CN104055515B - 一种微创测量直肠电阻抗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微创测量直肠电阻抗的方法，属于生物组织电阻抗测量方法技术领域。在该方法中利用内窥镜、检测电极、控制电路等组成的系统来进行肠道电阻抗的测量；检测电极在肠道内部呈水平切面和垂直剖面均匀分布，采用水平测量和垂直测量两种方式相结合，从水平切面及垂直剖面上均可获取直肠组织返回的电信号，根据这些电信号分别进行切面上的成像，进而组合形成空间三维图形。该方法能够有效地构建三维成像模型，并在保证有效精度的前提下减小直接三维重构的计算量；本方法的稳定性、收敛性和图像质量都较高，测量方便，组合算法扩展性强。

Description

一种微创测量直肠电阻抗的方法

技术领域

本发明涉及一种测量组织电阻抗的方法，特别涉及一种微创测量直肠电阻抗的方法。

背景技术

直肠癌是指位于齿状线至乙状结肠、直肠交界处之间的癌。是胃肠道中常见的恶性肿瘤，发病率仅次于胃癌和食管癌，是大肠癌中最常见的一种(占60％左右)。绝大多数病人在40岁以上，30岁以下者约占15％，男性较多见，男女之比为2-3：1。

直肠癌在临床上早期常无症状，或者症状无特异，因而常不引起病员和初诊医师的重视,且直肠癌的检测技术也非常复杂。电阻抗成像是一种只需在物体表面进行测量，而重构出内部阻抗分布的手段。它通过注入电流到一个目标区域建立电场，随后对目标周边产生的电压进行测量。传统的电阻抗断层成像技术中，电极的放置通常局限于某个平面，然而，电阻抗成像本质上是一个三维问题，其电流不局限于在某个平面上流动，因此，二维图像重建通常会产生伪像。而三维电阻抗成像的主要问题是：系统无法负担复杂的算法，病态性使得算法有时难以实现，尤其是在边缘区域，最终造成重建图像中目标位置难以判断或形状扭曲。开放式电阻抗成像系统能够很好地实现物体的表层阻抗判定，但是受制于探测深度的因素，精度只能保证在2-3厘米的范围内。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微创测量直肠电阻抗的方法，该方法通过交叉平面电极阵列系统，测量交错的二维平面数据，能够更有效地构建三维成像模型，并在保证有效精度的前提下减小了直接三维重构的计算量。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种微创测量直肠电阻抗的方法，在该方法中利用内窥镜、检测电极、信号发生及采集装置来进行直肠电阻抗的测量；内窥镜用于实现定位并初步查看直肠内的情况；检测电极固定安装在内窥镜上，用于发送刺激电信号并接收直肠组织返回的电信号；信号发生及采集装置用于产生和接收电刺激信号，并对信号进行相应处理；

本方法中的检测电极在直肠内部呈水平切面和垂直剖面均匀分布，采用水平测量和垂直测量两种方式相结合，从水平切面及垂直剖面上均可获取直肠组织返回的电信号，根据这些电信号分别进行切面上的成像，进而组合形成空间三维图形。

进一步，所述水平测量采用混合正则化算法，垂直测量采用一步牛顿误差重建算法。

进一步，在该方法中，通过检测电极向直肠组织注入电流信号作为激励，电流注入的方式包括：相邻电极电流注入和相对电极电流注入。

进一步，在该方法中，还可以通过对检测电极与直肠表面上任意接触点进行激励，获取其余任意位置间电信号，进而实现多种组合测量方式。

进一步，在该方法中，还可以在内窥镜上设置气囊，气囊使检测电极与肠道内壁相接触，并在气囊表面上安装压力传感器，通过压力传感器来反馈检测电极与肠道内壁的接触程度。

本发明的有益效果在于：本发明所述方法通过交叉平面电极阵列系统，测量交错的二维平面数据，能够更有效地构建三维成像模型，并在保证有效精度的前提下减小直接三维重构的计算量。本算法的稳定性、收敛性和图像质量都较高，测量方便，组合算法扩展性强。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述方法的测量系统示意图；

