奇异值分解法用于MR灌注成像脑血流量估计的仿真研究

MR脑灌注成像是MR方法中提供代谢能力度量的唯一途径,对于疾病诊断和治疗效果评估有重要意义.MR灌注成像灌注参数的确定本质上是一个逆问题的求解过程,对一种求逆估计方法一奇异值分解法的逆问题性质进行了研究.在对奇异值分解法进行理论推导后,设计仿真方案,分别针对不同的信噪比进行仿真实验,并对动脉输入函数的延迟与失真进行分析...     

磁感应法检测肝脏铁过载的原理分析与仿真

目的:研究磁感应法检测肝脏铁过载的基本原理和可行性,以及前人对磁感应线圈系统进行理论分析中的不足之处,为磁感应线圈系统的设计和改进提供理论指导。方法:通过分析肝脏组织磁化率测量原理建立肝脏铁浓度与肝脏磁化率的关系;将磁感应线圈系统模型进行简化给出由介质磁化效应所引起相对磁场扰动的完整推导过程;结合实际测量情况指出先前研究中将激励线圈视为磁偶极子存在的理论缺陷,计算激励线圈的实际空间磁场分布;借助电磁场仿真软件仿真圆盘形介质的磁化率、几何尺寸以及球形、椭球形介质的磁化率与接收线圈信载比实部的关系曲线。结果:将激励线圈视为磁偶极子会导致激励线圈的空间z向磁场分布值比实际值偏小;圆盘形介质、球形介质和椭球形介质的磁化率与接收线圈信载比实部均基本成线性关系变化;接收线圈信载比实部随圆盘形介质半径的增大逐渐减小、但与圆盘形介质厚度没有明确的变化关系。结论:理论分析与仿真结果证实了磁感应法检测肝脏铁过载的可行性,说明前人的分析存在理论误差,对今后更为深入的研究有一定帮助。     

万东i-open磁共振信噪比的测试

目的:通过对MRI设备信噪比的检测,及时发现设备存在的问题并加以解决。方法:利用两种测试方法(国家标准方法、包尚联教授的方法)分别测试万东i-open磁共振设备头线圈、颈线圈和体线圈的信噪比,比较不同线圈在两种测试方法下的信噪比并分析结果。结果:测试计算出的信噪比均低于标准值,证实了测试设备的信噪比偏低且不同线圈的信噪比存在差异。结论:所测试MRI设备的信噪比低于标准值,可能与磁屏蔽不良有关。     

头部组织感应电流磁共振电阻抗成像仿真研究

将感应电流磁共振电阻抗成像(IC-MREIT)应用于人体头部组织电导率重构,并在三层球头模型上进行仿真研究.首先建立二次磁场Z方向磁感应强度摄动对有限元头模型中单元电导率摄动的灵敏度矩阵;然后分析系统中激励线圈个数、激励线圈与三层球头模型相对位置及激励线圈半径等因素对灵敏度矩阵性态的影响,为IC-MREIT系统激励线圈优化设计提供指导;最后采用灵敏度矩阵法对三层球头模型非均匀电导率分布进行重构,仿真结果证明IC-MREIT技术用于重构头部组织电导率分布是可行的,在无创头部组织电导率检测领域具有潜在的应用价值.     

用于经颅磁刺激铁芯线圈的仿真研究

目的 研究铁芯线圈感应电场的仿真方法,分析铁芯截面大小对线圈性能的影响.方法 针对铁芯线圈结构复杂及存在非线性介质的特点,采用有限元分析软件Ansoft对铁芯线圈模型进行瞬态磁场仿真,求解不同铁芯大小的线圈模型在空间域的感应电流分布,利用静态仿真求解电感值.结果 计算出不同线圈在深度5 mm沿坐标轴的电场分布曲线,并统计曲线中旁峰值与最大值之比.对比仿真结果发现随着铁芯截面增大,线圈的刺激强度与电感值增加,聚焦性能先增强后减弱.当铁芯截面约为空心区域面积1/16时,铁芯线圈聚焦性最好.结论 本研究对带铁芯磁刺激线圈的设计具有参考作用.     

