颅内深层生物阻抗磁感应信号多维检测关键技术研究
发布时间：2021-08-11 21:40
磁感应断层成像技术是一种非接触式、无创的电阻抗检测技术,在脑部病变检测方面具有良好的应用前景。针对磁感应检测系统对深层颅脑组织的检测问题,开展面向颅内深层生物阻抗磁感应信号多维检测关键技术的研究,以提高测量系统对被测组织的激励-检测深度和信号准确度。首先,研究了磁感应检测技术的涡流检测原理及其国内外发展的状况。为提高磁感应检测技术对深层颅脑内部组织进检测精度,提出了采用具有聚焦特性线圈作为磁感应系统激励线圈的方案,并根据此设计了一套双8字线圈磁感应检测系统的仿真与实验系统,并给出验证系统工作性能的多维检测评估手段。其次,建立了颅脑模型与双8字线圈的磁感应仿真系统模型,同时建立圆形线圈仿真系统作为对比方案。对两种检测系统模型进行了仿真计算研究,通过对比两种系统仿真计算了系统在颅脑水平面产生的驱动电场、磁场的强度与分布情况,颅脑数值面的能量激励深度,颅脑内部不同位置处病变体组织的检测效果,不同电导率病变体在仿真系统实验后的相位差幅值大小,结果表明双8字线圈磁感应系统对颅脑内部组织的深层激励-检测性能更佳。再次,设计了磁感应检测的硬件系统,包括激励-检测线圈,以AD815为核心的功率放大电路...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
磁感应测量原理示意图
沈阳工业大学硕士学位论文8象的介电常数大致呈线性关系[40]；ΔB的虚部由涡流引起，与被测对象的电导率大致呈正线性关系。将被测物体放置于检测环境后，感应到的磁场强度变为ΔB+B，磁场强度的变化反映为检测电压幅值的变化[41]。通过检测该变化，可以反映被测对象的电导率，其ΔB+B与B的矢量关系如图2.2所示。图2.2激励磁场B与感应磁场ΔB的矢量关系图Fig.2.2ThevectorrelationshipofexcitingfiledBandinducedmagneticfieldΔBΔB与B的对应关系如式（2.1）所示：0()rjBB（2.1）式中，为激励源的角频率，r为被测对象的介电常数，0为空气的介电常数，为被测对象的电导率。2.2颅内生物组织电导率特性采集生物健康组织与病理组织的电信息并进行信息处理与分析，已经成为现代生物医学工程的一个重要研究方向[42]。颅脑是人体组织中的一个重要部位，它与其他组织器官一样会产生电现象，其本身具有阻抗特性，从阻抗特性可以推出组织的分布情况[43]。国内外学者通过大量的实验研究分析后得出，当人的脑组织进行各种生理活动时脑阻抗会发生产生相应的特征变化[44]，同理，当脑部组织发生病理性的变化时脑阻抗也会产生相应的阻抗变化[45]。Holder等[46]在实验中采用真实的家兔大脑皮层实验，测量使用环状排列电极均匀的布置在家兔脑皮层组织表面，采集并记录家兔大脑的电阻抗变化，经过信号处理后发现，当脑组织处于正常与病理等不同状态时，其对应的阻抗也会随之产生变化。当人的颅脑受到外界因素伤害或内部环境发生病变时，脑组织的阻抗会发生变化，并且这些异常组织处在颅脑内部不同的位置[47]，与正常颅脑内部组织的阻抗变化会产生明显差异[48]。它的主要表现如下所示：在特定的频率激励检测环境下，采用相同的实验环境与测量手段时，?
