CN102599907A - 基于网格位移模型的电阻抗断层成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于网格位移模型的电阻抗断层成像方法,克服了现有技术在待测体发生形变后其电阻抗断层成像质量不高的缺陷。该基于网格位移模型的电阻抗断层成像方法,包括以下步骤:(1)通过待测体得到有限元网格位移模型,并对该待测体进行数据采集,根据采集到的数据计算差分电压信号;(2)计算待测体电导率变化近似值;(3)计算所得的在有限元网格位移模型中进行显示,其显示出来的图像即为待测体的实时差分图像。本发明利用有限元网格位移模型来修正待测体全部区域的结构形变,与现有技术相比,成像质量得到了明显提高。

Description

基于网格位移模型的电阻抗断层成像方法
技术领域
本发明涉及一种电阻抗断层成像方法,具体地,是涉及一种基于网格位移模型的电阻抗断层成像方法。 
背景技术
电阻抗断层成像(Electrical impedance tomography, EIT)是一种无损无害的新型成像技术。EIT在待测体表面放置电极并注入低频低功率电流,通过检测电极间的电压差来探测待测体内部的阻抗分布。由于不同生物组织的阻抗特性不同,利用EIT技术对其进行检测,可以在结构上和功能上反应各生物组织的生理特性。与CT、MRI等核医学成像技术相比,EIT具有无损无害、成本低、体积小、对早期癌灶敏感等优点。而且EIT的数据采集和成像速度较高,可用于对患者进行长时间的实时、动态监测,故其具有广泛的医学应用前景。 
EIT技术最早于1984年起开展实验室及临床医学应用,经过近三十年的发展,在硬件和软件上都取得了丰富的研究成果。然而,EIT技术在临床应用上还存在诸多困难,其中之一便是其成像质量对于待测目标发生形变后造成的模型误差相当敏感,例如对患者的肺功能监测过程中,由于呼吸或姿势改变会造成胸腔形状发生变化,这种变化如果不加修正,将严重影响成像质量,甚至失败。目前,虽然已有技术对待测体表面的电极位移进行了修正,从而在一定程度上改善了电阻抗断层重构图像的质量。但是,对于绝大多数的应用来说,当监测具有一定形变的待测体时,不仅待测体表面结构(含电极)会发生位移,其内部的结构也会随之位移。待测体的表面结构及内部结构发生的未知变化增加了EIT重构图像的难度,进而也影响到了其成像的质量。 
因此,如何修正待测体全部区域的结构形变,提高EIT的成像质量,并且能够快速重构成像便成为一种必然的技术趋势。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于网格位移模型的电阻抗断层成像方法,克服现有技术在待测体发生形变后其电阻抗断层成像质量不高的缺陷。 
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下: 
基于网格位移模型的电阻抗断层成像方法,包括以下步骤:
(1)通过待测体得到对应的有限元网格位移模型,并对该待测体行数据采集,根据采集到的数据计算差分电压信号 ,其中,
Figure 674120DEST_PATH_IMAGE002
为当前时刻的电压信号,
Figure 2012101010660100002DEST_PATH_IMAGE003
为参考信号; 
(2)计算待测体电导率变化近似值
Figure 750661DEST_PATH_IMAGE004
,其中,
Figure 2012101010660100002DEST_PATH_IMAGE005
为增广敏感度矩阵,
Figure 662433DEST_PATH_IMAGE005
的转置,为反映采集通道噪声情况的矩阵,
Figure 319811DEST_PATH_IMAGE008
为正则化参数,为NOSER先验条件,则为步骤(1)中采集数据时计算所得的差分电压信号;
(3)计算所得的
Figure 2012101010660100002DEST_PATH_IMAGE011
在有限元网格位移模型中进行显示,其显示出来的图像即为待测体的实时差分图像。
进一步地,通过对待测体进行网格剖分得到有限元网格位移模型。具体地说,采用三角形网格对二维图像的待测体进行剖分,采用四面体网格对三维图像的待测体进行剖分。 
再进一步地,步骤(2)具体包括以下步骤: 
(2a)根据有限元网格位移模型计算电导率敏感度矩阵
Figure 513343DEST_PATH_IMAGE012
,用以表示在参考电导率分布为
Figure 2012101010660100002DEST_PATH_IMAGE013
时,第
Figure 504432DEST_PATH_IMAGE014
次测量值
Figure 2012101010660100002DEST_PATH_IMAGE015
对第
Figure 281896DEST_PATH_IMAGE016
个网格电导率
Figure 2012101010660100002DEST_PATH_IMAGE017
的偏导数,其中
Figure 700239DEST_PATH_IMAGE018
为矩阵元素的位置坐标;
