基于磁共振测量技术的生物组织电特性成像研究

基于磁共振测量技术的生物组织电特性成像研究 浙江大学电气工程学院 博士学位论文基于磁共振测量技术的生物组织电特性成像研究 姓名:张孝通 申请学位级别:博士 专业:控制理论与控制工程 指导教师:朱善安Bin He 20090601 摘要 生物组织的电特性(电导率与介电常数)反映了组织的生理、病理信 息，其分布图有助于对病变(如癌症等)组织的早期诊断。本论文在回顾了 几种重要医学电磁成像的基础上，从物理原理以及实验技术等方面论述 了当前研究热门之一的磁共振电阻抗成像技术(,,,，,)，原创性地提出了一 种仅利用单方向磁感应强度、基于自适应网络模糊推理系统的,,,，,(,,,，, 算法，并在两种典型三维头模型上验证了该算法的有效性和抗噪性。即使在加入噪声或者电极位置发生偏移的情况下，该算法仍然可以十分准确地对头部组织电导率比值进行重建;通过与同类算法的结果比较发现，对于具有多 层组织、电导率各向同性且分层连续体模型的阻抗重建，该算法具有较大的优越性。 继加拿大、韩国和土耳其的研究小组之后，我们在国内率先开展了电流 密度成像(,,,,，)实验，利用一台,(,,的,,，设备得到了成像模型内部横截面竖直方向上的电流密度分布信息，测量计算结果与实际值误差为 ,,(,,,。论文分析了引起噪声的若干因素，这其中包括来自,刚系统电路的 干扰信号以及成像物体翻转过程中带来的误差;同时提出了抑制噪声、提高 实验结果信噪比的若干软硬件改进方法。 磁共振电特性成像技术(,,,,,)是新近提出的电磁成像方法。该技术基于射频场成像技术(,,—,,,,,,,)，无需外加能量注入成像体，仅通过常规磁共振扫描即可实现，克服了,,,，,技术的局限性，真正实现了对人体测量 的非侵入性和无损伤性，因而有着很大的发展潜力(本论文分析了该技术的 物理原理，克服了现有三种,,,,,重建算法的不足，原创性地提出了非迭代的,,,,(,,;,,,,,,,算法，并利用一系列二维及三维仿真实验验证了其可行性和有效性，证明了其较同类算法的优越性。同时，率先对,,,,,图像重建过程中的诸多技术环节做了深入的理论分析(与,,,，,技术不同，,,,,,技术同时对组织电导率和介电常数两者进行重建，因此可以提供比,,,，,更为丰富的组织功能结构信息(该技术同时有助于我们对高频下衡量人体因吸 收电磁波生热的“比吸收率”进行计算，因此可用于衡量高场强磁共振系统发热安全问题以及手机辐射安全等领域。，，，关键词:电特性，磁共振成像，磁共振电流密度成像，磁共振电阻抗成像， 磁共振射频场成像，磁共振电特性成像，, 浙江大学博士论文 ,, ,,,,;, ,,, ,,,;,,,; ,,,,,,,,,,(,,,),, ,,,,,,,;,, ,,,,,,，,(,(，,,, ,,,;,,,; ;,,,,;,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,，;,, ,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,, ,,,,,,, ,,,,,,,,(,,, ,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,, ,,,, ,,, ,,,, ,,, ,,,,,;, ,, ,,,,,,;, ,,, ,,,,,, ,,,,, ,,,;, ,,, ,,,;,,,;,, ，,,,,,,;, ,,,,,,,,,,(,，,),,, ,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,, ,,,,, ,,,,,，,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,;,, ,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,,,,,,; ,,,,,,,;, ,,,;,,,;,, ，,,,,,,;,,,,,,,,,,,(,,,，,)，,,,;, ,, ,,,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,;,,, , , ,,,,,(,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,;, ,,,,,,(,,,，,)，, ,,, ,,