沈阳工业大学硕士学位论文14图3.1颅内深层磁感应检测系统的仿真建模流程Fig.3.1Simulationmodelingprocessofdeepintracranialmagneticinductiondetectionsystem3.1.2颅脑组织模型设计本文所建立BMIT仿真系统模型是以颅脑组织深层检测为目标的磁感应检测系统，由激励线圈、颅脑组织、颅脑中心深处病变体和检测线圈等部分组成。颅脑组织的建模主要涉及颅脑内各部分组织对应的几何形状与生理参数两方面。颅脑仿真模型内部的生理病理组织需要尽可能逼近真实颅脑各部分组织的特性。人的大脑组织从外向内可分为头皮、颅骨、脑脊液、脑实质等结构，脑实质可分为灰质和白质，这些组织的分层为颅脑组织建模提供了参考依据。根据真实解剖学建立的颅脑仿真模型，通过有限元计算可以呈现出模型中磁场与感应电流密度分布的具体细节。但是针对颅内组织深层检测问题，诸如磁场激励深度、检测效果、感应电流密度强度等分析方法中，使用复杂颅脑模型并不能够得到预期的实验效果。本文采用球形模型作为颅脑组织时，内部组织的几何形状以及激励、检测线圈相对于系统位置的要求相对简单，可为各类磁感应激励线圈设计与实验提供便利条件，也方便于各类磁感应线圈的激励性能比较。此外，由于球形模型的仿真建模制作相对简单，设计使用相同层数、半径、间隔尺寸等参数的球型模型可为各类科研人员提供了线圈性能评估的标准化依据。在仿真模型中应尽可能的模拟正常脑组织与病变脑组织对应形态，根据实验目的适当调整颅脑深层病变组织对应的位置与各项参数。本文仿真首先设计了一个五层同心球的颅脑组织模型，由外向内分为：头皮层、颅骨层、脑脊液层、脑灰质层、脑白质层。本文设计的五层颅脑组织模型如图3.2所示，颅脑模型中各层组织对应参数如表3.1所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于经颅磁刺激的线圈阵列设计方法研究[J]. 熊慧,高毅娟,刘近贞. 航天医学与医学工程. 2018(05)
[2]基于Ansoft Maxwell经颅磁刺激线圈参数化设计[J]. 郝丹丹,赵雯,吴国立,李英伟. 燕山大学学报. 2018(04)
[3]家兔腹部注射生理盐水的磁感应断层成像在体检测研究[J]. 陈启慧,齐天昕,刘锐岗. 中国医疗设备. 2017(11)
[4]用于深度经颅磁刺激的线圈阵列电场仿真研究[J]. 李江涛,郑敏军,曹辉,赵政,张蕊. 中国全科医学. 2017(S2)
[5]高聚焦度经颅磁刺激线圈的研究[J]. 李江涛,郑敏军,曹辉,赵政,顾悦,李征,李涛,姜为华. 中国科技论文. 2017(11)
[6]基于滤波反投影的脑磁感应迭代重建算法研究[J]. 柯丽,刘欢,杜强,曹冯秋. 仪器仪表学报. 2016(11)
[7]PCB线圈的电参数对谐振频率的影响探究[J]. 王燊,魏志强,迟浩坤. 电子技术与软件工程. 2016(16)
[8]基于大鼠球头模型的8字和锥形线圈颅内电场仿真分析[J]. 李鑫昌,王欣,刘志朋,殷涛. 医疗卫生装备. 2016(06)
[9]基于磁感应相位移谱的家兔急性脑缺血检测[J]. 庄伟,秦明新,潘文才,金贵,孙建,闫庆广,宁旭,李根,彭斌. 第三军医大学学报. 2016(16)