图2为实施例中垂直方向上肠道内检测电极示意图；

图3为实施例中水平方向上肠道内检测电极示意图；

图4为实施例中的肠道模型示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明所述方法的测量系统示意图，如图所示，在该方法中利用内窥镜、检测电极、信号发生及采集装置来进行直肠电阻抗的测量；内窥镜用于实现定位并初步查看直肠内的情况；检测电极固定安装在内窥镜上，用于发送刺激电信号并接收直肠组织返回的电信号；信号发生及采集装置用于产生和接收电刺激信号，并对信号进行相应处理；

本方法中的检测电极在直肠内部呈水平切面和垂直剖面均匀分布(如图2和图3)，采用水平测量和垂直测量两种方式相结合，从水平切面及垂直剖面上均可获取直肠组织返回的电信号，根据这些电信号分别进行切面上的成像，进而组合形成空间三维图形。

作为一种改进，在本实施例中，还可以在内窥镜上设置气囊，气囊使检测电极与肠道内壁相接触，并在气囊表面上安装压力传感器，通过压力传感器来反馈检测电极与肠道内壁的接触程度。

在本实施例中，本方法中采用的装置包括内窥镜、探测电极、压力传感器、气囊、信号发生及采集装置；所述气囊使探测电极与肠道内壁相接触，使用压力传感器来反馈二者的接触程度，薄膜气囊具备较好伸缩性且对人体无害，充气控制采用压力反馈的方式，根据不同大小的肠腔实现自适应控制，对操作人员无特殊技能要求；信号发生及采集装置部分包括有：多频恒流模块，用来产生不同频率的正弦波形，并实现恒流输出，产生与激励信号同步的解调载波信号；电极选通模块主要是控制电流注入和电压测量；信号处理模块对交流信号进行处理，得到可用的成像数据；成像数据采集与通信模块完成对直流电平的采集，并将采集到的成像数据通过串口传输到计算机上进行成像。

系统工作的具体流程如下：1)采用通过附在内窥镜上的气囊使探测电极与肠道内壁相接触，使用压力传感器来反馈接触程度，然后调节气囊的充气状态，2)PC机运行，发送指令给信号发生及采集装置，产生激励信号；3)激励信号经过信号预处理电路，转换成模拟激励信号；4)信号发生及采集装置通过PC指令获得测量方式，选择激励电极组；5)由所选的测量方式，控制模拟开关，获取相应测量电极间的电压信号；6)所获得的信号通过信号滤波和模数转换后，被传送至外部处理装置(PC机)进一步处理；7)根据测量方式，轮换激励电极组，轮换相应测量电极组，依次测得所有信号；8)当相应测量方式的所有激励及测量组合完成后，完成物体三维空间上的电阻抗图像重构。

在本发明所述的方法中，采用了水平测量和垂直测量两种方式，下面通过具体实施例进行说明：

图4为本实施例中的肠道模型图，其第一层距底部6mm，之后的每一层间隔为4mm。从水平方向上看，电极被分布在了3个不同的片层上，每层的8个电极等间距环状地分布在直肠模型周围，该分布方式的良好对称性可以提供精确可靠的测量结果。

测量方式有两种，一种是水平测量，一种是垂直测量。电流的注入方式也有两种，一种是相邻注入，一种是相对注入。

在垂直方向上，进行仿真的模拟图为图2，电流的注入方式选择为相邻注入，在垂直的方向上，测量每条垂直线上两端的两个电极的电压，如图所示的电极1与电极3，电极4与电极6等等，通过比较测量出的电压的差异，能很快确定出异物所在的区域，如图所示的电极1与电极3之间，当确定异物所在的垂直线时，在对该条垂直线上的电极进行两两相邻测量，如图所示的电极与电极2，电极2与电极3，可以确定出异物的位置在电极1与电极2之间，进一步细化判断异物所在的位置。

在水平方向上，进行的仿真模拟图为图3，电流的注入方式依然采用相对注入，在水平的方向上，测量每条水平线上相对的两端上的两个电极的电压，如图所示，先测量layer3中的电极1与电极5之间的电压，通过比较测量出的电压的差异，能很快确定出异物所在的区域，如图所示为图的下半部分，当确定异物所在的大致区域时，在对该条水平面上的电极进行两两相邻测量，如图所示的电极1与电极2，电极2与电极3，电极3与电极4，电极4与电极5，通过比较进一步细化判断异物所在的位置在电极4与电极5之间，其他层的电极测量与该层类似。

