CN103156604B

CN103156604B - 超声协同的生物组织电阻抗成像方法

Info

Publication number: CN103156604B
Application number: CN201310104466.1A
Authority: CN
Inventors: 徐文龙; 张宁; 徐冰俏
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2033-03-26
Also published as: CN103156604A

Abstract

本发明公开了一种超声协同的生物组织电阻抗成像方法，包括以下步骤：(1)在生物组织表面设置若干个电激励和探测导联；另采用超声激励源产生超声波并经超声驱动聚焦于生物组织内部；(2)对聚焦于生物组织内部的超声波进行连续定位，从而完成对生物组织整体或局部的扫描；(3)信号采集：超声波聚焦定位于某一空间位置，则会产生一个与该空间位置电阻抗相对应的高频信号，由多路探测导联采集信号并经过放大和滤波后输出，在完成超声波聚焦扫描后；(4)将采集后的电压信号导入计算机，根据采集到对生物组织整体或局部扫描后得到信号，计算和重建生物组织的电阻抗分布。本发明的电阻抗成像方法能够获得高精度、高分辨率的电阻抗成像。

Description

超声协同的生物组织电阻抗成像方法

技术领域

本发明涉及生物组织成像领域，具体地讲是一种超声协同的生物组织电阻抗成像方法。

背景技术

医学图像具有直观、形象和信息量大的特点，在临床诊断中具有重要地位。随着医学成像技术的进步，医学影像已经从解剖结构成像发展到功能成像，即医学图像不仅可以显示疾病解剖结构的形态变化，而且可以反映机体器官的功能及相关的生理、生化变化，能够检测到其生理活动的异常，从而为疾病诊断提供了重要的信息，推动了医学的进步与发展。

传统电阻抗断层成像技术(Electrical Impedance Tomography，EIT)根据不同人体内组织具有不同的电阻抗特性的物理现象，通过对人体施加一个安全恒定的电压或电流，通过测量电极测量体表电流或电压的来重建人体内部的电阻抗分布图像，是近年来医学成像领域的研究热点之一。由于人体组织的生理功能变化(如：组织充血和放电等)能引起组织阻抗的变化，组织病理改变也能引起组织阻抗的变化(如癌变等)，因此EIT除了能实现类似于X射线成像、计算机断层扫描成像(CT)、核磁共振成像(MRI)和超声成像等结构成像的功能外，还可以得到反映生物组织生理状态变化的图像，这在研究人体生理功能和疾病诊断方面有重要的临床价值。利用EIT技术，可以显示人体内组织的阻抗分布图像、人体组织随频率变化图像、人体器官进行生理活动(如呼吸、心脏搏动)时的阻抗变化图像等，在临床上可用于检测和监护。该技术具有无损伤、低成本、操作简单和信息丰富等特点。

现有技术的EIT是一个典型的高度病态的非线性逆问题求解过程，在成像理论和具体实现等方面都存在的难以克服的困难限制了EIT技术的应用和发展，主要问题和难点有以下几个方面：

1、EIT成像的建模问题

由于电磁场在人体内的分布是非线性的，而且在实际测量中受到多种因素的影响，如何建立一个准确描述电磁场分布的EIT模型是一个难点，一般以有限元方法建模为主。

2、信息量少

EIT技术中电流、电压数据等信息是通过安置在研究对象表面的一系列电极获得的，电极数量决定了最大的可利用信息量。在实际应用中，由于受研究对象空间特点的限制，可安置的电极数量是有限的，因而可以获取的信息也十分有限。从EIT成像原理可以分析出：信息量少是制约EIT图像空间分解率的主要因素，这只能从成像算法上尽可能地利用有限信息，提高成像质量。

3、病态性

EIT图像重建是一个严重病态的非线性逆问题。它的病态性表现为固有病态性和重构过程病态性两个方面。所谓固有病态性是指边界电压对分析区域中心电学参数的变化不敏感，重构过程的病态性则是重构图像易受测量数据的误差影响，抗干扰性差。

4、计算量大

EIT成像计算量很大，随电极数增多、有限元剖分规模增大，计算量呈几何级数增加，如何在保证分辨率的前提下缩短运算时间，提高实时性，是一个实际问题。这需要在成像算法理论和算法实现两个方面采取措施。

