CN110859636B - 一种对尿液电导率不敏感的动态膀胱体积测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对尿液电导率不敏感的动态膀胱体积测量方法，涉及电阻抗层析成像技术在膀胱尿量监测领域。首先测量前通过MATLAB调用EIDORS函数对人体腹部进行有限元仿真模拟；在膀胱底面往上距离h的位置，在人体周身表面设置n个电极，构建重建图像；然后利用重建图像中膀胱区域的各像素点的坐标和像素值，提取边缘效应特征值；建立边缘效应特征值与膀胱体积的拟合方程；对拟合方程中的待定拟合系数进行求解；最后针对实际患者，以患者的膀胱排空时为参考帧，使用时间差分法，对当下时刻相对参考帧进行重建图像；利用重建图像提取患者的边缘效应特征值，带入拟合方程中映射得到该患者的膀胱体积。本发明减小了尿液电导率带来的影响。

Description

一种对尿液电导率不敏感的动态膀胱体积测量方法
技术领域
本发明涉及电阻抗层析成像技术(EIT)在膀胱尿量监测领域的应用，具体涉及一种对尿液电导率不敏感的动态膀胱体积测量方法。
背景技术
目前常见的膀胱体积测量方法有计算机断层成像(Computed Tomography,CT)和超声法。CT具有较高精度，但其辐射较高，操作复杂，价格昂贵等原因限制了其在日常的膀胱体积检测方面的应用。超声对比计算机断层成像相对操作简单，无害且可多次检查，但其使用仍限制在医院及专业人员。此外这两种方法都是静态测量，无法实时监测膀胱体积。
电阻抗层析成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)方法与传统的膀胱体积测量方法相比，具有实时性，非入侵，安全无辐射以及价格低廉的优点，能对膀胱体积进行动态测量。
目前EIT膀胱体积测量方法常用的有全局阻抗法，等效圆直径法，神经网络法以及奇异值差分法；如文献1：T.Schlebusch,S.Nienke,S.Leonhardt,and M.Walter,‘基于电阻抗断层成像的膀胱容积估计’,生理学测量；,第35卷,9号,pp.1813–1823,2014年9月。
但全局阻抗法，神经网络法以及奇异值差分法对膀胱体积的测量均易受到尿液电导率变化的影响；等效圆直径法对尿液电导率变化不敏感，但其测量精度较差。人体尿液电导率受到生活习惯和饮食结构等因素的影响，不同个体间甚至同一个体的不同时间均有不同；由于上述原因，EIT方法测量膀胱体积的精度提高受到限制。
发明内容
针对上述本领域存在的问题，本发明提供了一种对尿液电导率不敏感的动态膀胱体积测量方法，能够改善膀胱体积测量的线性度，同时相比于传统方法，本方法膀胱体积的测量受尿液电导率变化的影响减小且保证了测量的精度。
具体步骤如下：
步骤一、测量前通过MATLAB调用EIDORS函数对人体腹部进行有限元仿真模拟；
仿真包括人体轮廓，膀胱形状；以及膀胱电导率和腹部除膀胱外的周围组织的电导率。
步骤二、在膀胱底面往上距离h的位置，在人体周身表面设置n个电极，构建重建图像；
电极覆盖的弧长占人体周长的比例为α；
每次测量时，将n个电极中的相邻两个电极作为一对，依次激励和测量，通过测量电压信号和有限元模型，对人体内部电阻抗的分布进行反演，即重建图像；图像中不同像素点大小表示不同的电导率大小。
步骤三、利用重建图像中膀胱区域的各像素点的坐标和像素值，提取边缘效应特征值；
边缘效应的产生是由于激励测量电极产生的电场线不仅存在于电极平面，同时向第三维扩散，这导致当EIT传感器对电极平面外的物体成像时，物体在重建图像中的位置会发生偏移。
边缘效应特征值g计算公式为：
Figure BDA0002315441850000021
N表示重建图像中膀胱区域像素点个数；pi为第i个像素点的像素值，yi为重建图像中以左上角为原点的第i个像素点的纵坐标。
步骤四、建立边缘效应特征值与膀胱体积的拟合方程；
V膀胱＝a·g-4+b
V膀胱为膀胱体积，a和b分别为待定拟合系数。
步骤五、对拟合方程中的待定拟合系数进行求解；
具体求解过程如下：
首先，选择膀胱空和膀胱满两种情况，分别对膀胱进行多次成像，计算两次的边缘效应特征值；
膀胱空以刚排尿后作为膀胱体积0ml。
膀胱满通过两种情况进行确定：通过膀胱叩诊法确定和通过测量设备进行确定。
然后、根据膀胱空和膀胱满两种情况下的膀胱体积，以及两次的边缘效应特征值计算待定拟合系数a和b。
步骤六、针对实际患者，以患者的膀胱排空时为参考帧，使用时间差分法，对当下时刻相对参考帧进行重建图像；
步骤七、利用重建图像提取患者的边缘效应特征值，带入拟合方程中映射得到该患者的膀胱体积。
本发明的优点在于：