,，,—,,,，, ,,,,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,，,,, ,,,, ,,, ;,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,; ,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,, ,, ,,,,,, ,,, ,,,,,,,,;?,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,,, ;,,,,;,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,,, ,,,,, ;,,,,,,,,,,,,，,,,,,,;,,,,,, ,,;,,,,,, ,,, ,,,, ;,,;,,,, ,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,;,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,, ,,,，,—,,,，, ,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,, ,, , ,,,;,,,,;,,,,,, ,,,,,, ,, ,,,, ,,,,,, ;,,,,;,,, ,,, ,,,;,—,,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,—;,,,,;,,, ,,,,,,( ,,, ,,,,, ,,,,,,,; 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,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,? 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学叠燃糍:多膨压渤掷期:砷年多月,日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 逝鎏盘鲎 有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( (保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名: 拙彦查( 导师签名: 稗醐: 概解醐:叩“心 日 ?岬年舌月易曰 致谢 我的大学之路始于千禧年混合班，延伸于,,,,年的电气工程学院。正所谓光阴荏苒，逝者如斯。心事浩茫连广宇之时，未觉九载光阴业已逝。反顾前事，皆历历如在昨日。人言“生来奔走万山路，踏尽崎岖路自通”;所幸一路走来得助甚多，方有今日黑袍加身之荣，故特此一一以记之，拙表我心之滔滔。 感谢恩师朱善安教授，其严谨求实的治学态度，儒雅谦和的作风以及不计个人得失，凡事皆把学生前途置于首位的为师风范使我尽所能地挖掘与发挥自身潜力，并在五年的博士生涯中以兴趣为主导并专注地研究与解决科学问题一学生倍感其恩，惟奋起而不懈，以报先生之泽慧。同时衷心感谢美国明尼苏达大学,,, ,,教授，其渊博的学识、严谨缜密的学风以及睿智独特的思维方式为我树立了国际顶尖科研工作者的楷模，同时也深深积极地影响着我未来的学术之路，漫漫而无穷。 感谢父母，叮咛于千里之外，牵挂伴影形之间。九载苦读间，抚慰激励于困挫，欣喜胜己于进取。孩儿志在远方，奔行四海，必将不惮前行，不负养育之恩，以所成报得三春晖。感谢爱妻，了却我苦学路上踯躅影，伴我登上求学问道之山巅，同时一路走来愉悦之、充实之、从容之、淡然之一此乃人生财富，善莫大焉。一并致上由衷谢意于爱妻父母，孩儿感激你们一贯的信任、支持与照顾;然廖字无以尽怀，惟携爱妻之手并肩战斗，一生幸福与共。 感谢实验室已博士毕业的张迎春师兄、高诺师姐于我最迷惑、短视之时给予最宝贵的科研点拨与指导，以助我在随后的博士课题研究中长风破浪。感谢五年来实验室亲密战友胡裕峰、管成、邹凌、李瑕、姚远、李重视、闫丹丹、颜幸尧、王琨、刘阳、李王,,、吴占雄、李翼、曾芸、以及浙江大学生仪学院的邵汀汀，与你们的讨论切磋使我前进的方向变得愈加明晰( 由衷感谢美国科罗拉多大学,,,,,, ,,教授、浙一放射科张敏鸣主任、浙二放射科章伟敏主任以及美国,,公司医疗集团孙非、,,,,, ,,,及,,,,,;,,,,,,对我研究的鼎力支持与协助。