(2b)根据有限元网格位移模型计算位移敏感度矩阵                                                  
Figure 741314DEST_PATH_IMAGE001
,用以表示在参考电导率分布为
Figure 133625DEST_PATH_IMAGE013
时,对第
Figure 662827DEST_PATH_IMAGE016
个网格的位置施加扰动,则第
Figure 211937DEST_PATH_IMAGE014
次测量值的变化量为
Figure 2012101010660100002DEST_PATH_IMAGE021
(2c)联立(2a)和(2b),计算增广敏感度矩阵   
Figure 2012101010660100002DEST_PATH_IMAGE002
(2d)根据(2c)计算NOSER先验条件   
Figure 658455DEST_PATH_IMAGE003
(2e)采用一步线性高斯牛顿法计算待测体电导率变化近似值
Figure 199932DEST_PATH_IMAGE004
,其中,反映采集通道噪声情况的
Figure 940269DEST_PATH_IMAGE007
矩阵为单位矩阵,即
Figure 700415DEST_PATH_IMAGE024
为了消除测量噪声的影响,本发明中,步骤(1)中的为对多帧采集数据取得的平均值。 
与现有技术相比,本发明的有益效果是: 
(1)本发明成像速度快,可以实现图像的实时、动态显示,非常适合图像的实时监测。
(2)本发明针对不同的待测体采用了不同的网格进行剖分,例如:采用三角形网格对二维图像的待测体进行剖分,采用四面体网格对三维图像的待测体进行剖分,因此,本发明不仅成像速度更快,而且质量更高。 
(3)本发明的增广敏感度矩阵同时包含有电导率敏感度信息和位移敏感度信息,由于其包含的信息更加全面,因此,能够有效地消除重构图像的伪影,更加真实地反映待测体的图像,从而进一步地提高图像的重构质量。 
(4)本发明通过位移敏感度矩阵的调节作用,对待测体在形变方面的容忍度有了显著的提高,即使待测体形变较大,通过本发明中采用的一步线性高斯牛顿法计算所得的,依然能够准确重构图像,确保图像的重构质量。 
(5)本发明通过多种手段,从各个方面对重构图像的质量进行了保证,较现有技术而言,具有明显的技术优势,同时具有突出的实质性特点和显著的进步,还具有很高的市场价值。 
附图说明
图1为二维仿真模型示意图。 
图2为数据采集系统第一次采集一帧数据的流程图。 
图3为本发明的流程示意图。 
图4为本发明与现有技术所得的电阻抗断层重构图像的对比图。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明,本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。 
实施例
基于网格位移模型的电阻抗断层成像方法,通过待测体得到对应的有限元网格位移模型,并对待测体进行数据采集,根据采集到的数据计算出差分电压信号
Figure 41714DEST_PATH_IMAGE001
,其中,为当前时刻的电压信号,
Figure 641640DEST_PATH_IMAGE003
为参考信号,一般而言,
Figure 333652DEST_PATH_IMAGE003
可以通过采集多帧数据后取其平均值得到,因此可以近似认为是无噪声信号。在本发明中,通过对待测体进行网格剖分得到有限元网格位移模型,具体地说,当待测体为二维图像时可以采用三角形网格进行剖分,当待测体为三维图像时则可以采用四面体网格进行剖分,这样的剖分方式,不仅能够快速定位,而且便于成像。 
数据采集后,接着计算待测体电导率变化近似值
Figure 8347DEST_PATH_IMAGE025
,本发明采用一步线性高斯牛顿法计算
Figure 531732DEST_PATH_IMAGE026
,其中,
Figure 899260DEST_PATH_IMAGE005
为增广敏感度矩阵,
Figure 78569DEST_PATH_IMAGE006
Figure 291375DEST_PATH_IMAGE005
的转置,
Figure 934846DEST_PATH_IMAGE007
为反映采集通道噪声情况的矩阵,
Figure 207696DEST_PATH_IMAGE008
为正则化参数,
Figure 874300DEST_PATH_IMAGE009
为NOSER先验条件,
Figure 2012101010660100002DEST_PATH_IMAGE027
则为数据采集系统采集数据时计算所得的差分电压信号;计算所得的
Figure 890798DEST_PATH_IMAGE025
在有限元网格位移模型中进行显示,其显示出来的图像即为待测体的实时差分图像。 
本实例以待测体为二维图像时的情况为例,对本发明的实现过程进行说明。 
如图1、2所示,本实施例采用二维仿真模型代替待测体,该模型的背景电导率
Figure 326458DEST_PATH_IMAGE028