一种对尿液电导率不敏感的动态膀胱体积测量方法，是相对于全局阻抗方法，从图中能够看出改善了线性度，且边缘效应是基于图像特征的，而不是基于像素点的，从而减小了尿液电导率带来的影响。
附图说明
图1为本发明一种对尿液电导率不敏感的动态膀胱体积测量方法的流程图；
图2为本发明人体腹部有限元模型示意图；
图3为本发明四端子系统示意图；
图4为本发明边缘效应原理示意图；
图5为本发明不同参数下边缘效应特征值变化图；
图6为本发明不同参数下全局阻抗变化图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明的实施方式做详细、清楚的描述。
传统的全局阻抗这类指标测量膀胱体积，本质上是对躯干成像，然后对二维图像的全部像素点进行加和，以全局阻抗的增加来表征膀胱体积的增加。这种体积测量方法有两个潜在问题：1)二维图像全部像素点的加和，意味着将非膀胱区域所成图像也进行了计算，如肠胃，盆骨等；2)当尿液电导率变化时，图像像素点值的变化不仅反映了膀胱体积的变化，也反映了尿液电导率的变化。实际上，不同个体间或同一个体在不同时间，受饮食等因素影响，尿液电导率不大相同。测量原理上的这两个误差，是造成EIT膀胱体积监测无法应用于临床测量的重要障碍。
本发明应用EIT边缘效应的膀胱体积测量方法能够很好的解决以上两个问题：1)边缘效应特征值只需膀胱区域进行运算，避免了其他位置器官变化引起图像的变化对膀胱体积测量的影响；2)当尿液电导率变化时，由于引起边缘效应的原因只与物体距传感器平面的距离有关，而与物体的电导率无关，也就是说，边缘效应特征值的变化，仅与膀胱形状的变化相关，而与尿液电导率无关，从而排除尿液电导率的影响。此外，在使用边缘效应的膀胱体积测量能够一定程度改善结果的线性度。
本发明一种对尿液电导率不敏感的动态膀胱体积测量方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一、测量前通过有限元模型对人体腹部进行仿真模拟；
仿真包括人体轮廓，膀胱形状；以及膀胱电导率和腹部除膀胱外的周围组织的电导率。通过MATLAB调用EIDORS中的函数进行有限元仿真，有限元模型如图2所示，图中腹部轮廓仿照人体腹部，灰色部分为膀胱。
步骤二、在膀胱底面往上距离h的位置，在人体周身表面设置n个电极，构建重建图像；
电极覆盖的弧长占人体周长的比例为α，本实施例中电极个数n为16。
每次测量时，将16个电极中的相邻两个电极作为一对，依次激励和测量，通过测量电压信号和有限元模型，对人体内部电阻抗的分布进行反演，即重建图像；图像中不同像素点大小表示不同的电导率大小。
步骤三、利用重建图像中膀胱区域的各像素点的坐标和像素值，提取边缘效应特征值；
边缘效应的产生是由于激励测量电极产生的电场线不仅存在于电极平面，同时向第三维扩散，这导致当EIT传感器对电极平面外的物体成像时，物体在重建图像中的位置会发生偏移。
对边缘效应进行说明，对于四端子系统，重建图像中物体大体位置能够用下式计算：
Figure BDA0002315441850000041
该简化模型如图3所示，式中η表示收敛比，E表示电势，q1表示激励电极对，q2表示测量电极对，ρ1表示物体p到激励电极对q1的距离；ρ2表示物体p到测量电极对q2的距离；p`表示物体p在重建图像中的位置，d1表示位置p`到激励电极对q1的距离，d表示激励电极对q1到测量电极对q2之间的距离，z表示物体到电极平面的距离。
通过这个公式，能够建立物体到电极平面距离与重建图像中物体位置之间的关系。如图4所示，展示了到电极平面不同距离小球的重建图像，从图中能够明显看出物体距离电极平面越远，重建图像中物体位置越靠近中心。
膀胱在体积增大过程中，沿腹壁向上延伸，且底部位置几乎不变，整个膀胱的几何中心在膀胱体积增大的过程中向上变化。可利用边缘效应，对重建图像进行处理，提取边缘效应特征值，反映膀胱几何中心的位置变化，而这种位置变化与膀胱体积单调相关，从而进行膀胱体积测量。
通过计算重心来表征重建图像中物体位置的移动。对于膀胱体积测量这一应用，为避免非膀胱区域成像对膀胱体积测量的影响，仅计算膀胱区域的重心。边缘效应特征值g计算公式为：
Figure BDA0002315441850000042
N表示重建图像中膀胱区域像素点个数；pi为第i个像素点的像素值，yi为重建图像中以左上角为原点的第i个像素点的纵坐标。
步骤四、建立边缘效应特征值随膀胱体积变化时，与膀胱体积的拟合方程；