同时也对美国明尼苏达大学,,, ,,教授实验室的刘钟鸣、王刚，韩澄宗、,,,,,,,, ,,,,、杨琳、刘晨光、袁菡等致以最诚挚的谢意。 特别感谢浙江大学外语学院何莲珍教授及全家，您对学生的肯定、激励 以及一贯的支持让学生没齿难忘，感怀终生。同时也特别感谢浙江高联公司邵隆标经理及全家，我九年充实精彩的大学生活离不开你们的关怀与支持。 感谢昔日大学同窗苏杰、王东兴，以及当年“乱七八糟”兄弟会的张维夫妇、李长志，凌骏、邓坚、华诤、刘晓光，谢谢你们让我奋斗的路上不辍梦想，永不知足，且信心满盈(感谢校研工部陈凯旋老师以及昔日校博士生会的赵佳飞、许海萍、方磊、陆意、徐钢。罗琼、黄凌霞等众兄弟姐妹，与你们的共事大大提升了我的自身品性与视野，从而愈发促进了我事半功倍的科研工作。 老和山麓，草长莺啼暮暮朝朝;西子湖畔，岸芷汀兰郁郁青青。回望浸润着千年江南文化与求是魂的求是园，翻腾着回忆，激荡着誓言。“千江有水千江月，万里无云万里天”。挥一挥衣袖，作别老和山边的晚霞;直挂云帆，奔向壮阔太平洋的彼岸～ 张孝通 ,,,,年,月,,日于求是园? 浙江大学博士学位论文,引言 【本章摘要】 本章回顾了近,,年来生物组织电特性测量的研究结果，从生理学、病理学及临床诊断等角度阐述了生物组织电特性成像的研究意义;概述了生物医学电磁成像方法的原理，介绍了几种重要的生物医学电磁成像方法，评述了这些方法的优势与局限性，最后引出了本论文基于磁共振测量的,,,，,与,,,,,电特性成像技术。,(,生物组织电特性研究的生理学、病理学及临床诊断意义 生物组织的电特性是指组织的电导率与介 电常数。大量实验研究表明，不同正常组织之间的电特性差别很大，而且正常组织与病变组织之间的电特性差别也很大。,,,,年，,,,,,,,等测量了,,种不同类型的组织，发现如肌肉或恶性肿瘤等高含水组织的介电常数与电导率比低含水组织(如脂肪或正常的乳腺组织)的介电常数与电导率高大约一个数量级【,(,】。,,,,等人则发现，在微波频段，乳腺癌组织的电特性与健康组织具有非常明显的差别，乳腺肿瘤的电导率比正常组织大,,,,,倍〔,?浚 剩铮椋睿澹蟮炔饬苛耍担埃停龋 埃 梗牵龋 段 诖蟪Α?觥?卧唷?巍?榉亢图?獾介电常数和电导率，结果表明恶性乳腺肿瘤的电导率为正常乳腺组织的,(,倍，介电常数为正常组织的,(,倍;进一步的研究发现，对于同种类型的乳腺组织，恶性组织与正常组织介电常数的比是乳腺中最大的〔,】。,,,,,,,,,在小于,,,,的范围内测量了来自,,个病人的正常与恶性肿瘤乳房组织的电特性，结果发现恶性肿瘤的电导率与介电常数分别是正常组织的,(,倍和,倍【,】(而其他研究结果表明:前列腺的正常组织和肿瘤组织间的电导率差别为,,,【,】;大脑灰质的正常组织和水肿组织间的电导率差别则高达,,,【,】。 ,,,,,,与,;,,,,,、,,,,,,以及,,,,,等分别测量了恶性肿瘤的电特性，发现当频率高于,,,,时其介电常数与电导率几乎与高含水组织的相同。尤其当频率低于，,,,时，恶性肿瘤的介电常数与电导率甚至比正常的组织肌肉还大【,—, ,】。 ,,,,,,等测量了老鼠的纤维肉瘤出现后,、,,与,,天的介电常数和电导率，发现了恶性肿瘤的介电常数和电导率都很高(但随着肿瘤的增长，介电常数 ??，学博十学位论女和电导率没有明显变化。当较大的肿瘤出现内部坏死时，介电常数和电导率的变化在频率高于, ,,,,后很小【,,】( ,,,,,,,,等测量,厘米大小的人体乳房肿瘤及相邻的正常组织(如图, ,所示)，发现恶性肿瘤附近正常乳房组织的介电常数和电导率都有所增大，这有助于确定肿瘤的位置(,,,,,,,,等还发现肿瘤的不同位置舟电常数不同，说明,肿瘤组织结构上的不均匀性,,,,( ?。葛。。 蕊 羹 菱,蒸 (;) ？)图, ,显微镜下观察正常乳腺组织和乳腺癌组织:,,)正常组织，(,)浸润性小叶癌， (;) 漫润性导管癌((,)漫润性导管癌的边缘组织【,卅 综上可见，正常组织固其含水量的不同，介电常数和电导率差异很大(而病 浙江大学博士学位论文变组织，尤其是肿瘤组织与正常组织的介电常数和电导率差异也非常大，这为利用电磁技术检测病变组织的存在提供了十分有力的依据。早在,,,,年，,,,,,就曾提出了介电测量可用于肿瘤的在体检测与诊断【,,〕。