CN104055515B - 一种微创测量直肠电阻抗的方法 - Google Patents
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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
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,Vr为边界处的测量电压,In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In和Vn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Nedge×Nele 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xn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σi,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。
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