正是以上这些技术问题使得EIT技术难以实现有效的高精度、高分辨率成像，造成EIT技术在临床应用的进展一直较为缓慢。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种将超声与电阻抗成像相结合，并能实现高精度、高分辨率成像的超声协同的生物组织电阻抗成像方法。

本发明的技术解决方案是，提供以下步骤的超声协同的生物组织电阻抗成像方法，包括以下各步骤：

(1)在生物组织表面设置若干个电激励和探测导联，由可控激励信号发生器产生激励信号，并传递给激励导联，从而对生物组织产生电激励；采用超声激励源产生超声波并经超声驱动、超声聚焦于生物组织内部；

(2)对聚焦于生物组织内部的超声波进行连续定位，从而完成对生物组织整体或局部的扫描；

(3)信号采集：超声波聚焦定位于某一空间位置，则会产生一个与该空间位置电阻抗相对应的高频信号，由多路探测导联采集信号并经过放大和滤波后输出，在完成超声波聚焦扫描后，便能得到生物组织整体或局部的一组信号；

(4)将采集后的电压信号导入计算机，根据采集到对生物组织整体或局部扫描后得到信号，计算和重建生物组织的电阻抗，从而实现生物组织的电阻抗成像。

采用本发明的方法，与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明将超声波引入传统电阻抗成像技术中，二者产生协同作用，在超声波的定位扫描下，能够得到相应点的高频电信号，能采集到大量均匀分布的信息，并根据这些点反映的数据信息计算和重建生物组织的电阻抗分布，从而得到生物组织整体或局部的电阻抗成像；本发明的电阻抗成像方法便于电阻抗的重建，能都得到高精度、高分辨率的电阻抗成像。

作为改进，步骤4中的电阻抗计算和重建是指，在聚焦超声作用下，激励导联在生物组织的边界注入固定的电流g，对于Ω空间内的任何一点x，聚焦到该位置的超声波可以被视为该点的一个扰动函数，对于原来的边界上测量电压h(y)来说产生了一个扰动h_x(y)。通过聚焦点x在整个空间内Ω的扫描，可以获得一系列的函数h_x，x∈Ω，利用这系列函数可以计算和重建整个空间的电阻抗分布σ，Ω空间是指生物组织所占的空间位置。这种重建方法能有效避免传统EIT重建中的病态性和稳定性问题。

作为改进，步骤3中的信号放大和滤波是通过以下方法实现的：多路探测导联通过一个截断频率为480kHz的模拟高通滤波器连接到一个增益为20dB、带宽为2～5MHz的差分放大器上，输出的信号再通过放大器再放大29dB，信号的采样频率为5MHz。该信号处理方法能够将声电信号从采集到的信号中分离和放大，进一步提高了成像的清晰度。

作为改进，步骤1和2中，超声波的聚焦范围为短轴为1mm，长轴为3-4mm的椭圆形，以1mm为步长在生物组织表面进行生物组织内部聚焦定位扫描；该聚焦范围相比导联场达厘米级的积分范围小的多，超声束起到类似狄拉克(Dirac)函数的筛选作用。

作为改进，步骤4中，生物组织电阻抗重建的方法包括以下步骤：在获得电压测量信号以后，基于增广拉格朗日和交替方向算法对电阻抗分布进行重建，电阻抗测量的线性模型为：

b＝Jx+n

其中：是介质内电阻抗变化率向量；是测量电压向量；则是关联电导率变化和测量电压变化的雅克比矩阵；

其各向同性的总变差模型为：

\min \frac{μ}{2} {| | Jx - b | |}_{2}^{2} + \underset{i}{Σ} {| | D_{i} x | |}_{1}

其中D₁是x在位置i的离散梯度向量，μ是总变差模型的惩罚因子；

定义则可以通过对以下增广拉格朗日问题的优化来获得电阻抗分布x：

\min \underset{i}{Σ} ({| | w_{i} | |}_{1} - v_{i}^{T} (D_{i} x - w_{i}) + \frac{β}{2} {| | D_{i} x - w_{i} | |}_{2}^{2}) - λ^{T} (Jx - b) + \frac{μ}{2} {| | (Jx - b) | |}_{2}^{2}