[10]线性卡尔曼滤波算法在磁感应断层成像技术中的仿真研究[J]. 刘润生,董秀珍,刘锐岗. 医疗卫生装备. 2016(01)
博士论文
[1]脑内出血的磁感应谱检测方法研究[D]. 张子义.国防科学技术大学 2016
[2]扇形阵列式磁感应断层成像关键技术研究[D]. 杜强.沈阳工业大学 2013
[3]脑电计算中基于医学图像的真实头有限元模型构造研究[D]. 刘君.浙江大学 2007
硕士论文
[1]磁感应断层成像有限角投影数据重建算法研究[D]. 尹丽莉.沈阳工业大学 2019
[2]基于阻抗谱测量的非接触油品质量评估方法研究[D]. 张可昊.沈阳工业大学 2019
[3]面向生物磁感应成像的线圈阵列优化与测量方法研究[D]. 陈龙.南京理工大学 2017
[4]基于超声波传播特性的无创颅内压监测系统数值模拟研究[D]. 李明霞.重庆大学 2014
[5]生物阻抗磁感应信号测量系统及颅内出血仿真研究[D]. 潘虹雨.沈阳工业大学 2014
[6]磁感应断层成像方法与系统研究[D]. 刘承安.东北大学 2013
本文编号：3336932
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
磁感应测量原理示意图
沈阳工业大学硕士学位论文8象的介电常数大致呈线性关系[40]；ΔB的虚部由涡流引起，与被测对象的电导率大致呈正线性关系。将被测物体放置于检测环境后，感应到的磁场强度变为ΔB+B，磁场强度的变化反映为检测电压幅值的变化[41]。通过检测该变化，可以反映被测对象的电导率，其ΔB+B与B的矢量关系如图2.2所示。图2.2激励磁场B与感应磁场ΔB的矢量关系图Fig.2.2ThevectorrelationshipofexcitingfiledBandinducedmagneticfieldΔBΔB与B的对应关系如式（2.1）所示：0()rjBB（2.1）式中，为激励源的角频率，r为被测对象的介电常数，0为空气的介电常数，为被测对象的电导率。2.2颅内生物组织电导率特性采集生物健康组织与病理组织的电信息并进行信息处理与分析，已经成为现代生物医学工程的一个重要研究方向[42]。颅脑是人体组织中的一个重要部位，它与其他组织器官一样会产生电现象，其本身具有阻抗特性，从阻抗特性可以推出组织的分布情况[43]。国内外学者通过大量的实验研究分析后得出，当人的脑组织进行各种生理活动时脑阻抗会发生产生相应的特征变化[44]，同理，当脑部组织发生病理性的变化时脑阻抗也会产生相应的阻抗变化[45]。Holder等[46]在实验中采用真实的家兔大脑皮层实验，测量使用环状排列电极均匀的布置在家兔脑皮层组织表面，采集并记录家兔大脑的电阻抗变化，经过信号处理后发现，当脑组织处于正常与病理等不同状态时，其对应的阻抗也会随之产生变化。当人的颅脑受到外界因素伤害或内部环境发生病变时，脑组织的阻抗会发生变化，并且这些异常组织处在颅脑内部不同的位置[47]，与正常颅脑内部组织的阻抗变化会产生明显差异[48]。它的主要表现如下所示：在特定的频率激励检测环境下，采用相同的实验环境与测量手段时，?
