CN102894977B - 一种用于电阻抗映射成像的感兴趣目标体立体定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电阻抗映射成像的感兴趣目标体立体定位方法，该方法在实施时首先基于电磁场计算模型计算分析，建立感兴趣目标体深度近似求解公式；其次在电阻抗映射成像实际测量中，根据灰度图像确定感兴趣目标体的二维空间位置；在此基础上进一步建立利用电阻抗映射检测成像实测数据等效表征深度求解公式中计算参数的方法，并最终求解获得感兴趣目标体的立体定位信息。本发明的特点是在分析二维灰度图像特征的基础上，通过深入挖掘检测信息，可对感兴趣目标体的深度进行测算，实现了对感兴趣目标体的立体定位。

Description

一种用于电阻抗映射成像的感兴趣目标体立体定位方法

技术领域

本发明涉及一种电阻抗成像目标体立体定位方法，特别是涉及一种电阻抗映射成像中的感兴趣目标体立体定位方法。

背景技术

电阻抗映射成像检测通常用于获取被测区域的二维灰度映射图像，采用的检测电极是平板阵列式电极（包含多个微电极单元），检测电极阵列提取被测区域的体表电流信号，通过分析各单元之间的电流差异获得反映被测区域下目标体电阻抗分布的二维灰度映射图像。如果电极阵列中某几个检测电极单元下存在异常阻抗扰动区域（称之为感兴趣目标体），则这些检测电极单元相比周围其他电极电极单元会获取较大的电流信号，反映在二维映射灰度图中呈现“亮团”特征。二维映射灰度图中的“亮团”可以反映感兴趣目标体的平面相对位置，但并不能反映深度信息，因此无法相对准确地对感兴趣目标体进行定位。目前国内外电阻抗映射成像的研究中，仅限于利用二维灰度映射图像判别感兴趣目标体的平面相对位置，因对检测信息尚未进行充分挖掘，无法对感兴趣目标体进行立体定位。

发明内容

当前电阻抗映射成像进行图像判别时，无法直接从成像所得的二维灰度映射图像直接估测感兴趣目标体深度，因此也无法相对准确地对被测区域内感兴趣目标体进行立体定位，针对此缺陷或不足，本发明的目的在于，提出一种电阻抗映射成像对感兴趣目标体的立体定位方法，该方法在分析二维灰度映射图像特征的基础上，通过深入挖掘检测信息，可对感兴趣目标体的深度进行测算，提高了对感兴趣目标体准确定位的精度。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种用于电阻抗映射成像的感兴趣目标体立体定位估测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）基于电磁场计算模型计算分析，建立感兴趣目标体深度近似求解公式；

2）在电阻抗映射成像实际测量中，根据灰度图像确定感兴趣目标的二维空间位置；

3）建立电阻抗映射成像实际测量数值与感兴趣目标体深度近似求解公式中参数的对应关系；

4）将感兴趣目标体的空间二维信息与目标体的深度信息结合，获得感兴趣目标体的空间立体定位参数。

所述的基于电磁场计算模型计算建立感兴趣目标体深度近似求解公式，求解过程是：

1）在电磁场模型计算时，设定感兴趣目标体引起的电场扰动感兴趣区域主要分布在检测电极面下的半球形区域内，同时假设扰动感兴趣目标体近似为球体。

2）在电磁场模型计算时，分别在检测区域中包含感兴趣目标体和不包含感兴趣目标体这两种条件下，求解检测电极表面的电流密度表达式；

3）利用检测电极平面的电流信息及相应电极单元的位置信息表示感兴趣目标区域的深度，得到感兴趣目标体的深度求解公式。

所述的感兴趣目标体深度近似求解公式中的关键参数包括i(x₀,y₀),i⁰(x₀,y₀),i(a,b),i⁰(a,b)，其中i(x₀,y₀)是感兴趣目标体在检测电极面上投影区中心位置的测量值其电极坐标为（x₀,y₀），i⁰(x₀,y₀)是感兴趣目标体不存在时对应于电极坐标（x₀,y₀）处的测量值，i(a,b)感兴趣目标体在检测电极面上投影区中心位置外任意坐标（a,b）处的测量值,i⁰(a,b)是感兴趣目标体不存在时对应于电极坐标（a,b）处的测量值。

