CN105662410B - 一种聚焦式的电阻抗断层成像信号检测系统 - Google Patents
一种聚焦式的电阻抗断层成像信号检测系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种聚焦式的电阻抗断层成像信号检测系统，其聚焦式电极阵列(1)均匀分布在三维研究物体周围，激励电流源模块的输出、聚焦电流源模块的输出和信号检测处理模块的输入分别与聚焦式电极阵列(1)连接。控制模块的输出分别与聚焦式电极阵列(1)、激励电流源模块的输入、聚焦电流源模块的输入、信号检测处理模块的输入连接。电阻抗断层成像算法模块的输入与信号检测处理模块的输出连接。本发明通过分布在聚焦式电极两端的聚焦电极(5、6)向三维研究物体注入电流，在物体内部形成电流屏蔽面，限制了主电极(2)注入的电流的三维发散，通过求解主电极(2)注入电流流通界面S的断面电导率信息反演整个三维研究物体的电导率分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种电阻抗断层成像信号检测系统，特别涉及一种聚焦式的电阻抗断层成像检测系统。
背景技术
电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography,简称EIT)是根据人体内不同组织在不同的生理、病理状态下具有不同的电阻/电导率，采用各种方法给人体施加小的安全驱动电流/电压，通过驱动电流/电压在人体的测量响应信息，重建人体内部的电阻率分布或其变化的图像技术。电组抗断层成像技术由于其可以对人体组织实现功能成像，因而在某些癌症等疾病的早期检查诊断时，具有独特的优势。
目前的电阻抗成像系统大都集中于二维断层成像，而对于三维研究物体，由于布置在研究对象表面的电极向研究对象注入电流后，在研究对象内部会发生电流三维发散现象，对二维断层成像阻抗信号的检测和图像重建的结果都产生十分重要的影响。为此，国内外很多专家学者都对三维研究物体的电阻抗成像信号检测系统以及检测方法进行了研究。
在三维电阻抗成像方面，可以通过设置多层电极阵列，检测同一时刻多个断层的数据来反映三维EIT成像结果。Rabbani等人采用两个电极平面来定义三维研究物体，实现了三维EIT成像；1999年，Vauhkonen等人将全电极模型应用到了三维研究物体的EIT的信号检测，取得了较好的效果；Sheffield大学的研究组采用三维电极进行了三维EIT检测成像可行性方面的研究；天津生物医学工程研究院采用空间电阻网络模拟三维EIT成像的被测场域的方法实现三维EIT的测试和评价。另外，宫莲、Hyaric、Tzu-Jen Kao等人从算法上对三维EIT算法进行了改进。
由上可知，目前在二维物体EIT成像方面的研究较为深入，而三维研究物体由于电流的发散，EIT成像信号的检测受到了限制，无论是三维EIT检测的系统设计，还是三维EIT成像算法的改进，都需要检测大量的信号数据，一方面加大了检测的难度，另一方面加大了计算的数据量。从根本上来讲，三维研究物体的EIT成像问题并没有得到很好地解决。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有的电阻抗断层成像信号检测系统的缺点，提出一种聚焦式的电阻抗断层成像信号检测系统。
本发明聚焦式电阻抗断层成像信号检测系统主要包括：聚焦式电极阵列、激励电流源模块、聚焦电流源模块、信号检测处理模块、控制模块和电阻抗断层成像算法模块；所述的聚焦式电极阵列均匀分布在三维研究物体周围，所述的激励电流源模块的输出端、聚焦电流源模块的输出端、控制模块的输入端和信号检测处理模块的输入端分别与聚焦式电极阵列连接；控制模块的输出端分别与激励电流源模块的输入端、聚焦电流源模块的输入端、信号检测处理模块的输入端连接，电阻抗断层成像算法模块的输入端与信号检测处理模块的输出端连接。
所述的激励电流源模块由恒流产生模块和多路开关选择模块组成。恒流产生模块用于产生激励稳恒电流，它的输出端与多路开关选择模块的输入端相连。多路开关选择模块具有多路输出，可以根据由控制模块输入的选择控制信号，将多路开关选择模块的输入端口与多路开关选择模块的任意输出端口在模块内部直接相连，把恒流产生模块输入的稳恒电流信号作为输出信号输出。