,第一重构目标1的电导率为
Figure 2012101010660100002DEST_PATH_IMAGE029
,而第二重构目标2的电导率为
Figure 35788DEST_PATH_IMAGE030
,通过对模型的水平方向挤压,垂直方向拉伸来模拟形变,模型中的箭头表示了该模型中各个节点的位移方向,如图1所示。模型采用16电极数据采集系统,一帧数据的采集过程为: 
(1)相邻两个电极(1,2)作为激励电流输入,其余14个电极每两个相邻电极间按顺序(3和4,4和5……直到15和16)测量响应电压作为数据输出,可得出第一组的13个数据,其采集数据过程如图2所示;
(2)第二次数据采集时激励电流换至相邻电极(2,3),其余14个电极每两个相邻电极间按顺序(4和5,5和6……直到16和1)测量响应电压作为数据输出,可得出第二组的13个数据;
(3)依此类推,直到激励电极对为(16,1),得到第十六组的13个数据;
故完整的一个数据帧总共有1316=208个数据。
采用上述数据采集模式,通过仿真计算来获取该模型具有不同形变量时采集的数据。为了模拟真实的测量条件,在计算得到的电压信号上叠加20dB的噪声信号。 
将阻抗均匀分布时的电压信号作为参考信号
Figure 861793DEST_PATH_IMAGE003
,非均匀分布时的信号作为
Figure 681982DEST_PATH_IMAGE002
,按
Figure 34465DEST_PATH_IMAGE001
计算出差分电压信号
Figure 914697DEST_PATH_IMAGE032
,并以此作为重构成像的输入电压信号。对模型进行网格剖分,得到有限元网格位移模型。接着根据上述采集到的数据,采用一步线性高斯牛顿法计算出待测体电导率变化近似值
Figure 2012101010660100002DEST_PATH_IMAGE033
计算所得的
Figure 290314DEST_PATH_IMAGE025
在有限元网格位移模型中进行显示,其显示出来的图像即为待测体的实时差分图像。 
本发明的工作流程如图3所示,其步骤如下: 
(1)对待测体进行网格剖分,得到有限元网格位移模型;
(2)根据有限元网格位移模型计算电导率敏感度矩阵   
Figure 2012101010660100002DEST_PATH_IMAGE004
,表示在参考电导率分布为
Figure 121184DEST_PATH_IMAGE013
时,第
Figure 172317DEST_PATH_IMAGE014
次测量值对第
Figure 259539DEST_PATH_IMAGE016
个网格电导率
Figure 258719DEST_PATH_IMAGE017
的偏导数,其中
Figure 480753DEST_PATH_IMAGE018
为矩阵元素的位置坐标;
(3)根据有限元网格位移模型计算位移敏感度矩阵   ,表示在参考电导率分布为
Figure 858961DEST_PATH_IMAGE013
时,对第
Figure 40544DEST_PATH_IMAGE016
个网格的位置施加一个扰动,则第次测量值的变化量为
Figure 571517DEST_PATH_IMAGE021
(4)联立(2)和(3),计算增广敏感度矩阵   
(5)根据(4)计算NOSER先验条件
Figure 109125DEST_PATH_IMAGE023
Figure 2012101010660100002DEST_PATH_IMAGE035
矩阵的对角线坐标,表示对矩阵作转置,
Figure 2012101010660100002DEST_PATH_IMAGE037
,根据经验,一般取
(6)计算反映采集通道噪声情况的
Figure 378464DEST_PATH_IMAGE007
矩阵,通常可假定各通道噪声是非相关的,则
Figure 924983DEST_PATH_IMAGE007
矩阵的对角线元素与各通道的信噪比(SNR)成正比,非对角线元素为0,对于具有相同采集通道的差分成像而言,
Figure 36159DEST_PATH_IMAGE007
矩阵可简化为单位矩阵,即
Figure 46840DEST_PATH_IMAGE024
(7)采用一步线性高斯牛顿法计算待测体电导率变化近似值
Figure 952479DEST_PATH_IMAGE004
Figure 986294DEST_PATH_IMAGE008
为正则化参数,控制了图像分辨率和噪声抑制之间的取舍度,需根据实际情况灵活选取;
(8)计算所得的
Figure 697898DEST_PATH_IMAGE025
在有限元网格位移模型中进行显示,其显示出来的图像即为待测体的实时差分图像。
如图4所示,利用本发明提供的方法构成的图像与现有技术相比,本发明所构成的图像质量要优于现有技术的图像,图4中(a)为标准模型;图4中(b)为电极位移模型;图4中(c)为本发明提出的有限元网格位移模型;且三种模型的
Figure 2012101010660100002DEST_PATH_IMAGE039
