CN102688041A - 基于电极采用交错位方式排列的三维电阻抗断层成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于电极采用交错位方式排列的三维电阻抗断层成像方法，包括以下步骤：（1）在三维图像的待测体表面放置电极，且该电极采用交错位的方式在三维图像的待测体表面上进行排列；（2）通过三维图像的待测体得到对应的有限元模型，并利用所述的电极对该有限元模型进行数据采集，根据采集到的数据计算差分电压信号y_i=v_i-v₀；（3）计算三维图像的待测体的电导率变化近似值（4）计算所得的在有限元模型中进行显示，其显示出来的图像即为三维图像的待测体的实时差分图像。本发明的电极采用交错位的方式在三维图像的待测体表面上进行排列，本发明与现有技术相比，其三维像的重构质量和对目标的检测灵敏度均得到了显著地提高。

Description

基于电极采用交错位方式排列的三维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，具体地说，是涉及一种基于电极采用交错位方式排列的三维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，但EIT的成像精度相对不高。由于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。EIT成像是一个严重病态的逆问题求解过程，重构成像大致可分为三类：逆投影法、迭代法、一步线性法。早期的EIT成像系统大多采用了逆投影法，该方法的成像速度快，但成像质量不高。迭代法通过对阻抗分布的预估及反复修正来求解，精度较高，但成像速度较慢，不适宜实时监测，且对噪声敏感。以高斯-牛顿法以及其改进算法为典型代表的一步线性法，其成像速度极快，抗干扰能力强，适用于在线动态监测，得到了广泛的关注及应用。

EIT成像从结构空间上可分为二维成像和三维成像两类。二维像是目标从三维空间到二维空间的投影，由于进行了简化处理，成像算法相对容易，计算量小，成像速度快，但丢失了目标的三维位置信息，难以全面反映目标的真实结构。三维像则可以弥补二维像的不足，能真实反应目标的三维外形及空间位置，但三维像的重构质量不高，且计算量大，对矩阵的求逆难度更大。

因此，如何提高对目标的检测灵敏度，并提高三维像的重构质量，便成为一道急需解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电极采用交错位方式排列的三维电阻抗断层成像方法，主要解决现有的EIT对目标的检测灵敏度不高、三维像重构质量低、矩阵求逆难度大的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于电极采用交错位方式排列的三维电阻抗断层成像方法，包括以下步骤：

（1）在三维图像的待测体表面放置电极，且该电极采用交错位的方式在三维图像的待测体表面上进行排列；

（2）通过三维图像的待测体得到对应的有限元模型，并利用所述电极对该有限元模型进行数据采集，根据采集到的数据计算差分电压信号y_i=v_i-v₀，其中，v_i为当前时刻的电压信号，v₀为参考信号；

（3）计算三维图像的待测体的电导率变化近似值

其中，P=R^-1，R为先验条件，J为电导率敏感度矩阵，T为J的转置，λ为正则化参数，V=W^-1,W为反映通道噪声情况矩阵，y则为步骤（2）中根据采集到的数据而计算出的差分电压信号；

（4）计算所得的

在有限元模型中进行显示，其显示出来的图像即为三维图形的待测体的实时差分图像。

进一步地，所述电极的激励电流以交错方式注入到有限元模型并对该有限元模型进行数据采集。

再进一步地，通过对三维图像的待测体进行网格剖分得到有限元模型。

具体地说，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（3）包括以下步骤：

（3a）根据有限元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σ₀时，第i次测量值y_i对第j个网格电导率x_j的偏导数，其中，i，j为矩阵元素的位置坐标；

（3b）采用一步线性法计算三维图像的待测体的电导率变化近似值 $\hat{x}=P{J}^T{({\mathrm{JPJ}}^T+{\mathrm{\λ}}^{2}V)}^{-1}y,$ 其中，P、V均为单位矩阵，即：P=I，V=I。

