Введение к работе
Актуальность теки. Создание изображений внутреннего анатомического строения и функций человеческого тела является фундаментальным для медицинской науки. Диагностика заболеваний, лечение и управление терапевтическими процедурами опираются на данные, получаемые с помощью медицинской визуализации. В настоящее время широко применяются такие методы интроскопии, как рентгеновская компьютерная томография. ШР-томограФия. Уз-тоиография и тепловидение. У каждого из существующих в настоящее время способов визуализация есть свои достоинства и недостатки, которые определяют область применения данного метода.
Электрическая инпедалсная томография (ЭИТ) - это метод визуализации пространственного распределения электрических свойств биологической ткани. С помощью импедансных измерении он позволяет получить изображение среза биообъекта благодаря различным значениям удельной проводимости и диэлектрической составляющей его тканей. Метод ЭИТ является практически безвредным для обследуемого пациента, подобно методу импедансомегрии. Относительная простота измерительной системы и небольшая стоимость аппаратуры определяет большие перспективные возможности этого метода. Многообещающим является использование метода ЭИТ для динамической визуализации физиологических процессов организма. В отдельных случаях, например, при мониторинге и велоэргометрических исследованиях возможность визуализации внутренних органов человека с. помощью импедансных компьютерных систем является уникальной.
К сожалению, в настоящее время, широкое использование импедансных томографических систем (ИТС) в клинической практике сдерживается низкой разрешающей способностью изображений, получаемых с помощью этих систем. Поэтому, в настоящее время, метод ЭИТ позволяет наблюдать лишь крупные анатомические структуры внутри человеческого тела.
Цель работы. Целью данной диссертационной работы является разработка и исследование методов и алгоритмов реконструкции изображений на основе метода обратного проецирования, позволяющих повысить качество импедансных томографических систем.
- г -
Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:
создание и исследование математической модели однородного двумерного объекта, позволяющей вычислять распределение электрических потенциалов в этом объекте при приложении к нему электрического тока;
разработка и исследование алгоритмов восстановления импеданс-ных изображений на основе метода обратного проецирования;
разработка программно-алгоритмического обеспечения реконструкции изображений для импедансных компьютерных томографов.
Методы исследования. Теоретическая часть исследований выполнена с использованием численных методов решения дифференциальных уравнений с частными производными и метода обратного проецирования. Экспериментальные исследования проводились с использованием физической модели биообъекта, представляющей собой резервуар, наполненный солевым раствором.
Новые научные результаты. .'На защиту выносятся следующие новые научные результаты, которые получены автором в процессе ре-иения поставленных задач:
- разработана и исследована математическая модель однородного
двумерного объекта; с помощью метода интегральных уравнений реа
лизована компьютерная модель, которая позволяет вычислять расп
ределение электрических потенциалов внутри и на границе однород
ного объекта для выбранной стратегии импедансных томографических
, измерений;
разработан и экспериментально исследован модифицированный метод обратного проецирования; "в отличие от обычного метода обратного проецирования этот метод учитывает расположение точек объекта в эквипотенциальной зоне и использует геометрическую коррекцию изображения, что позволяет улучшить качество импедансной томограммы;
предложен новый метод получения нормализованных данных измерений для биообъектов круглой формы, основанный на вычислении средних . значений измеренных потенциалов; в отличие от обычных способов получения исходных данных in-vlvo этот метод уменьшает погрешности измерений, которые связаны с неточным расположением электродов и неправильной формой биообъекта;
исследованы распределения электрических потенциалов, полученных с помощью двумерной и трехмерной моделей биообъекта; выполнены сравнения импедансных изображений биообъектов, реконструи-
рованные с использованием этих двух типов распределений.
Практическая ценность работы. Предложенные методы реконструкции изображений позволяют получать импедансные томограммы частей тела человека, имеющих цилиндрическую форму (рука, нога, торс). На основе этих методов разработаны алгоритмы и программы, которые имеют высокое быстродействие, и могут быть использованы в импедансных томографических системах для получения динамических изображений различных физиологических процессов.
Созданы лабораторные установки для проведения экспериментальных исследований на физической модели и биологических объектах. Созданная физическая модель может быть использована для оценки достоверности работы алгоритмов реконструкции изображений и для определения количественных характеристик их работы.
Внедрение результатов. Диссертационная работа связана с выполнением Государственной научно-технической программы "Перспективные информационные технологии" и является составной частью исследований, проводившися в рамках госбюджетной НИР по теме "Создание новых математических методов автоматического анализа биосигналов для микрокомпьютерных медицинских приборов и систем".' Эти исследования проводились с участием автора з 1990-1993 гг. на кафедре биомедицинской электроники и охраны среды Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета.
Программное обеспечение алгоритмов реконструкции изображений, созданное в процессе работы, используется в экспериментальной установке на базе персонального компьютера IBM PC для проведения научных исследований с целью определения возможности создания практической импедансной томографической системы.
Апробация работы. Основные положения и результата диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 1-м Всесоюзном симпозиуме "Место импедансометрии в современных клинических методах исследований, в физиологии и спортивной медицине" (Ижевск; 1991): научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (1991, 1992) ; семинаре НТОРЭС им. \.С.Попова (Санкт-Петербург, 1994)..
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в печатной заботе СО
, - 4 -Структура и объем диссертация. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 50 наименований. Основная часть работа изложена на 144 страницах машинописного текста. Работа содержит 24 рисунка и 5 таблиц.