磁感应断层成像中激励线圈参数的选取

磁感应断层成像(MIT)是一种新的生物组织电特性成像方法。在MIT系统中,激励线圈的设计直接影响了线性检测范围和检测灵敏度。为了改善涡流感应区域磁场分布,在不同的MIT激励线圈半径、匝数、线径情况下,建立三维四层同心球头模型,进行三维瞬态有限元计算,并分析其对成像区域轴向磁感应强度和检测线圈感应电压的影响。研究结果表明,当增大激励线圈半径,增大线径及减少匝数时,检测线圈附近的轴向磁感应强度增加,线性检测范围扩大,检测深度增大。该研究对MIT系统设计具有重要的指导意义。     

近红外光断层成像逆问题的优化算法

我们给出了近红外光断层成像逆问题的求解方法,建模和仿真可以获得生物组织的光学系数分布.根据有限元求解玻尔兹曼方程的正向问题方法,利用有限元方法多物理场耦合分析软件包(Femlab)进行建模和正向问题的求解,将此结果作为优化仿真时的数据;把成像逆问题的求解转化为一个优化问题来处理.通过仪器测量数据与理论数据构造标准差优化函数进行光学参数的优化,多参数无约束优化算法主要采用了多种编码的多群体遗传算法.最后给出了利用Femlab和遗传算法求解近红外光断层成像逆同题的完整步骤和仿真结果,验证了本文的方法准确地解决了近红外光断层成像的逆问题.     

混合MOM/FDTD电磁分析方法及其在MR射频线圈设计中的应用

研究的目的在于增强磁共振射频线圈仿真的真实性,提高射频线圈设计水平,从而提高线圈的成像质量。充分利用矩量法（MOM）在计算复杂结构线圈上电流分布的优势,以及时域有限差分（FDTD）方法在仿真人体模型等复杂的不均匀电磁介质中的优势,通过惠更斯等效面将MOM和FDTD有机地结合到一起,形成混合MOM/FDTD射频线圈设计方法,并提出一种新的真实人体电磁模型建立方法,融入到混合方法中,充分考虑线圈与真实人体组织之间复杂的电磁相互作用。由该方法设计的原型线圈扫描图像的信噪比达到193.4dB,相比先前未考虑人体与线圈之间作用的方法,所以得到的图像信噪比提高了38.7 dB,从而验证了仿真设计的正确性。     

通过脑电偶极子进行视觉诱发响应的动态提取

透发电位的动态提取在临床医学及神经科学研究中有重要意义。本文以按国际１０／２０电极系统测得的１６导脑电记录为原始数据、通过空间分析（包括奇异值分解、主分量分析、空间滤波、相关去噪声等），在定位出的脑电偶极子的协助下，充分利用观察数据中的时空信息，以达到动态提取的目的。提出一种“空间因子求逆法”来最优地估计偶极子参数，并降低噪声对求逆的影响。目前已达到由连续两次刺激记录便可提取视觉诱发响应。这一方法的主要局限是要求信号在被处理的时间范围内保持空间模式基本不变。计算机仿真和临床数据分析证明了方法的可行性。     

一种基于静态场磁化原理的肝脏铁过载检测方法

磁感应法通过测量肝脏组织磁化率来实现无创检测肝脏铁过载。为解决涡流效应对磁化率测量干扰的问题,针对线圈系统提出一种基于静态场磁化原理的改进方法:即采用直流激励方式消除涡流效应影响,通过旋转接收线圈获得感应电压。计算了圆柱形介质由于磁化效应产生的磁场,推导了接收线圈最大感应电压相对变化量表达式。对改进的线圈系统建模仿真,得到了介质磁化率与接收线圈最大磁通量、最大感应电压和最大感应电压相对变化量的关系,并将仿真结果与理论计算结果进行对比。结果表明,仿真结果与理论计算结果能够较好吻合,该方法可以有效消除涡流效应影响。     

用于DBS手术机器人系统的MRI射频线圈优化设计

基于一个传统脑深度刺激术 （Deep Brain Stimulation,DBS）手术机器人配合实时磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）导航系统,设计一款有高开放性的八通道相控阵列头部线圈。对磁共振接收线圈链路功能进行分析,配合线圈开放性需求,运用Proteus软件设计功能电路并集成于3.76 cm×3.54 cm空间内,将电路应用于平面线圈阵列并对人体腹部成像验证可行性。确立硬件电路部分可行性后,针对手术机器人系统进针空间需求,对当前头部射频接收线圈结构进行高开放性的优化并运用HFSS仿真软件设计建模。仿真结果显示反射系数均达-40 dB,相邻线圈基本优于-10 dB。为DBS手术机器人实时MRI影像导航提供高信噪比与开放性的射频接收线圈奠定技术基础。     