沈阳工业大学硕士学位论文14图3.1颅内深层磁感应检测系统的仿真建模流程Fig.3.1Simulationmodelingprocessofdeepintracranialmagneticinductiondetectionsystem3.1.2颅脑组织模型设计本文所建立BMIT仿真系统模型是以颅脑组织深层检测为目标的磁感应检测系统，由激励线圈、颅脑组织、颅脑中心深处病变体和检测线圈等部分组成。颅脑组织的建模主要涉及颅脑内各部分组织对应的几何形状与生理参数两方面。颅脑仿真模型内部的生理病理组织需要尽可能逼近真实颅脑各部分组织的特性。人的大脑组织从外向内可分为头皮、颅骨、脑脊液、脑实质等结构，脑实质可分为灰质和白质，这些组织的分层为颅脑组织建模提供了参考依据。根据真实解剖学建立的颅脑仿真模型，通过有限元计算可以呈现出模型中磁场与感应电流密度分布的具体细节。但是针对颅内组织深层检测问题，诸如磁场激励深度、检测效果、感应电流密度强度等分析方法中，使用复杂颅脑模型并不能够得到预期的实验效果。本文采用球形模型作为颅脑组织时，内部组织的几何形状以及激励、检测线圈相对于系统位置的要求相对简单，可为各类磁感应激励线圈设计与实验提供便利条件，也方便于各类磁感应线圈的激励性能比较。此外，由于球形模型的仿真建模制作相对简单，设计使用相同层数、半径、间隔尺寸等参数的球型模型可为各类科研人员提供了线圈性能评估的标准化依据。在仿真模型中应尽可能的模拟正常脑组织与病变脑组织对应形态，根据实验目的适当调整颅脑深层病变组织对应的位置与各项参数。本文仿真首先设计了一个五层同心球的颅脑组织模型，由外向内分为：头皮层、颅骨层、脑脊液层、脑灰质层、脑白质层。本文设计的五层颅脑组织模型如图3.2所示，颅脑模型中各层组织对应参数如表3.1所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于经颅磁刺激的线圈阵列设计方法研究[J]. 熊慧,高毅娟,刘近贞. 航天医学与医学工程. 2018(05)
[2]基于Ansoft Maxwell经颅磁刺激线圈参数化设计[J]. 郝丹丹,赵雯,吴国立,李英伟. 燕山大学学报. 2018(04)
[3]家兔腹部注射生理盐水的磁感应断层成像在体检测研究[J]. 陈启慧,齐天昕,刘锐岗. 中国医疗设备. 2017(11)
[4]用于深度经颅磁刺激的线圈阵列电场仿真研究[J]. 李江涛,郑敏军,曹辉,赵政,张蕊. 中国全科医学. 2017(S2)
[5]高聚焦度经颅磁刺激线圈的研究[J]. 李江涛,郑敏军,曹辉,赵政,顾悦,李征,李涛,姜为华. 中国科技论文. 2017(11)
[6]基于滤波反投影的脑磁感应迭代重建算法研究[J]. 柯丽,刘欢,杜强,曹冯秋. 仪器仪表学报. 2016(11)
[7]PCB线圈的电参数对谐振频率的影响探究[J]. 王燊,魏志强,迟浩坤. 电子技术与软件工程. 2016(16)
[8]基于大鼠球头模型的8字和锥形线圈颅内电场仿真分析[J]. 李鑫昌,王欣,刘志朋,殷涛. 医疗卫生装备. 2016(06)
[9]基于磁感应相位移谱的家兔急性脑缺血检测[J]. 庄伟,秦明新,潘文才,金贵,孙建,闫庆广,宁旭,李根,彭斌. 第三军医大学学报. 2016(16)
[10]线性卡尔曼滤波算法在磁感应断层成像技术中的仿真研究[J]. 刘润生,董秀珍,刘锐岗. 医疗卫生装备. 2016(01)
博士论文
[1]脑内出血的磁感应谱检测方法研究[D]. 张子义.国防科学技术大学 2016
[2]扇形阵列式磁感应断层成像关键技术研究[D]. 杜强.沈阳工业大学 2013
[3]脑电计算中基于医学图像的真实头有限元模型构造研究[D]. 刘君.浙江大学 2007
硕士论文
[1]磁感应断层成像有限角投影数据重建算法研究[D]. 尹丽莉.沈阳工业大学 2019
[2]基于阻抗谱测量的非接触油品质量评估方法研究[D]. 张可昊.沈阳工业大学 2019
[3]面向生物磁感应成像的线圈阵列优化与测量方法研究[D]. 陈龙.南京理工大学 2017
[4]基于超声波传播特性的无创颅内压监测系统数值模拟研究[D]. 李明霞.重庆大学 2014
[5]生物阻抗磁感应信号测量系统及颅内出血仿真研究[D]. 潘虹雨.沈阳工业大学 2014
[6]磁感应断层成像方法与系统研究[D]. 刘承安.东北大学 2013
本文编号：3336932
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