分辨率。综上所述，本研究采用基于扩展雅可比行列式并采用最大后验规则化方法改善病态性的正则化算法，能够改善由于边界变形引起的图像误差，提高肺功能EIT的图像重建质量。