脑电阻抗断层成像技术（Electrical Impedance Tomography，EIT）是EIT技术临床应用研究的一个重要方向。它具有EIT技术的无损、无害、连续监护和功能成像的优势。与其他部位的EIT技术相比，脑阻抗成像面临的一个特殊问题是电导率相对比较低的颅骨对脑EIT成像会产生较大的影响，一方面会降低系统对颅内阻抗变化的灵敏度，另一方面会影响系统的定位精度。 本文在分析了目前国内外脑EIT研究现状的基础上，针对如何评价颅骨对脑EIT的影响这一关键问题，围绕着用于脑EIT研究的头部阻抗物理模型进行了如下的研究工作： 1）通过实验选择并使用上海硬石膏在头部阻抗物理模型中模拟颅骨建立一个用于脑EIT研究的含颅骨层的头部阻抗物理模型，可以在实验中更好地模拟真实的头部电导率分布，为研究颅骨对脑EIT成像的影响、评估驱动模式、改进成像算法和数据采集系统提供良好的基础。建立头部阻抗物理模型的关键在于模拟颅骨材料的选择。本文中，首先通过阻抗分析仪系统测量了常见的五种口腔科石膏在空气中和饱和4 CaSO 溶液中的电阻抗，结果发现上海硬石膏的电导率(0.0130±0.00125 Sm-1)与颅骨电导率最为接近，加之其物理性质稳定、流动性好、加工容易、成型后表面光滑而坚固，因而初步选择上海硬石膏作为模拟颅骨的材料。进一步的实验还发现：上海硬石膏的电导率的时间稳定性很好，从浸泡在饱和4 CaSO 溶液中第8天起到第25天所有6个样本的电导率的均值和标准差为0.011731?à0.000643 Sm-1；上海硬石膏粉与蒸馏水的配比与其电导率的稳定值之间存在一个近似线性的关系；上海硬石膏的稳定电导率值在激励频率从1Hz到1MHz的范围内变化时，基本保持稳定。实验结果证明，上海硬石膏达到了在头部阻抗物理模型中模拟颅骨的要求，适合用于EIT头部阻抗物理模型。 2）建立了含均匀及非均匀电导率分布的仿真颅骨的头部阻抗物理模型建立了两个头部阻抗物理模型：圆筒形模型和简单半球形模型。模型中，将电导率值稳定的上海硬石膏加工成厚度约为4~5mm的电导率均匀分布或非均匀分布的石膏球壳，将这些石膏球壳同心地固定在模型内用来模拟电导率均匀分布(均质)或者非均匀分布(非均质)的颅骨。容器内充满饱和4 CaSO 溶液来模拟头皮和脑组织的电导率分布。相对于圆筒形模型，半球形的模型中激励电流的分布更加接近真实人体测量。 3）基于头部阻抗物理模型的成像实验基于含均质颅骨的圆筒形模型、含均质及非均质颅骨的简单半球形头部阻抗物理模型和高定位精度的半球形物理模型，分别对无颅骨、含均质和非均质颅骨条件下，模型内具有不同电导率、大小和位置的扰动目标进行了EIT成像实验。结果表明，如果在当前的重构算法中采用均匀电导率分布的正向计算模型，对来自含有均质颅骨、单侧非均质颅骨和对侧非均质颅骨的头模型的数据进行图像重建，则最大定位误差分别为11.5％、26.7％和17.8％，即采用电导率均匀分布的正向计算模型和含有单侧非均质颅骨的头模型的数据进行图像重建时，定位误差最大。这一结果提示我们，在重建算法的正向计算模型中，我们必须充分考虑颅骨电导率非均匀分布这一因素，否则会严重影响脑EIT的定位精度。 磁感应断层成像技术(Magnetic Induction Tomography，MIT)是EIT技术的一个相对较新的研究领域。其独特的磁场激励方式和非接触的检测技术，一方面使激励场更容易地穿透电导率较低的组织(如颅骨)，因而对成像区域的中心部分更加敏感；另一方面还减小了使用体表电极带来的接触阻抗、电极摆放的误差等问题。因此，MIT技术在脑阻抗成像方面具有潜在的优势。但是其研究起步较晚，理论较为繁复，技术实现难度较大，目前尚处于基础研究阶段。本文在分析了国内外MIT技术最新研究进展的基础上，在MIT技术基础研究方面主要进行了以下工作： 1）单线圈的MIT数据采集系统的改进及初步的测量 实验基于NI的数据采集板6024E，用LabView6.0开发了磁感应电导率测量的接口软件，其功能有：可编程或单步控制步进电机来精确调整激励线圈和测量线圈的相对位置，进行测量实验；双通道的数据采集功能，可以软件控制采样速度和精度；数据采集的实时显示和回放功能。基于该单线圈MIT测量系统，还进行了目标电导率与感应的电压的相移和幅值的关系，场域的敏感性分布等实验。实验结果与理论分析相吻合。 2）推导了MIT的正问题 从Maxwell电磁场方程组出发，详细推导了MIT的正问题。采用二维结点基有限元方法，以Visual C++ 2003.NET为工具编程求解了MIT正问题对应的开域时谐准静态涡流场的边值问题。然后，对单线圈的以及16线圈的MIT测量实验进行了仿真。仿真结果与实测结果良好的一致性证明了MIT正向计算的有效性，为MIT逆问题的解决奠定了基础。 3）用修正的Newton-Raphson算法求解了MIT的逆问题 首先，采用基于互易定理的方法，利用正问题的求解结果，计算了MIT的敏感矩阵。然后，推导并编程实现了Newton-Raphson迭代算法来求解MIT的逆问题。为降低MIT逆问题的病态性，还采用了基于奇异值分解(SingularValue Decomposition，SVD)的正则化技术。通过比较，发现使用特征值门限正则化方法的实际效果较好。 4）仿真成像实验 首先，在仿真测量数据中添加噪声(0.5％的高斯白噪声)和不添加噪声条件下，重建出了成像区域内单个或多个不同电导率的扰动目标，初步证明了当前MIT成像算法较好的抗噪性能。其次，通过仿真实验证明增大激励频率、增加线圈数都会增加MIT对局部区域电导率扰动的敏感度，进而提高重构图像的质量。这些结论与理论分析一致。然后，基于一个含有电导率均匀分布颅骨的三层同心圆头模型，进行了头部MIT仿真成像实验。结果显示，当模型中头皮、颅骨和脑的电导率比值分别设置为： 1 1: :120， 1 1: :140和1 1: :180时，重构图像的对比度并无明显变化，只是重建出的单元电导率数值有所变化。 总之，本论文以电阻抗图像监护技术为总体研究目标，主要围绕着脑EIT中的头模型及MIT成像算法这两个方向开展研究工作，主要的创新有： 1）通过实验证明上海硬石膏能够用于头部电阻抗物理模型中模拟颅骨并在国内首先建立了含电导率均匀分布及非均匀分布颅骨的头部阻抗物理模型； 2）在国内外，首先通过实验研究证明，基于目前在EIT重建算法中普遍采用电导率均匀分布的正向计算模型，颅骨电导率非均匀分布的特性将对脑EIT定位精度产生显著影响。提示通过在成像算法中添加颅骨电导率非均匀分布的信息，将有望提高脑EIT的定位精度； 3）在国内，首先实现了用于二维MIT成像的修正的Newton-Raphson算法； 4）首次在仿真实验中证明了颅骨对MIT成像影响微小，揭示出MIT技术在脑阻抗成像方面的潜在价值。