0.01。图4从左到右的形变量分别为模型半径的0%,1%,2%,3%。从图4可以看出,当模型无形变(0%)时,各种模型均能正确重构图像。当模型具有形变时,标准模型失效。电极位移模型的重构效果较标准模型有所改善,但图像伪影较多,当形变量增加到2%时,可以认为电极位移模型失效;但是,此时采用本发明的网格位移模型所得到的重构图像伪影明显减少,图像质量明显优于前两种模型,因此,本发明在对模型形变方面的容忍度以及成像质量均得到了显著的提高。 
按照上述实施例,便可很好地实现本发明。 

Claims (5)

1.基于网格位移模型的电阻抗断层成像方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)通过待测体得到有限元网格位移模型,并对该待测体进行数据采集,根据采集到的数据计算差分电压信号                                                
Figure 2012101010660100001DEST_PATH_IMAGE001
,其中,
Figure 41606DEST_PATH_IMAGE002
为当前时刻的电压信号,
Figure 2012101010660100001DEST_PATH_IMAGE003
为参考信号;
(2)计算待测体电导率变化近似值
Figure 7288DEST_PATH_IMAGE004
,其中,
Figure 2012101010660100001DEST_PATH_IMAGE005
为增广敏感度矩阵,
Figure 64237DEST_PATH_IMAGE006
Figure 457172DEST_PATH_IMAGE005
的转置,
Figure 2012101010660100001DEST_PATH_IMAGE007
为反映采集通道噪声情况的矩阵,
Figure 966782DEST_PATH_IMAGE008
为正则化参数,
Figure 2012101010660100001DEST_PATH_IMAGE009
为NOSER先验条件,
Figure 470576DEST_PATH_IMAGE010
则为步骤(1)中采集数据时计算所得的差分电压信号;
(3)计算所得的
Figure 2012101010660100001DEST_PATH_IMAGE011
在有限元网格位移模型中进行显示,其显示出来的图像即为待测体的实时差分图像。
2.根据权利要求1所述的基于网格位移模型的电阻抗断层成像方法,其特征在于,通过对待测体进行网格剖分得到有限元网格位移模型。
3.根据权利要求2所述的基于网格位移模型的电阻抗断层成像方法,其特征在于,采用三角形网格对二维图像的待测体进行剖分,采用四面体网格对三维图像的待测体进行剖分。
4.根据权利要求1~3任一项所述的基于网格位移模型的电阻抗断层成像方法,其特征在于,步骤(2)具体包括以下步骤:
(2a)根据有限元网格位移模型计算电导率敏感度矩阵
Figure 647610DEST_PATH_IMAGE012
,用以表示在参考电导率分布为时,第
Figure 211447DEST_PATH_IMAGE014
次测量值对第
Figure 208353DEST_PATH_IMAGE016
个网格电导率
Figure 2012101010660100001DEST_PATH_IMAGE017
的偏导数,其中为矩阵元素的位置坐标;
(2b)根据有限元网格位移模型计算位移敏感度矩阵
Figure 2012101010660100001DEST_PATH_IMAGE019
,用以表示在参考电导率分布为
Figure 609695DEST_PATH_IMAGE013
时,对第
Figure 344433DEST_PATH_IMAGE016
个网格的位置施加扰动
Figure 890952DEST_PATH_IMAGE020
,则第
Figure 736548DEST_PATH_IMAGE014
次测量值的变化量为
Figure 2012101010660100001DEST_PATH_IMAGE021
(2c)联立(2a)和(2b),计算增广敏感度矩阵
Figure 684913DEST_PATH_IMAGE022
(2d)根据(2c)计算NOSER先验条件
Figure 2012101010660100001DEST_PATH_IMAGE023
(2e)采用一步线性高斯牛顿法计算待测体电导率变化近似值
Figure 590552DEST_PATH_IMAGE024
,其中,反映采集通道噪声情况的
Figure 624367DEST_PATH_IMAGE007
矩阵为单位矩阵,即
Figure 2012101010660100001DEST_PATH_IMAGE025
5.根据权利要求4所述的基于网格位移模型的电阻抗断层成像方法,其特征在于,步骤(1)中的
Figure 273654DEST_PATH_IMAGE026
为对多帧采集数据取得的平均值。
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