所述的建立电阻抗映射成像实际测量数值与感兴趣目标体深度近似求解公式中参数的对应关系，其步骤是：

1）首先根据电阻抗映射成像二维灰度图确定感兴趣目标体在检测电极平面的投影区域范围；

2）求解感兴趣目标体在检测电极平面投影区域以外的所有测量值的平均值I_mean；

3）确定感兴趣目标体所对应的最大测量值I_max，及该最大测量值所对应的电极单元坐标(X_max,Y_max)；

4）确定感兴趣目标体在检测电极平面投影区域内实测数据曲线的半峰值I_half，即I_half=1/2(I_max-I_mean)，并进一步寻找接近I_half值的实测数据所对应检测电极单元的坐标（X_half,Y_half）；

5）建立实际测量数值与深度近似求解公式中各参数的对应关系。

所述的建立实际测量数值与深度近似求解公式中各参数的对应关系是，将实际测量数值带入深度近似求解公式计算时，用I_max替代i(x₀,y₀)，用I_half替代i(a,b)，用I_mean替代i⁰(x₀,y₀)和i⁰(a,b)。

本发明充分挖掘了电阻抗映射成像的检测信息，所实现的电阻抗映射成像中的感兴趣目标体立体定位方法，可以在获得感兴趣目标体二维灰度成像结果的同时，利用检测电极实测数据估测感兴趣目标距离检测电极面的深度，为电阻抗映射成像检测提供了一种精确定位感兴趣感兴趣目标体的方法，在实际应用中具有重要意义。

附图说明

图1是电阻抗映射检测等效示意图。

图2是电阻抗映射检测感兴趣目标深度求解模型示意图。

图3是电阻抗映射成像二维灰度映射图关键信息点坐标示意图。

图4是电阻抗映射成像二维灰度映射图与一维测量曲线的对应关系图。

图5是电阻抗映射成像测量数据的三维分布图。

图6是电阻抗映射成像物理模型。

图7是电阻抗映射成像物理模型中进行感兴趣目标检测实验图。

图8是目标体在物理模型的成像结果。

图9是采用深度估测结果与实际深度的对比图。

以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

为进一步说明本发明的特点及优势特性，本实施例给出一种组织电阻抗映射成像检测时异常阻抗感兴趣目标体（病变包块）的立体估测方案。

图1是生物电阻抗映射检测等效示意图，正常组织相比病变组织的电阻抗特性具有显著差异，可以近似认为检测区域内正常组织均匀分布，如果存在病变包块则会引起局部的电阻抗扰动，称之为感兴趣目标体，并假设感兴趣目标为近似球体。以下为具体求解步骤：

步骤1：根据电阻抗映射成像的检测条件，建立麦克斯韦方程组对检测区域内部及其表面的电磁场进行描述，并根据模型的等效近似，设置方程组的约束条件。

设检测区域三维空间为Ω，测量电极平面为Г，激励电极表面为γ，σ+iωε为组织的复电导率，则位于三维空间Ω内的任意一点r=(x,y,z)满足下列边界方程组：

$\left\{\begin{array}{cc}\▿\·((\mathrm{\σ}+\mathrm{i\ω\ϵ})\▿\left(r\right))=0,& r\∈\mathrm{\Ω}\\ V\left(r\right)=0,& r\∈\mathrm{\Γ}\\ V\left(r\right)=1,& r\∈\mathrm{\γ}\\ (\mathrm{\σ}+\mathrm{i\ω\ϵ})\▿\left(r\right)\·v\left(r\right)=0,& r\∈\∂\mathrm{\Ω}\backslash (\mathrm{\Λ}\∪\mathrm{\γ})\end{array}\right.$    （公式1）

由于检测电极平面Г对感兴趣目标体产生的扰动电流的敏感检测区主要集中在检测平面Г下方的区域中，进一步我们将电场分析的感兴趣区域定义为如图1、图2所示的半球形区域内。设检测电极平面Г的边长为2L，则半球形区域的半径为L。如图2所示，方程组求解的约束条件设置如下：