(以上文献综述内容引自文献【,,】),(,生物医学电磁成像方法综述 医学影像成像是一门借助于某种介质与人体的相互作用，把人体内部组织、器官的形态结构、密度、功能等以影像的方式表现出来的科学技术。医生根据自己的知识经验并借助医学影像中所提供的信息，对病人的健康状况做出临床上的病理判断。医学影像学是临床诊断、治疗和医学研究的一个重要领域，,射线断层成像(,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,，,,,,)、超声成像(,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,)、磁共振成像(,,,,,,,; ,,,,,,,;, ，,,,,,,，,,，)以及正电子发射断层成像(,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,，,,,)等影像设备的出现使疾病的诊断水平发生了飞跃。通过目前医疗实践可以发现，单一形态的影像诊查仪器已经不能满足疾病 早期诊断的需要，因此研制形态和功能相结合的新型检测系统变得更有意义且具有更大的发展空间。 与传统医学影像方法相比，医学电磁成像技术是医学成像技术的一个新方向，它的基本原理是:根据人体内不同组织在不同的生理、病理状态下具有不同的电特性，采用各种方法给人体施加安全的驱动电磁激励，通过其在人体产生的测量响应信息，重建人体内部的电特性静态分布图或动态变化图像。其测量系统主要由高稳定性的交流激励源、高精度的测量电路、相应的控制电路及计算机系统组成(其中，激励源的作用是产生对人体安全的电磁激励并以一定的激励模式施加于激励器(电极或线圈)上;测量电路则通过测量器(电极、线圈、,,,，,、霍尔探头、,,，等)以一定测量模式获取激励下的体表或体内电磁信号，经过高精度放大后采用解调技术提取反映成像目标的内部电特性分布信息，供算法重建图像使用。图像重建中的正问题和反问题的提出与求解是图像重建中两个关键性过程，而成像过程的实质就是求解反问题的过程，也就是反演待重建的电特性参数。 作为一种功能成像，与常规影像学相比，医学电磁成像技术能够在组织结构尚未变化前发现肿瘤组织性能特性或功能性变化，同时对人体无电离或辐射作用，对于疾病的预防和早期诊断治疗以及疾病的康复指导和愈后评价等具有重要的应用价值,,,〕(,,生物医学电磁成像方法分类及原理概述, ,，注入电流电阻抗成像 注入电流电阻抗成像(,,,,,,,?;,,,,,, ,,,;,,,;,, ，,,,,,,;, ,,,,,,,,,,，,,,，,)是最早提出，研究历史最长的电磁成像方法(第一幅电阻抗田像结果是由,,,,,,,,,和,,,,,,,于,,,,年报导的，他们得到可以显示人体肺，心脏的日像，但非断层图像，而是类似,胸片投射图像(,,,,年英国谢菲尔德大学的,,,,,,研究组报导了电导率断层成像的尝试，并应用模拟数据，获得,单一的电导率分布图像,,,】( 如围,(,所示，,,,，,的成像原理是:根据人体内不同组织在不同的生理、病理状态下具有不同的电阻抗，通过电极给人体施加小的安全驱动电流,电压，在体外刹量相应电压,电流信号，来重建人体内部的电阻抗分布或其变化的图像(信号澈励和测量方式分单颏和多频(相邻或相对模式等(不同的注入模式使得成像区域内部形成的电流分布不同，剥量灵敏度不同，采集信号的信噪比不同，最终成像质量也不相同(常见的注入电流模武包括:临近驱动模式、交叉注入模式，相反注入模式和自适应模式( 图， ,,,,，,原理圈〔, ,】 ,,,，,对应的非线性反问题重建方法可以分为线性近似方法和非线性重建方法两大类，如图, ,所示: 浙江人学博士学位论文 图,(, ,,,，,图像重建方法〔,,, 由于医学电阻抗成像具有广泛的应用前景，目前美、英、德、法、中等国家的,,多个研究组正在进行该研究【,,，,,(,,〕。,,(,感应电流电阻抗成像 ,,,，,需要通过电极向成像区域注入电流，电极附近的区域电流密度比较高，抑制了所能注入电流的大小，而且还存在注入电流难以穿透颅骨，同皮肤接触电阻过大、对待测生物体有刺激作用等缺点(为了克服,,,，,的不足，研究者提出了感应电流电阻抗成像方法(，,,,;,,(;,,,,,, ,,,;,,,;,, ，,,,,,,;,,,,,,,,,,,，，,,，,)〔,,,,,〕。该方法采用激励线圈代替驱动电极，对激励线圈施加交变电流，产生交变磁场，在成像区域内生成感应电流，通过表面电极测量边界电压，从而进行电导率的动态成像。 