基于磁感应电阻抗成像的颅内肿瘤早期检测的基础研究

Intracranial tumor is one of popular diseases of central nervous system. It is a serious threat to human health due to high disability rate and high death rate. Current clinical examination technologies are able to diagnosis this disease. However, they are difficulty to be large scale applied because of invasion, ray radiation, huge volume or high cost. So, intracranial tumor is not easy to be early detected. There are obvious different electrical impedance characteristic between normal and tumor tissue. Moreover, the difference comes out in the early stage of diseases. Through detecting the electrical impedance of the subject, we can early find tumors. Magnetic induction tomography (MIT) is the non-contact branch of electrical impedance tomography. MIT has many advantages, such as non-invasive, non-radiation, non-contact and repeatable. Therefore, MIT is a kind of appropriate technology to early detecting intracranial tumor. Based on our previous research, we plan to detect the static electrical impedance distribution in brain to find intracranial tumor using MIT. Firstly, we will apply the precise impedance matching, under-sampling, circuits thermostatic controlling and digital attenuation in exciting module to promote the performance of the data acquisition system. Secondly, we will study quasi-static algorithms or practical static algorithm to reconstruct the current electrical impedance distribution images. Thirdly, we will verify and promote the whole MIT experimental system by physical phantom experiments and animal trials. Our research aims to provide a novel technology to early detecting intracranial tumor.

颅内肿瘤是常见中枢神经系统疾病，致残致死率高，对健康威胁严重。现有临床检查技术虽能胜任诊断任务，但因有创、射线辐射、体积大或费用高等原因不适于大规模检查，不利于早期发现。正常组织与肿瘤组织的电阻抗特性有显著差异，且在病变早期即有表现，通过检测电阻抗可早期发现肿瘤。磁感应断层成像是非接触的电阻抗成像技术，具有无创、无辐射、非接触、安全可重复等优点，是颅内肿瘤早期检测的适宜技术。本项目拟在前期研究基础上，针对颅内肿瘤电阻抗静态分布特征，通过磁感应断层成像来探测当前颅内电阻抗分布，从而发现已经存在的颅内肿瘤。为此，拟采用精密阻抗匹配、数字降频、电路温控、激励端数字衰减等方法，提升数据采集系统的整体性能；同时，研究准静态或实用化静态成像算法，重建当前时刻电阻抗分布图像；然后，采用物理模型实验以及动物模型实验来验证系统的性能并逐步优化。本项目的研究将为颅内肿瘤早期检测提供一种新的技术手段。

颅内肿瘤是常见中枢神经系统疾病，对健康威胁严重。现有临床检查技术因有创、射线辐射、体积大或费用高等原因不适于大规模检查，不利于早期发现。正常组织与肿瘤组织的电阻抗特性差异显著，在病变早期即有表现，故检测电阻抗可早期发现肿瘤。磁感应断层成像是非接触电阻抗成像技术，具有无创、无辐射、非接触、安全可重复等优点，是颅内肿瘤早期检测的适宜技术。.本项目从数据采集系统、多频成像算法和模型成像实验三个方面对磁感应断层成像检测颅内肿瘤开展基础研究。在数据采集系统方面，通过切换多种电路状态实时测算测量线圈与激励线圈的电阻抗、用AD取代模拟乘法器进行数字降频等方法提升系统性能，同时将激励频率从单一、三种直至扩展为21种，最终完成了多频高精度数据采集系统。在多频成像算法方面，提出了时间差分和频率差分相结合的准静态算法，通过引入空气数据帧以降低系统误差，通过加权频率差分突显频率差异导致的电阻抗分布变化，在数值模型上能对设定目标进行频差准静态成像。编程实现了软件系统，完成了软硬件的联调，构建了小型化的多频MIT实验样机。采用预热后40分钟测量数据评估样机21种频率的性能，18种频率下SNR>54dB、精度<0.2%，13种频率下SNR>60dB、精度<0.1%。利用该样机开展系列物理模型实验，分别对非生物背景和扰动目标、生物扰动目标、生物背景和扰动目标三类情况进行实验，均可成像，其中最小扰动目标为5mL离体兔血。接下来采用家兔腹部注射模型，进行了两个注射位置在体多频成像实验，多种双频率组合的加权频差图像均可以正确反映注射位置。鉴于MIT样机非接触、人体安全且采集耗时短等优势，最后尝试对2例人体肿瘤进行多频MIT检测，某些双频率组合的加权频差成像的目标与CT图像的肿瘤位置基本吻合。.总之，本项目系统研究了针对颅内肿瘤检测的准静态磁感应断层成像技术，展示出较好的可行性和应用前景。