重复经颅磁刺激仪的优化设计

本文建立了RLC磁刺激仪模型 ,给出了模型参数计算方法。将磁刺激系统的性能指标分为三部分 :反映磁刺激仪输出性能的损耗能量 ;反映线圈输出性能的峰值磁能 ;反映线圈结构的几何变量。在给定磁刺激条件下 ,调整平面螺旋线圈的结构并计算出依赖于线圈结构参数的磁刺激仪和线圈输出性能值 ,从而 ,寻找最优的系统参数。优化结果表明 :线圈外半径和线的直径 (或截面面积 )是关键因素 ,选择合适的线圈外半径和线结构可以大大降低功耗 ,提高磁刺激频率 ,解决线圈发热问题     

基于最大似然算法的心电逆问题研究

心电逆问题是通过测得的体表电势分布求取心外膜电势分布的过程,具有重要的临床意义和生理意义.本文采用有限元方法对心脏和体腔进行二维建模并求解心电正问题,然后构建状态空间方程,建模得到的体表电势与心外膜电势之间的关系为系统的测量方程,相邻时刻状态之间的关系为系统的状态方程.对于参数的不确定性问题,建立似然函数,引入期望最大化(Expectation Maximization,EM)算法来求解,步骤E(Expectation)采用卡尔曼滤波对参数进行估计,步骤M(Maximization)利用似然函数重新估计约束,步骤E,步骤M循环迭代.最后对整个过程进行仿真,结果显示采用期望最大化(EM)算法时,解的收敛性要好于传统的卡尔曼滤波的解,相对误差也可以得到大幅度的降低.     

用双频率电磁感应法测量人的眼运动

本文描述一种适合实验室研究工作用的眼运动测量方法。把一个小线圈附着在眼球上,同时在受试者头部周围空间建立交变磁场,根据感生电压可以测定眼球的方位。作者在试制这种装置时采用双频率电路方案以实现对水平、垂直两方向眼运动同时测量,较好地克服了两个测量通道之间的互相干扰,电略也比较简单。实测该原型装置的分辨率优于0.1°、准确度约3％、电路带宽320Hz、最大测量范围±30°,基本上能满足各种眼运动实验的需要。     

小孔径正交相控阵小动物实验线圈磁共振成像质量研究

目的 比较小孔径正交相控阵小动物实验线圈与C3表面线圈在大鼠头部磁共振成像(MRI)检查的成像质量.方法 将10只雄性SD大鼠分别应用2种线圈进行头部MRI检查.测量大脑皮层、小脑、脑干、肌肉及眼球内的房水等部位的信号强度及背景噪声值,计算信噪比(SNR);由2位放射科医生对图像质量进行评分,将测量数据进行统计分析.结果 所有图像均得到了大脑皮层、小脑、脑干、肌肉及眼球内的房水等部位的SNR值.两种线罔成像质量比较,大脑皮层T1WI横断位(SNRsense-body=41.3±23.5;SNR C3=10.3±0.5;t=-3.21)、T2WI矢状位(SNR sense-body=63.8±16.6;SNR C3=37.9±4.4:t=-4.00)以及T2WI冠状位(SNR sense.body=91.6±23.8;SNR C3=38.5±11.8;t=-5.69)图像SNR差异均有统计学意义(P＜0.01);且在小脑、脑干以及眼球房水测量的结果亦相仿;肌肉组织仅在T1WI横断位(SNR sense-body=39.9±21.1;SNR C3=8.3±1.7;t=-3.64)和T2WI冠状位(SNR sense-body=23.5±9.8:SNR C3=11.9±4.1;t=-3.10)的SNR差异有统计学意义(P＜0.01).采用小孔径正交相控阵线圈检查获得的图像中T2WI冠状面得分最高,而2种线圈检查获得的弥散加权成像(DWI)图像质量评分均最低.结论 在大鼠头部成像MRI检查中,小孔径正交相控阵小动物实验线圈的信噪比和图像质量优于现在经常应用的C3表面线圈.     