相比,,,，,，，,,，,有很多优势，如成像目标内电流不受电极处电流密度 的限制，可以使用更大的电流密度以提高信噪比，从而增加成像分辨率;通过选择 浙江(人学博士学位论文适当频率的交变电流在成像区域内生成的感应电流可以深入组织内部，避免了颅骨等高阻屏蔽的影响;表面电极只需要完成测量电压的单一功能，不用于电流驱动，故可以对测量电压电路进行优化〔,,】( 图,(, ，,,，,成像系统【,,】,(,(,磁感应成像 磁感应成像方法(,,,,,,,; ，,,,;,,,, ,,,,,,,,,,，,，,)利用激励的交变磁场在导电的成像目标区域上产生感应电流【,,〕，其基本原理如图,(,所示。激励线圈丁产生频率为,的交变磁通密度岛作用于被检测的成像目标区臼，在成像目标区内部产生涡旋电场局，由于区域内包含导电介质，因此产生涡旋感应电流。由该涡流产生的二次感应磁通密度,,改变了原磁通密度的强弱，二次磁通密度,,和交变磁通密度,,在接收线圈上产生感应电流,，和交变电流而，以及相应的感生电压,,和交变电压,，该电流和电压信息可通过接收线圈,测量得到。通过上述测量信息可以重构出目标物体的阻抗分布。常用的反问题重构算法有滤波反投影法(灵敏度矩阵法以及代数重构法等。 ,，,的优势主要在于其测量与目标装置之间不存在电流耦合，避免了极化现象，提高了成像目标的空间定位精度，缩短了获得阻抗的绝对值时间，消除了电极对测量结果的影响，使定位和扫描运动精度不受体表电极必须接触良好的限制，是一种真正意义上的实时、无创、非接触的检测技术。 ,?太学博?学位论文 幽， ,,，,成像系统【， ,】 , ,(,感应武磁声成像 ,,,,年由,,和,,提出的感应武磁声成像(,,,,,,,,;,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,; ，,,,;,,,,，,,,,,，)技术是光声成像技术和微波热声成像技术的延伸和发展〔,,,,,,(光声成像和微波热声成像都是借助高频电磁渡对生物组织的热效应，由生物组织的快速膨胀而激发声波的工作方式。而,,,,,，技术则是惜助较低频(,,,,左右)电磁波对生物组织进行作用时所感应的生物电流在静磁场内产生洛伦盏力，从而使生物组织产生力的应变效应而激发出超声波(如图， ,所示);超声信号由超声传感器进行检测并转换成压电信号，经由放大器处理，供计算机的数据采集系统进行量化和呆集，经处理后根据相应的图像处理算法重建生物组织图像( 。 ,,产， ,,,,,,,;,,, 鬻。 爱, 翻， ,,,,,,，成像原理示意圈忙如 浙江大学博士学位论文 ,,,,,，技术保留了光声和微波热声成像技术的优点，同时还具有技术设备构造简单、成本低廉，以及穿透性强、能对生物组织深层成像等优势，具有一定的潜力和应用前景。 上面讨论的几种医学电磁成像方法，其共同特点在于用特定手段在成像目标体内产生电流分布，继而通过测量边界上的电压分布，并利用相应算法重构成像区域的电特性参数分布图像。 然而，医学电磁成像至今尚未广泛应用于临床，其主要原因在于边界电压测量对物体内部电特性参数灵敏度低【,,〕，边界测量电极数目有限导致测量数据有限;加之采集数据噪声的影响，相应反问题呈现严重的病态。尽管可以利用各种数学技巧(如正则化、,,,;,,,谱分解)来处理反问题，但可利用的已知信息不足，难以解决算法稳定性、抗噪性，收敛性等综合问题。正如,,,;,,,著名的论断“, ,,;, ,,,,,,,,,,,,, ;,,,,, ,, ,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,;,, ,,,;,,,,(残缺的信息不可能通过任何数学技巧来修补)”〔,,】(,,,,,,,,在专著((,,,,; , ,,;,,,, ,,,,,,,,,, ,, ，,,,,,, ,,,,,,,))中也再次重申,,,;,,,的论断„?,, ,,,,,,,,,;,, ,,,;,,,;,, ,,,,,, , ,,;, ,, ,,,,,,,,,,,(任何数学技巧都无法弥补信息的不足)”。根据有限信息量重建图像的常规电磁成像方法只能生成不精确的低分辨率电导率图像，断层图像偏离真实情况，大大限制了该技术的临床应用范围。 若要更真实全面地反映组织结构和功能，实现高分辨率成像，必须提高测量物理场(电位、电磁场)对成像参数信息(电特性)的灵敏度，必须丰富成像的有效信息。对于提高灵敏度而言，需尽可能利用与成像参数直接相关的物理场，尽可能使激励的物理场覆盖整个成像目标区域而无盲.