${\mathrm{\&Gamma;}}_L:=\{(x,y,0):\sqrt{x^2+y^2}<L\},$

${\mathrm{\&Omega;}}_L:=\{(x,y,z):z<0,\sqrt{x^2+y^2+z^2}<L\}$

将复电导率定义为

正常组织：τ₁＝σ₁+iωε₁        r∈Ω_L\D

病变组织：τ₂＝σ₂+iωε₂       r∈D

步骤2：在检测区域中包含感兴趣目标体和不包含感兴趣目标体这两种条件下，根据麦克斯韦方程组分别求两种条件下检测电极处的电流密度表达式。

（1）感兴趣目标体存在时检测电极板处的电流密度求解

在病变区域D的表面，电势V满足

并且有V^int＝V^ext，其中V^int和V^ext分别定义为D区域表面内外两侧的电势。则图2中的各处电压满足下列方程：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;}{V}^{\mathrm{ext}}\left(r\right)=0& r\&Element;{\mathrm{\&Omega;}}_L\backslash \stackrel{\&OverBar;}{D}\\ \mathrm{\&Delta;}{V}^{\mathrm{int}}\left(r\right)=0& r\&Element;D\\ V^{\mathrm{int}}\left(r\right)=V^{\mathrm{ext}}\left(r\right)& r\&Element;\&PartialD;d\\ {\mathrm{\&tau;}}_{1}v\left(r\right)\&CenterDot;\&dtri;V^{\mathrm{ext}}\left(r\right)={\mathrm{\&tau;}}_{2}v\left(r\right)\&CenterDot;\&dtri;V^{\mathrm{int}}\left(r\right)& r\&Element;\&PartialD;D\\ V\left(r\right)=0& r\&Element;{\mathrm{\&Gamma;}}_L\\ {\mathrm{\&tau;}}_1\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;z}V\left(r\right)=-i\left(r\right)& r\&Element;{\mathrm{\&Gamma;}}_L\end{array}\right.$      （公式2）

i(r)是流出测量电极板的电流密度。

（2）无病变包块时（感兴趣目标不存在）检测电极板处的电流密度求解假设检测区域中没有病变组织，则相应电压电流（有0上标）满足：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;}{V}^0\left(r\right)=0& r\&Element;{\mathrm{\&Omega;}}_L\\ V^0\left(r\right)=0& r\&Element;{\mathrm{\&Gamma;}}_L\\ {\mathrm{\&tau;}}_1\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;z}{V}^0\left(r\right)=-i^0\left(r\right)& r\&Element;{\mathrm{\&Gamma;}}_L\end{array}\right.$      （公式3）

其中i⁰(r)为检测区域中没有病变组织的情况下，检测电极面处的电流密度。

步骤3：将格林公式带入麦克斯韦方程组，对方程组进行化解，最终利用检测电极平面的电流信息及相应电极单元的位置信息表示感兴趣目标区域的深度。

本步骤主要利用检测平面Γ_L上的信息表示病变区域D：

将格林公式代入公式2。设Φ(r,r')是无限空间内的格林公式的解。其中

ΔΦ(r,r')＝δ(r-r')，r∈Γ_L,r'∈Ω_L.

根据格林公式对上述方程组作了一系列推导，推导的最终目的是用Γ_L平面上的电流来表示感兴趣区域D的各种信息。上述系列公式化简之后得到：

$\begin{array}{c}({\mathrm{\&tau;}}_1-{\mathrm{\&tau;}}_2)\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;z}{\&Integral;}_D\frac{{\&dtri;}_{r^{\&prime;}}V\left(r^{\&prime;}\right)\&CenterDot;(r^{\&prime;}-r)}{4\mathrm{\&pi;}{|r-r^{\&prime;}|}^3}{\mathrm{dr}}^{\&prime;}\&ap;\\ \frac{1}{2}[i\left(r\right)-i^0\left(r\right)],r\&Element;{\mathrm{\&Gamma;}}_{L/2}\end{array}$          （公式4）

