CN102599908B - 基于带平衡因子的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带平衡因子的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。该基于带平衡因子的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,其中,而μ为平衡因子;(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。本发明利用带有平衡因子的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

基于带平衡因子的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,是涉及基于带平衡因子的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带平衡因子的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:
基于带平衡因子的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,并对该待测体进行数据采集,根据采集到的数据计算差分电压信号                                                ,其中,为当前时刻的电压信号,为参考信号;
(2)计算待测体电导率变化近似值,其中,为增广敏感度矩阵,的转置,为反映通道噪声情况的矩阵,为正则化参数,为NOSER先验条件,且,其中,而则为步骤(1)中根据采集到的数据而计算出的差分电压信号;其中增广敏感度矩阵的计算方法如步骤(2a)~(2c):
(2a)根据有限元网格位移模型计算电导率敏感度矩阵,用以表示在参考电导率分布为时,第次测量值对第个网格电导率的偏导数,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,表示在参考电导率分布为时,对第个网格的位置施加扰动,则第 次测量值的变化量为
(2c)联立(2a)和(2b),计算增广敏感度矩阵
(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。
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。
再进一步地,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。
更进一步地,步骤(2)具体包括以下步骤:
(2d)计算NOSER先验条件,其中,而为平衡因子;
(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,其中,反映通道噪声情况的矩阵为单位矩阵,即
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,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)本发明通过平衡因子对增广敏感度矩阵进行改进,使其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)本发明通过平衡因子对电导率敏感度矩阵和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,具有突出的实质性特点和显著的进步,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
基于带平衡因子的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,其中,为当前时刻的电压信号,为参考信号,一般而言,可以通过采集多帧数据后取平均值得到,因此可以近似为无噪声信号。在本发明中,通过对待测体进行网格剖分得到相对应的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对待测体进行定位,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,本发明采用一步线性高斯牛顿法计算,其中,为增广敏感度矩阵,的转置,为反映通道噪声情况的矩阵,为正则化参数,为NOSER先验条件,则为根据采集到的数据而计算出的差分电压信号;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,第一重构目标1和第二重构目标2的重构目标电导率分别为,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的各个节点的位移,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,直到激励电流换至相邻电极为(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,非均匀分布时的信号作为,按计算出差分电压信号,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,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。
本发明的流程如图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,用以表示在参考电导率分布为时,第次测量值对第个网格电导率的偏导数,其中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时,对第个网格的位置施加扰动,则第次测量值的变化量为
(4)联立(2)和(3),计算增广敏感度矩阵
(5)由于在数量级上存在差异,若要作为先验条件使用,需引入平衡因子,得到 根据经验取值;
(6)根据(5)计算NOSER先验条件, 矩阵的对角线坐标,表示对矩阵作转置,,根据经验,一般取
(7)计算反映通道噪声情况的矩阵,通常可假定各通道噪声是非相关的,则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,矩阵可简化为单位矩阵,即
(8)采用一步线性高斯牛顿法计算待测体电导率变化近似值,其中,为正则化参数,作用在于控制图像分辨率和噪声抑制之间的取舍度,其值可根据实际情况灵活选取;
(9)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。
如图4所示,(a)为标准模型,;(b)为电极位移模型,;(c)和(d)为本发明提出的带平衡因子的有限元网格位移模型,,其中,(c)的,可以认为是无平衡因子的情况,(d)的,且整个图形从左到右的形变量分别为模型半径的0%,1%,3%,5%。从图中可以明显看出:当模型无形变(即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3%时,可以认为电极位移模型失效;而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,图像质量优于前两种模型,本发明在对模型形变方面的容忍度及成像质量明显提高。特别是本发明引入了平衡因子,通过平衡因子对电导率和位移敏感度矩阵的调节作用,一方面,可以使重构出来的图像消除伪影;另一方面,本发明的重构成像速度快,在事先计算出中的部分后,便可以实现图像的实时、动态显示。
按照上述实施例,便可很好地实现本发明。

Claims (5)

1.基于带平衡因子的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)通过待测体得到对应的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                                                ,其中,为当前时刻的电压信号,为参考信号;
(2)计算待测体电导率变化近似值,其中,为增广敏感度矩阵,的转置,为反映通道噪声情况的矩阵,为正则化参数,为NOSER先验条件,且,其中, ,而则为步骤(1)中根据采集到的数据而计算出的差分电压信号;其中增广敏感度矩阵的计算方法如步骤(2a)~(2c):
(2a)根据有限元网格位移模型计算电导率敏感度矩阵,用以表示在参考电导率分布为时,第次测量值对第个网格电导率的偏导数,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,表示在参考电导率分布为时,对第个网格的位置施加扰动,则第次测量值的变化量为
(2c)联立(2a)和(2b),计算增广敏感度矩阵
(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。
2.根据权利要求1所述的基于带平衡因子的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所述的基于带平衡因子的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任一项所述的基于带平衡因子的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:
(2d)计算NOSER先验条件,其中,而为平衡因子;
(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,其中,反映通道噪声情况的矩阵为单位矩阵,即
5.根据权利要求4所述的基于带平衡因子的网格位移模型的电阻抗断层成像方法,其特征在于,所述参考信号为对多帧采集数据取得的平均值。
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