为了消除测量噪声的影响，本发明中，参考信号v₀为对多帧采集数据取得的平均值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（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）本发明的电极交错排列在三维图像的待测体的表面上，从而显著地提高了图像的重构质量。

（3）本发明中电极的激励电流采用交错方式注入到三维图像的待测体，从而改变了激励信号的空间电场分布，显著提高了EIT对目标的检测灵敏度。

（4）本发明采用的图像重构计算方法有效地降低了矩阵的求逆规模，不仅节省了计算时间，而且进一步提高了矩阵求逆的精度和稳定性。

（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，不仅具有明显的技术优势，而且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为本发明中电极的排列方式示意图。

图2为现有技术中电极的排列方式示意图。

图3为三维仿真模型示意图。

图4为两层电极的排列方式示意图。

图5为两层电极在三维仿真模型上的分布示意图。

图6为本发明的流程示意图。

图7为现有电极排列方式的重构图像。

图8为本发明中电极排列方式的重构图像。

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

基于电极采用交错位方式排列的三维电阻抗断层成像方法，在三维图像的待测体表面放置电极，且该电极采用交错位的方式在三维图像的待测体表面上进行排列，如图1所示，而现有的电极排列方式则如图2所示。电极放置完毕后，通过三维图像的待测体得到有限元模型，为了能够快速对三维图像的待测体进行定位，本发明中，通过对三维图像的待测体进行网格剖分得到有限元模型，具体地说，是采用四面体网格对三维图像的待测体进行剖分。利用电极对剖分出来的有限元模型进行数据采集，根据采集到的数据计算差分电压信号y_i=v_i-v₀，其中，v₀为参考信号，本实施例中，参考信号v₀为对多帧采集数据取得的平均值，因此可以近似认为是无噪声信号，v_i为当前时刻的电压信号。本发明中，所述电极的激励电流以交错方式注入到有限元模型并对该有限元模型进行数据采集，这样的注入方式，改变了激励信号的空间电场分布，从而显著提高了EIT对目标的检测灵敏度。

数据采集后，接着计算三维图像的待测体的电导率变化近似值

本发明采用一步线性法计算三维图像的待测体的电导率变化近似值 $\hat{x}=P{J}^T{({\mathrm{JPJ}}^T+{\mathrm{\λ}}^{2}V)}^{-1}y,$ 其中，P=R^-1，R为先验条件，J为电导率敏感度矩阵，T为J的转置，λ为正则化参数，V=W^-1,W为反映通道噪声情况矩阵，y则为步骤（2）中根据采集到的数据而计算出的差分电压信号；计算所得的

在有限元模型中进行显示，其显示出来的图像即为三维图像的待测体的实时差分图像。这样的计算方式不仅节省了计算时间，而且进一步提高了矩阵求逆的精度和稳定性，有效地降低了矩阵的求逆规模。

本发明的实现过程如下：

如图3～5所示，本实例采用三维仿真模型代替三维图像的待测体，该模型的背景电导率σ_h=1，第一重构目标1和第二重构目标2的电导率分别为1.2×σ_h和0.8×σ_h。本发明以两层电极为例，如图4所示，每层均有8个电极，16个电极交错排列分布在三维仿真模型上，其分布如图5所示，则其一帧数据的采集过程如下：

（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；

（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13×16=208个数据。

采用上述数据采集模式，通过仿真计算来获取采集信号。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v₀，非均匀分布时的信号作为v_i，按y_i=v_i-v₀计算出差分电压信号y_i，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，得到有限元模型。接着根据上述采集到的数据，采用一步线性法计算出三维图像的待测体的电导率变化近似值 $\hat{x}=P{J}^T{({\mathrm{JPJ}}^T+{\mathrm{\λ}}^{2}V)}^{-1}y,$ 计算所得的

在有限元模型中进行显示，其显示出来的图像即为三维图像的待测体的实时差分图像。

本发明的流程如图6所示，其步骤如下：

（1）在三维图像的待测体表面放置电极，且该电极采用交错位的方式在三维图像的待测体表面上进行排列；

（2）通过三维图像的待测体得到对应的有限元模型，并利用所述电极对该有限元模型进行数据采集，根据采集到的数据计算差分电压信号y_i=v_i-v₀，其中，v_i为当前时刻的电压信号，v₀为参考信号；