在D是球体或接近球体时，上式可以进一步化简为：

$\frac{1}{2}[i\left(r\right)-i^0\left(r\right)]\&ap;\frac{3{\stackrel{\&OverBar;}{i}}^0({\mathrm{\&tau;}}_1-{\mathrm{\&tau;}}_2)}{2{\mathrm{\&tau;}}_1+{\mathrm{\&tau;}}_2}\left|D\right|\frac{-{(x-x_0)}^2-{(y-y_0)}^2+{{2z}_0}^2}{4\mathrm{\&pi;}{|r-r_0|}^5}$   （公式5）

其中，r∈Γ_L/2，|D|代表D的体积。从这个公式中就可以推导出感兴趣区域部位的深度。

定义(x₀,y₀)为D在Γ上投影区的中心位置，设(a,b)为D在Γ上投影区上中心位置外的任意一点，设d为(a,b)到(x₀,y₀)的距离，则

D的深度z₀可通过以下公式得出：

$\frac{|i(a,b)-i^0(a,b)|}{|i(x_0,y_0)-i^0(x_0,y_0)|}=\frac{|2-\frac{d^2}{{z_0}^2}|}{2{(\frac{d^2}{{z_0}^2}+1)}^{5/2}}$         （公式6）

为了便于理解，本实施例中将(a,b)定义为参考电极点。

步骤4：利用电阻抗映射检测成像实测数据等效表征深度求解公式中计算参数的方法，其中电阻抗映射检测成像实测数据是指与二维灰度成像结果所对应的测量值；等效表征方法是指用可测量的参数近似表示深度求解公式中的不可测量参数。

根据公式6，需要利用电阻抗映射检测成像实测数据表征的参数有i(x₀,y₀),i⁰(x₀,y₀),i(a,b),i⁰(a,b)。具体的表征方法如下：

（1）i(x₀,y₀),为D在Γ上投影区的中心位置的测量值，(x₀,y₀)为对应的坐标值。如图3、图4、图5所示，在实际测量数据中，i(x₀,y₀)对应二维灰度图中“亮斑”区域的最大值I_mean，该最大值处对应的电极单元其坐标值为(X_max,Y_max)。

（2）i⁰(x₀,y₀),为D不存在时，Γ平面上坐标(x₀,y₀)处的测量值。在实际测量中该值无法直接测量得到，只能用D存在时检测电极面所得测量值中的近似值替代。由于D不存在时，所测结果相当于检测区域中全部为均匀正常组织时对应的结果，如图4所示二维灰度成像中黑色区域对应正常组织的的检测结果，所以可用黑色区域所对应的测量数据的平均值I_mean代替i⁰(x₀,y₀)。图5为D存在时检测电极所得测量值的三维分布，可选择平坦区域的各电极单元对应测量值I_mean的平均值来代替。

（3）i(a,b),为D在Γ上投影中心位置外投影区域内任意一点的测量值，（a,b）为对应的坐标值。在实际应用中，按照本发明所述选择“亮斑”区域对应检测电极平面实测数据曲线的半峰值I_half（I_half=1/2(I_max-I_mean)）等效表征i(a,b)，如图4所示。

（4）i⁰(a,b),为D不存在时，Γ平面上坐标(a,b)处的测量值。该测量值的等效表示方法同i⁰(x₀,y₀)，可以认为与i⁰(x₀,y₀)值相等。

进一步根据公式6，用I_max替代i(x₀,y₀)，用I_half替代i(a,b)，用I_mean替代i⁰(x₀,y₀)和i⁰(a,b)，可以获得感兴趣目标体的深度估测值，进一步结合二维灰度图中的平面坐标信息，可以对感兴趣目标体进行空间定位。

根据感兴趣目标体求解公式6，以及步骤4中的参数等效表征方法，我们进一步采用物理模型进行了对感兴趣目标的实际估测，方法如下：

采用如图6的物理模型，如图7所示模型内的盐溶液模拟电阻抗均匀分布的正常组织，使用琼脂块模拟电阻抗特性异常的感兴趣目标体。通过改变琼脂块距离检测电极阵列的距离，可以获得不同的测量结果。琼脂块的大小取5mm×5mm×5mm，8mm×8mm×8mm，12mm×12mm×12mm三种规格，检测深度分别为5mm，10mm，15mm。其在物理模型中的电阻抗映射成像结果如图8所示。进一步我们采用公式6及步骤4的方法对感兴趣目标体的深度进行估测，并和感兴趣目标体的实际深度进行对比，结果如图9所示。此实验可进一步说明本发明可为电阻抗映射成像检测提供了一种精确定位感兴趣目标体的方法。

