脑功能区阻抗地形图检测与成像方法研究

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电磁检测为脑功能活动及其状态监测提供了重要的研究方法。大脑的神经活动往往伴随着局部脑血流量的迅速增加,由于血液的电导率高于脑部其他组织,局部脑血流量的变化会导致脑部相应区域的电阻抗发生变化,因此对脑血流循环调节过程进行阻抗检测可以间接表征大脑的功能神经活动。本文在脑阻抗相关研究的基础上,提出了基于分布式电极阵列的脑血流阻抗检测及成像方法,利用地形图法对脑血流阻抗特征进行表征,实现分布式脑血流阻抗成像。首先,根据大脑的神经血流调节机制,建立了脑部血管体积、血管顺应性与血流阻抗之间的数学模型来描述血流量变化引起的脑功能区阻抗变化,基于脑血流阻抗检测原理及方法建立了颅脑仿真模型和电极阵列模型,依据模型的不同分割方式及电极分组方式,设计了脑血流动态阻抗仿真实验,模拟了不同脑功能区出现血管顺应性变化时脑血流量的动态调节过程。其次,通过仿真的电位结果计算了脑血流阻抗数据,对其特征参数进行了提取和分析,并利用地形图法对脑血流阻抗信号特征的动态变化过程进行了表征。通过仿真实验计算证明,脑血流阻抗信号的微分峰值及阻抗变化量这两种特征不适用于地形图成像,而血管体积变化率与传导压的峰值时间间隔可作为检测脑血流神经调节过程的一种有效特征,将该特征映射至地形图能够获取神经调节作用下血流变化的位置信息。再次,研究了分布式脑血流阻抗图像重建问题,针对简化的正问题线性模型提出了相应的灵敏度矩阵求解方法,依据脑阻抗静态仿真实验的测量结果,利用线性迭代(Landweber)算法、吉洪诺夫正则化(Tikhonov)算法、硬阈值迭代(IHT)算法完成了分布式脑血流阻抗成像逆问题的求解,并对重建图像质量进行了评估。成像结果表明,三种算法均能实现分布式阻抗成像,且Tikhonov结合IHT算法的重建图像质量较好,伪影较少。最后,对比分析了地形图及图像重建两种成像方法所得图像。实验结果表明,本文所提出的阻抗检测及成像方法能够检测脑血流的神经活动过程,为脑功能研究提供了一种安全、连续的检测方法。两种成像方式结合能够提供更全面的脑血流阻抗信号的特征,实现对脑血流阻抗变化区域的定位,对于脑功能成像及脑血流实时连续监测都具有重要意义。
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