电磁层析成像生物信息耦合测试

发布时间：2017-08-13 08:01

  本文关键词：电磁层析成像生物信息耦合测试

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【摘要】：当今世界,健康问题已成为国际社会关注的热点问题。对疾病预防与治疗的需求,促进了生物医学技术的快速发展,医学检查与监测系统向着形态与功能相结合的方向发展成为必然趋势。医学电磁成像作为一种无创的影像技术,可实现功能性成像。由于电磁成像系统结构简单,易于实现,成本低廉,且无需使用核素或射线等对人体有副作用的放射源,适用于患者的长期医学影像监护或大范围的医疗普查。作为一种基于电学敏感原理的过层析成像技术,电磁层析成像虽然起步稍晚,但由于该技术的明显优势,受到了国内外工业过程和生物医学领域的广泛关注。已有的相关研究工作主要集中在对截面分布式电磁感应的测试机理;面向不同应用对象的测试系统实现;基于不同方法的测试数据处理和图像重建等问题的研究。在生物医学领域的应用中,由于被测对象的性质与工业过程有较大的差别,决定了该技术的测试机理和要求、测试系统的结构和功能、测试信息的处理和表征等方面,均需要根据具体的被测对象进行深入的讨论和分析。论文研究工作从完善生物医学电磁层析成像技术的应用基础研究出发,结合先进的数值模拟技术、现代信号分析与处理方法及新型电子电路设计技术等,对电磁层析成像生物信息的耦合测试机理、测试方法、测试系统、测试信号分析等方面开展深入研究,主要完成的研究工作包括:(1)对影响电磁层析成像敏感场分布的因素进行分析,并对传感器结构进行优化。基于有限元分析的方法,针对电磁层析成像的激励信号频率、激励策略、被测空间介质分布等因素,通过采用数值仿真与灵敏度矩阵计算相结合的方法进行综合对比,得到:较高的激励频率可增强系统的输出响应,但会在一定程度上增加检测误差;对比三种激励模式检测结果,由于单一激励模式的硬件结构简单,更易于实现,可视为最优激励策略。基于直接相位检测法得知,被测区域内的电导率分布与相位输出间具有近似的线性关系。基于线圈的阻抗分析结果,对传感器阵列的结构进行优化设计,使其敏感频率响应区间与系统施加的激励信号频率间能够有效匹配,改善系统的测试效果。(2)搭建一套可用于生物医学领域测试的八通道电磁层析成像系统。在系统功能结构设计的基础上,通过对系统连接方式的设计,可使系统既满足普通线圈结构传感器又可满足平衡线圈结构传感器的测试需要,提高了系统的适应性,扩展了系统的应用空间;利用高速数据采集板卡,对高频信号直接进行采集,在满足了系统功能实现的同时,简化了硬件电路设计的复杂性,缩短了系统的设计周期;并实现了测试信号的在线和离线处理、监测及图像重建等功能。通过实验测试,该系统平台可满足实验测试的要求。(3)对被测物体内含有源信号情况下,电磁层析成像系统的响应进行分析。基于数值仿真与实验验证相结合的方式,以脑电信号为例,针对内源信号与外加激励信号相互耦合时,对系统测试结果产生的影响进行分析、讨论。得到:当存在内源信号与外加激励信号耦合时,数值仿真数据图像重建结果显示,重建的目标物体位置相比实际的被测物体位置出现明显的偏移;相应的实验结果也证明了内源信号对电磁测试结果会造成直接的影响,且不应被忽视。(4)利用独立成分分析方法实现耦合测试信号的分离与辨识。针对内源信号与外加激励信号相互耦合,对系统测试结果产生影响的问题,利用独立成分分析技术,实现内源信号响应与外加激励响应的分离,并通过计算信号的高阶统计量提取信号特征信息,实现对不同内源信号的辨识。针对一次分离法处理双偶极子源模型系统测试信号时出现的分离不完全的问题,通过多次分离的方法实现多个内源信号响应与外加激励响应的分离,并实现对内源信号的有效辨识。
【关键词】：生物电磁测试 电磁层析成像 敏感场分析 测试系统 内源信号 独立成分分析 信号辨识
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R312;TN911.7