需要说明的是，以上的实施例是便于理解本发明，本发明并不限于该实施例，本领域技术人员按照本发明技术方案所进行的修正、添加和替换，均应属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种用于电阻抗映射成像的感兴趣目标体立体定位估测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）基于电磁场计算模型计算分析，建立感兴趣目标体深度近似求解公式；

2）在电阻抗映射成像实际测量中，根据灰度图像确定感兴趣目标体的二维空间位置；

3）建立电阻抗映射成像实际测量数值与感兴趣目标体深度近似求解公式中参数的对应关系；

4）将感兴趣目标体的空间二维信息与目标体的深度信息结合，获得感兴趣目标体的空间立体定位参数；

所述的感兴趣目标体深度近似求解公式如下：

$\frac{|i(a,b)-i^0(a,b)|}{|i(x_0,y_0)-i^0(x_0,y_0)|}=\frac{|2-\frac{d^2}{{z_0}^2}|}{2{(\frac{d^2}{{z_0}^2}+1)}^{5/2}}$     公式（6）

其中i(x₀,y₀)是感兴趣目标体在检测电极面上投影区中心位置的测量值其电极坐标为（x₀,y₀），i⁰(x₀,y₀)是感兴趣目标体不存在时对应于电极坐标（x₀,y₀）处的测量值，i(a,b)感兴趣目标体在检测电极面上投影区中心位置外任意坐标（a,b）处的测量值,i⁰(a,b)是感兴趣目标体不存在时对应于电极坐标（a,b）处的测量值；

d为(a,b)到(x₀,y₀)的距离，则 $d=\sqrt{{(x_0-a)}^2+{(y_0-b)}^2};$

z₀表示感兴趣目标体深度；

进一步根据公式（6），用I_max替代i(x₀,y₀)，用I_half替代i(a,b)，用I_mean替代i⁰(x₀,y₀)和i⁰(a,b)，可以获得感兴趣目标体的深度估测值，进一步结合二维灰度图中的平面坐标信息，可以对感兴趣目标体进行空间定位；

其中，I_mean为感兴趣目标体在检测电极平面投影区域以外的所有测量值的平均值，I_max为感兴趣目标体所对应的最大测量值，I_half为感兴趣目标体在检测电极平面投影区域内实测数据曲线的半峰值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的基于电磁场计算模型建立感兴趣目标体深度近似求解公式，求解过程是：

1）在电磁场模型计算时，设定感兴趣目标体引起的电场扰动感兴趣区域主要分布在检测电极面下的半球形区域内，同时假设扰动感兴趣目标体近似为球体；

2）在电磁场模型计算时，分别在检测区域中包含感兴趣目标体和不包含感兴趣目标体这两种条件下，求解检测电极表面的电流密度表达式；

3）利用检测电极平面的电流信息及相应电极单元的位置信息表示感兴趣目标区域的深度，得到感兴趣目标体的深度求解公式。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的建立电阻抗映射成像实际测量数值与感兴趣目标体深度近似求解公式中参数的对应关系，其步骤如下：

1）首先根据电阻抗映射成像二维灰度图确定感兴趣目标体在检测电极平面的投影区域范围；

2）求解感兴趣目标体在检测电极平面投影区域以外的所有测量值的平均值I_mean；

3）确定感兴趣目标体所对应的最大测量值I_max，及该最大测量值所对应的电极单元坐标(X_max,Y_max)；

4）确定感兴趣目标体在检测电极平面投影区域内实测数据曲线的半峰值I_half，即I_half=1/2(I_max-I_mean)，并进一步寻找接近I_half值的实测数据所对应检测电极单元的坐标（X_half,Y_half）；

5）建立实际测量数值与深度近似求解公式中各参数的对应关系。

Images