对有限元模型中膀胱的大小和膀胱电导率这两个参数进行一系列不同的符合人体实际情况的设置，膀胱大小在40ml-500ml之间，膀胱电导率在0.4S/m-3.4S/m之间。在本实施例中，体积变化为40ml到490ml，间隔为30ml。尿液电导率分别设置为增加、不变和减少三种趋势。其中增加尿液电导率从0.4S/m变化到3.4S/m，间隔0.2S/m；尿液电导率不变为2S/m；减少时，尿液电导率从3.4S/m变化到0.4S/m，间隔0.2S/m；共16*3种设置。同时在对应设置下进行图像重建，并计算边缘效应特征值。
在每种体积下，都对应有不同电导率下的边缘效应特征值，对边缘效应特征值和膀胱体积进行拟合。尝试指数，对数，多项式等多种拟合方式，对比拟合优度R2，寻找最佳的拟合曲线。值得注意的是，拟合方程应包含少于两个的待定系数。结果显示，边缘效应特征值的负四次方与膀胱体积有最高的拟合优度，如图5所示。拟合方程为：
V膀胱＝a·g-4+b
V膀胱为膀胱体积，a和b分别为待定拟合系数。
步骤五、通过已知体积的边缘效应特征值，对拟合方程中的待定拟合系数进行求解；
具体求解过程如下：
首先，选择膀胱空和膀胱满两种情况，分别对膀胱进行多次成像，计算两次的边缘效应特征值；
两个已知体积的边缘效应特征值，一般选取膀胱空和膀胱满。膀胱空以刚排尿后作为膀胱体积0ml。膀胱满有两种情况，第一种通过膀胱叩诊方法确定膀胱是否为满，假设膀胱满的体积为400ml；第二种通过精度更高的膀胱体积测量设备，如超声设备。在这两种状态下，对膀胱进行多次成像并计算边缘效应特征值，两个数据点分别为(g1,V1)，(g2,V2)。。
然后、根据膀胱空和膀胱满两种情况下的膀胱体积，以及两次的边缘效应特征值计算待定拟合系数a和b，得到个性化边缘效应特征值与膀胱体积之间拟合方程。。
步骤六、针对实际患者，使用差分成像以患者的膀胱排空时的测量值作为参考值，使用时间差分法，连续不断的对膀胱进行动态监测，得到测量值，重建图像，并计算边缘效应特征值。
步骤七、利用重建图像提取患者的边缘效应特征值，带入拟合方程中映射得到该患者的膀胱体积。
为对比传统的全局阻抗方法，在每种参数设置下计算了全局阻抗，如图6所示。对比两图能够发现，边缘效应方法不同尿液电导率下边缘效应特征值具有较好的一致性，而全局阻抗方法在膀胱体积较大时，易受尿液电导率变化影响，且线性度较差。

Claims (4)

1.一种对尿液电导率不敏感的动态膀胱体积测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、测量前通过MATLAB调用EIDORS函数对人体腹部进行有限元仿真模拟；
步骤二、在膀胱底面往上距离h的位置，在人体周身表面设置n个电极，构建重建图像；
电极覆盖的弧长占人体周长的比例为α；
步骤三、利用重建图像中膀胱区域的各像素点的坐标和像素值，提取边缘效应特征值；
边缘效应特征值g计算公式为：
Figure FDA0002712031260000011
N表示重建图像中膀胱区域像素点个数；pi为第i个像素点的像素值，yi为重建图像中以左上角为原点的第i个像素点的纵坐标；
步骤四、建立边缘效应特征值与膀胱体积的拟合方程；
V膀胱＝a·g-4+b
V膀胱为膀胱体积，a和b分别为待定拟合系数；
步骤五、对拟合方程中的待定拟合系数进行求解；
具体求解过程如下：
首先，选择膀胱空和膀胱满两种情况，分别对膀胱进行多次成像，计算两种情况的边缘效应特征值；
膀胱空以刚排尿后作为膀胱体积0ml；
膀胱满通过两种情况进行确定：通过膀胱叩诊法确定和通过测量设备进行确定；
然后、根据膀胱空和膀胱满两种情况下的膀胱体积，以及两种情况的边缘效应特征值计算待定拟合系数a和b；
步骤六、针对实际患者，以患者的膀胱排空时为参考帧，使用时间差分法，对当下时刻相对参考帧进行重建图像；
步骤七、利用重建图像提取患者的边缘效应特征值，带入拟合方程中映射得到该患者的膀胱体积。
2.如权利要求1所述的一种对尿液电导率不敏感的动态膀胱体积测量方法，其特征在于，步骤一中所述的仿真包括人体轮廓，膀胱形状；以及膀胱电导率和腹部除膀胱外的周围组织的电导率。
3.如权利要求1所述的一种对尿液电导率不敏感的动态膀胱体积测量方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：每次测量时，将n个电极中的相邻两个电极作为一对，依次激励和测量，通过测量电压信号和有限元模型，对人体内部电阻抗的分布进行反演，即重建图像；图像中不同像素点大小表示不同的电导率大小。
4.如权利要求1所述的一种对尿液电导率不敏感的动态膀胱体积测量方法，其特征在于，步骤三中所述的边缘效应的产生是由于激励测量电极产生的电场线不仅存在于电极平面，同时向第三维扩散，这导致当EIT传感器对电极平面外的物体成像时，物体在重建图像中的位置会发生偏移。
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