基于奇异值分解方法的磁感应磁声断层重建算法

为了提高磁感应磁声成像的成像分辨率,克服低信噪比的磁声信号对磁感应磁声成像重建效果的影响,本研究基于实验系统参数及磁声声源产生传播接收过程,建立了一个磁感应磁声实验系统矩阵,采用截断奇异值分解(TSVD)方法求解了该系统矩阵的特征值及逆矩阵,并将该系统矩阵应用到磁感应磁声成像的正逆问题算法中。为了验证该算法的普适性,建立了一个具有不同形状的电阻抗分布仿体模型,使用Matlab计算数值,得到了三种不同条件下的重建结果。仿真结果证明:该算法在信噪比较高的情况下重建的电导率分布与原始电导率分布基本一致,且能够在信噪比较低的情况下较好的重建电导率分布。该研究为进一步实验研究和实验重建的精确性提供了研究基础。     

磁感应方法检测脑组织电导率的FDTD仿真研究

为进一步优化和改进MIT（magnetic induction tomography，MIT）实验系统，采用FDTD（finite difference time domain）方法，对MIT单通道测罱系统进行仿真研究。根据天线理论，将激励线圈近似为螺线管，模拟为一系列电磁源。脑模型考虑颅骨、脑脊液、脑组织和水肿。在10MHz频率，测最与激励线圈同轴时，对自由空间、均匀脑模型、三层脑模型和含水肿的三层脑模型进行仿真计算，获得了上述四种情况下测量线圈上的电流值和激励电流与测量电流的相位差值。     

基于正则化方法的加权最小模估计在脑磁源成像中的应用

脑磁图 ( m agnetoencephalography,MEG)逆问题的研究 ,根据点源和分布源两种源模型 ,可分为偶极子定位和磁源成像两大类求逆方法。采用非参数的分布源模型 ,MEG逆问题转化为一个病态的欠定方程组的求解。本文系统地阐述了结合 Tikhonov正则技术的加权最小模磁源重建方法 ,着重介绍了深度归一化算法、低分辨率脑电磁断层成像技术、局部欠定系统解法、选择性最小模方法 ,此外还从广义的加权最小模估计角度对最大熵重建方法 ,融合其它脑功能成像技术的方法以及最大后验概率估计方法加以解释和分析。不同的磁源成像方法目的都是通过引入合适的约束条件 ,从算法公式本身及神经细胞活动的特性中加以修正 ,减少逆问题的不适定程度 ,因此均可认为是使用正则方法来约束解空间 ,从而获得与测量磁场数据相拟合的并具有神经生理学和解剖学意义下的最合理的解。基于正则化技术的加权最小模估计是 MEG逆问题研究中最早开展、并已被广泛应用的磁源分布图像重建方法 ,本文给出了一个较为完整的理论发展框架     

脑电逆问题的建模与仿真

从头皮电位的分布推算脑电活动源的脑电逆问题的关键之一是头模型的建立.作者利用CT扫描图像,建立了更接近实际情况的头的双层边界模型,并且用边界元方法求解脑电正问题.文中提出一种"两步法"有效地解决了正问题求解中的数值计算病态,并使模型误差限定在一定范围之内.脑电求逆是一个非线性最小均方优化问题,可利用Marquardt算法进行,其中电位对偶极子参量偏导阵同样可通过"两步法"解决.在求逆过程中,另一个问题是噪声的影响,本文通过仿真计算验证了求逆结果对噪声的敏感性,并初步探索了用奇异值分解技术和时空全局优化方法来消除和抑制噪声的效果.     

运动原皮质的磁刺激——理论探讨

本文的主要目的是提出一种在磁刺激下大脑组织产生的电场的计算的第一次近似模型。按照感应电场和具有不同半径和位置的线圈产生的电流密度的不同,其研究结果分类给出。非传统的线圈位置和安装也被考虑了进去(例如多线圈排列)。模型模拟研究表明,通过适当安排线圈位置可获得对激励传播的有效控制。预测该技术的主要缺点之一是将电流传播限制在大脑的一个较小区域内的性能较差,该缺点可以采用更有效的线圈位置和/或装配加