附图说明

图1为本发明超声协同的生物组织电阻抗成像方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的超声协同的生物组织电阻抗成像方法，包括以下步骤：

步骤4中的电阻抗计算和重建是指，在聚焦超声作用下，激励导联在生物组织的边界注入固定的电流g，对于Ω空间内的任何一点x，聚焦到该位置的超声波可以被视为该点的一个扰动函数，对于原来的边界上测量电压h(y)来说产生了一个扰动h_x(y)。通过聚焦点x在整个空间内Ω的扫描，可以获得一系列的函数h_x，x∈Ω，利用这系列函数可以计算和重建整个空间的电阻抗分布σ，Ω空间是指生物组织所占的空间位置。

步骤3中的信号放大和滤波是通过以下方法实现的：多路探测导联通过一个截断频率为480kHz的模拟高通滤波器连接到一个增益为20dB、带宽为2～5MHz的差分放大器上，输出的信号再通过放大器再放大29dB，信号的采样频率为5MHz。

步骤1和2中，超声波的聚焦范围为短轴为1mm，长轴为3-4mm的椭圆形，以1mm为步长在生物组织表面进行生物组织内部聚焦定位扫描；该聚焦范围相比导联场达厘米级的积分范围小的多，超声束起到类似狄拉克(Dirac)函数一样的筛选作用。

步骤4中，生物组织电阻抗重建的方法包括以下步骤：在获得电压测量信号以后，基于增广拉格朗日和交替方向算法对电阻抗分布进行重建，电阻抗测量的线性模型为：

b＝Jx+n

其各向同性的总变差模型为：

\min \frac{μ}{2} {| | Jx - b | |}_{2}^{2} + \underset{i}{Σ} {| | D_{i} x | |}_{1}

\min \underset{i}{Σ} ({| | w_{i} | |}_{1} - v_{i}^{T} (D_{i} x - w_{i}) + \frac{β}{2} {| | D_{i} x - w_{i} | |}_{2}^{2}) - λ^{T} (Jx - b) + \frac{μ}{2} {| | (Jx - b) | |}_{2}^{2}

以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。总之，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种超声协同的生物组织电阻抗成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

(4)根据采集到对生物组织整体或局部扫描后得到信号，计算和重建生物组织的电阻抗，从而实现生物组织的电阻抗成像；

b＝Jx+n

其各向同性的总变差模型为：

\min \frac{μ}{2} {| | Jx - b | |}_{2}^{2} + \underset{i}{Σ} {| | D_{i} x | |}_{1}

其中Di是x在位置i的离散梯度向量，μ是总变差模型的惩罚因子；

\min \underset{i}{Σ} ({| | w_{i} | |}_{1} - v_{i}^{T} (D_{i} x - w_{i}) + \frac{β}{2} {| | D_{i} x - w_{i} | |}_{2}^{2}) - λ^{T} (Jx - b) + \frac{μ}{2} {| | (Jx - b) | |}_{2}^{2} .

2.根据权利要求1所述的超声协同的生物组织电阻抗成像方法，其特征在于：步骤4中的电阻抗计算和重建是指，在聚焦超声作用下，激励导联在生物组织的边界注入固定的电流g，对于Ω空间内的任何一点x，聚焦到该x点的超声波可以被视为该点的一个扰动函数，对于原来的边界上测量电压h(y)来说产生了一个扰动h_x(y)，通过聚焦点x在整个空间内Ω的扫描，可以获得一系列的函数h_x，x∈Ω，利用这系列函数可以计算和重建整个空间的电阻抗分布σ，Ω空间是指生物组织所占的空间位置。

3.根据权利要求1所述的超声协同的生物组织电阻抗成像方法，其特征在于：步骤3中的信号放大和滤波是通过以下方法实现的：多路探测导联通过一个截断频率为480kHz的模拟高通滤波器连接到一个增益为20dB、带宽为2～5MHz的差分放大器上，输出的信号再通过放大器再放大29dB，信号的采样频率为5MHz。

4.根据权利要求1所述的超声协同的生物组织电阻抗成像方法，其特征在于：步骤1和2中，超声波的聚焦范围为短轴为1mm，长轴为3-4mm的椭圆形，以1mm为步长在生物组织表面进行生物组织内部聚焦定位扫描。