（3）根据有限元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σ₀时，第i次测量值y_i对第j个网格电导率x_j的偏导数，其中，i，j为矩阵元素的位置坐标；

（4）计算先验条件R，假定图像各个像素点之间是彼此独立的，且不作加权，则R为单位矩阵，即R=I，并由此得出P=R^-1=I；

（5）计算反映通道噪声情况的W矩阵,通常可假定各通道噪声是非相关的，则W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，W矩阵可简化为单位矩阵，即W=I，由此可得出V=W^-1=I；

（6）采用一步线性法计算三维图像的待测体的电导率变化近似值 $\hat{x}=P{J}^T{({\mathrm{JPJ}}^T+{\mathrm{\λ}}^{2}V)}^{-1}y,$ 其中，λ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；

（7）计算所得的

在有限元模型中进行显示，其显示出来的图像即为三维图像的待测体的实时差分图像。

如图7、8所示，为了说明本发明中电极采用交错位排列方式的优势，与现有电极排列方式所得的成像效果进行对比。本发明中的电极与现有电极均以两层电极，每层8个为例进行排列，并均布在三维图像的待测体表面。图7为现有电极排列方式所得的重构图像；图8为本发明采用电极交错位排列方式所得的重构图像。下表为两种电极排列方式在有限元模型中的极坐标

位置：

由图7和图8的对比可看出：在电极个数相同的情况下，采用交错位的排列方式能明显改善图像的重构质量。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。

Claims (6)

1.基于电极采用交错位方式排列的三维电阻抗断层成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在三维图像的待测体表面放置电极，且该电极采用交错位的方式在三维图像的待测体表面上进行排列；

（2）通过三维图像的待测体得到对应的有限元模型，并利用所述电极对该有限元模型进行数据采集，根据采集到的数据计算差分电压信号y_i=v_i-v₀，其中，v_i为当前时刻的电压信号，v₀为参考信号；

（3）计算三维图像的待测体的电导率变化近似值

其中，P=R^-1，R为先验条件，J为电导率敏感度矩阵，T为J的转置，λ为正则化参数，V=W^-1,W为反映通道噪声情况矩阵，y则为步骤（2）中根据采集到的数据而计算出的差分电压信号；

（4）计算所得的

在有限元模型中进行显示，其显示出来的图像即为三维图像的待测体的实时差分图像。

2.根据权利要求1所述的基于电极采用交错位方式排列的三维电阻抗断层成像方法，其特征在于，所述电极的激励电流以交错方式注入到有限元模型并对该有限元模型进行数据采集。

3.根据权利要求1或2所述的基于电极采用交错位方式排列的三维电阻抗断层成像方法，其特征在于，通过对三维图像的待测体进行网格剖分得到有限元模型。

4.根据权利要求3所述的基于电极采用交错位方式排列的三维电阻抗断层成像方法，其特征在于，采用四面体网格对三维图像的待测体进行剖分。

5.根据权利要求1或2或4所述的基于电极采用交错位方式排列的三维电阻抗断层成像方法，其特征在于，步骤（3）包括以下步骤：

（3a）根据有限元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σ₀时，第i次测量值y_i对第j个网格电导率x_j的偏导数，其中，i，j为矩阵元素的位置坐标；

（3b）采用一步线性法计算三维图像的待测体的电导率变化近似值 $\hat{x}=P{J}^T{({\mathrm{JPJ}}^T+{\mathrm{\λ}}^{2}V)}^{-1}y,$ 其中，P、V均为单位矩阵，即：P=I，V=I。

6.根据权利要求5所述的基于电极采用交错位方式排列的三维电阻抗断层成像方法，其特征在于，所述参考信号v₀为对多帧采集数据取得的平均值。

Images