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 电学层析成像技术12-13
• 1.2 电磁层析成像技术13-21
• 1.2.1 电磁层析成像基本原理13-14
• 1.2.2 电磁层析成像技术的发展概况14-20
• 1.2.3 电磁层析成像的技术难点20-21
• 1.3 课题研究背景21-22
• 1.4 论文主要创新点22
• 1.5 论文组织安排22-24
• 第二章 医学电磁测试理论基础24-38
• 2.1 医学电磁成像研究现状24-28
• 2.1.1 医学电磁成像系统的组成及分类25-27
• 2.1.2 主要医学电磁成像技术27-28
• 2.2 MIT物理模型与数学模型28-34
• 2.2.1 MIT物理模型及求解28-31
• 2.2.2 MIT正问题模型31-34
• 2.3 生物电信号的物理模型与数学描述34-36
• 2.3.1 生物电信号的物理模型34
• 2.3.2 生物电信号的正问题34-36
• 2.4 生物电磁耦合测试的可行性分析36-37
• 2.5 小结37-38
• 第三章 电磁层析成像敏感场分析38-59
• 3.1 影响MIT敏感场的因素38-39
• 3.2 MIT敏感场灵敏度计算39-41
• 3.3 基于数值结果的敏感场分析41-49
• 3.3.1 激励频率对敏感场的影响42-45
• 3.3.2 激励模式对敏感场的影响45-47
• 3.3.3 分布介质电导率对敏感场影响的分析47-49
• 3.4 基于灵敏度矩阵的敏感场分析49-52
• 3.4.1 激励频率对敏感场的影响50-51
• 3.4.2 激励模式对敏感场的影响51-52
• 3.5 基于阻抗分析的传感器优化52-58
• 3.5.1 MIT传感器线圈阻抗计算52-54
• 3.5.2 不同线材线圈的阻抗分析54-56
• 3.5.3 不同结构线圈的阻抗分析56-58
• 3.6 小结58-59
• 第四章 电磁层析成像测试系统设计59-68
• 4.1 电磁层析成像系统结构与功能59-61
• 4.2 电磁层析成像模块设计61-65
• 4.2.1 激励源61-64
• 4.2.2 数据采集通道64-65
• 4.2.3 通道切换模块65
• 4.3 数据采集与处理程序设计65-67
• 4.4 小结67-68
• 第五章 内源信号的电磁检测68-97
• 5.1 脑电信号模型68-71
• 5.1.1 脑电信号简化模型68-69
• 5.1.2 神经元模型69-71
• 5.2 内源信号对图像重建的影响71-72
• 5.3 独立成分分析概述72-77
• 5.3.1 独立成分分析法的发展历程73-74
• 5.3.2 独立成分分析法原理与算法74-77
• 5.4 内源信号电磁检测的稳态仿真分析77-79
• 5.5 单内源模型时域仿真分析79-89
• 5.5.1 频谱结果分析80-81
• 5.5.2 基于ICA法的信号分离81-88
• 5.5.3 基于高阶统计量的信号特征提取88-89
• 5.6 双内源模型动态仿真分析89-92
• 5.7 微小内源信号的仿真分析92-96
• 5.8 小结96-97
• 第六章 系统测试与图像重建97-104
• 6.1 系统静态测试97-100
• 6.1.1 数据采集通道相位检测97-98
• 6.1.2 盐溶液测试98-100
• 6.2 内源信号的测试验证100-102
• 6.2.3 实验设计100-101
• 6.2.4 模拟内源实验测试101-102
• 6.3 图像重建102-103
• 6.4 小结103-104
• 第七章 总结与建议104-106
• 7.1 总结104-105
• 7.2 建议105-106
• 参考文献106-119
• 发表论文和参加科研情况说明119-121
• 致谢121-122

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