在本方法中，还有一种方式是对任意不同平面层的两个电极进行测量，对异物的位置的与上述两种方式类似。

对图像进行重构：

在水平方向上采用的是混合正则化算法，具体如下：

对于二维场域Ω内的EIT问题，其电导率与电位分布满足Laplace方程：

其中Δ为Laplace算子，σ为Ω内的电导率分布，为边界电位分布，V_r为边界处的测量电压，I_n为边界激励电流密度，为区域边界，通常被离散化成有限个电极，n为边界外法线方向。EIT问题就是已知边界处的I_n和V_n求解场域内电导率的分布σ，它是一个非线性病态逆问题，通常EIT逆问题的解析难以直接得到，而需要用迭代的最小二乘解来近似。在EIT逆问题重构中加入Tikhonov这则话函数后的最小二乘问题和迭代形式为：

其中h(σ)为计算的电极电位，d为测量的电极电位，J为雅可比矩阵，α>0为Tikhonov正则化因子；L为特定的正则化矩阵，通常L＝I。

在Tikhonov正则化算法的罚函数项增加变差函数项，具体描述形式为：

其中β为变差正则化参数，V(σ)为变差函数。

变差函数可以表示为：

其中M为N_edge×N_{ele ment}的单元边相关矩阵，M矩阵中的第i行各列元素代表某单元是否与第i条单元边相关，如相关，则对应列元素取值为1，否则取值为0，M矩阵为稀疏矩阵。

上面的公式：

描述的EIT逆问题，可归结为寻找使泛函数ψ(σ)最小的电导率分布σ的这样一个最小二乘问题，本算法利用的是Newton-Raphson迭代算法对其求解，迭代形式为：

上式中，泛函数ψ(σ)的一阶导数和二阶导数为：

其中，P、Q均为对角线矩阵，对角线上的元素为：

在垂直方向上采用一步牛顿误差重建算法，具体算法如下：Ω是半径为R的圆柱体的场域，为场域边界，u为电势，σ为电阻率，则边界值满足：

其中n为边界外法向方向，j为边界激励电流密度。

目标是重建物体的电阻抗分布，为了保证图像很好的空间分辨率，本实施例中采用了L-1个不同的电流驱动模式，即：

因而在L个电极上的电压值为：

采用电压测量做为电流电极测量的中心，对模型进行有限元三角剖分，由此得出第K个电流模式：

因此解决相反问题的目标是找到电导率σ来最小化将物体划分为N个体元，在这N个体元当中，电导率假设为一个常数，因此得到了下面的公式：

其中x_n为第n个体元的特征函数。在leastsquare中，最小化误差为：

最小值为：

假设初始电导率估计为σ_i,则新的估算为：

依次迭代做下去，直到几乎接近0。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种微创测量直肠电阻抗的装置，其特征在于：包括内窥镜、检测电极、信号发生及采集装置，内窥镜用于实现定位并初步查看直肠内的情况；检测电极固定安装在内窥镜上，用于发送刺激电信号并接收直肠组织返回的电信号；信号发生及采集装置用于产生和接收电刺激信号，并对信号进行相应处理；

检测电极呈水平切面和垂直剖面均匀分布，采用水平测量和垂直测量两种方式相结合，从水平切面及垂直剖面上均可获取直肠组织返回的电信号，根据这些电信号分别进行切面上的成像，进而组合形成空间三维图形；

所述水平测量采用混合正则化算法，垂直测量采用一步牛顿误差重建算法；

通过检测电极向直肠组织注入电流信号作为激励，电流注入的方式包括：相邻电极电流注入和相对电极电流注入。

2.根据权利要求1所述的微创测量直肠电阻抗的装置，其特征在于：通过对检测电极与直肠表面上任意接触点进行激励，获取其余任意位置间电信号，进而实现多种组合测量方式。

3.根据权利要求1或2所述的微创测量直肠电阻抗的装置，其特征在于：在内窥镜上设置气囊，气囊使检测电极与肠道内壁相接触，并在气囊表面上安装压力传感器，通过压力传感器来反馈检测电极与肠道内壁的接触程度。