所述的聚焦式电极阵列由无连接关系的多组聚焦式电极组成，每组聚焦式电极由一个独立的主电极、两对等位电极和两个聚焦电极组成；主电极位于聚焦式电极的中间，两个聚焦电极分别位于聚焦式电极的上下两端，主电极与上下两个聚焦电极之间各有一对等位电极；多组聚焦式电极均布在三维研究物体的外周，位于同一平面；主电极、等位电极与聚焦电极均采用金属材料制成；其中，每一个主电极都分别与激励电流源模块的输出端以及信号检测处理模块的输入端对应相连，每一个聚焦电极与聚焦电流源模块的输出端对应相连；等位电极用于监测电压信号，与控制模块的输入端相连；主电极既作为激励电极，也作为检测电极使用；主电极根据控制信号将其中的一部分主电极作为激励电极，用于向物体注入激励电流信号，其余主电极检测自身位置处的电压信号。聚焦电极作为激励电极，用于向物体注入聚焦电流信号。
所述聚焦式电阻抗断层成像信号检测系统的基本原理是：当主电极向三维研究物体注入电流时，通过调整聚焦电极的注入电流，使位于聚焦电极和主电极之间的等位电极对上的电压差为零，等位电极对之间形成一个等电位区域，屏蔽了电流的流通。在同一平面的多个上等位电极对之间形成的电流屏蔽区彼此相连构成了一个电流屏蔽面，阻止了主电极注入电流向上的传输。同样在同一平面的多个下等位电极对之间也形成了一个电流屏蔽面，阻止了主电极注入电流向下的传输。两个电流屏蔽面相互平行，使主电极注入得电流只能在两个电流屏蔽面之间传输，限制了主电极注入电流的三维发散。利用主电极上注入的电流以及检测的电压信号便可以得到整个电流流通界面的电阻抗断层成像信息，进而可以通过移动聚焦式电极阵列得到三维研究物体的电阻抗断层成像的图像信息。
由聚焦电极注入电流形成的电流屏蔽面，可以防止主电极注入电流在垂直电流屏蔽面方向上的电流发散，因而比较现有的三维电阻抗断层成像信号检测系统，不需要检测同一时刻多个断层的数据，数据量大为减少，成像算法也可以直接应用现有的二维电阻抗断层成像算法，计算效率以及计算的准确性大为提高。
本发明检测系统的工作过程如下：
1)当一部分主电极在控制信号控制下向三维研究物体注入电流时，控制模块向聚焦电流源模块发送控制信号，使聚焦电流源模块通过聚焦电极向三维研究物体注入电流，并调整聚焦电极注入的电流，保证聚焦式电极阵列中主电极两侧的各等位电极对之间的电压差均为零，形成平行的电流屏蔽面；
2)电流屏蔽面的存在限制了主电极注入电流在垂直电流屏蔽面方向上的电流发散，在两个电流屏蔽面之间形成了电流的流通界面；
3)控制模块控制未注入电流的主电极检测电流流通界面边沿上的电压，并将此电压信号输送给信号检测处理模块；
4)控制模块控制信号检测处理模块对电压信号进行放大、滤波等调理；
5)信号检测处理模块将调理后的信号输送给电阻抗断层成像算法模块，电阻抗断层成像算法模块利用电阻抗断层成像算法对输送来的信号进行处理，分析和反演计算，得到三维研究物体中主电极注入电流流通界面的断面电导率信息；
6)沿着三维研究物体的表面移动聚焦式电极阵列，重复所述步骤1)-5)，得到三维研究物体的不同断面电导率信息，将这些断面电导率信息进行整合，得到三维研究物体的电阻抗断层成像图像。
所述的电阻抗断层成像算法在现有的文献、专著等资料中有详细的论述，算法类型也有很多，如滤波反投影电阻抗断层成像算法、牛顿-拉夫逊迭代电阻抗断层成像算法，敏感矩阵电阻抗断层成像算法等，都可以直接应用于本系统的检测方法中。
本发明所述的聚焦式的电阻抗断层成像信号检测系统限制了注入电流在三维研究物体内部的三维发散现象，克服了现有三维研究物体电阻抗断层成像信号检测系统检测方法复杂，数据量、计算量大，反演重建困难的缺点，将原有的三维电阻抗断层成像问题转化为研究较为成熟、深入的二维电阻抗断层成像问题，检测效率较高，更接近于实际应用的需要。
附图说明
图1本发明聚焦式电阻抗断层成像信号检测系统原理框图；
图2本发明检测系统的激励电流模块原理框图；
图3本发明电阻抗断层成像信号检测示意图；
图4本发明电阻抗断层成像信号检测的径向剖面示意图；
图5本发明电阻抗断层成像信号检测的轴向剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明聚焦式电阻抗断层成像信号检测系统主要包括：聚焦式电极阵列1、激励电流源模块、聚焦电流源模块、信号检测处理模块、控制模块和电阻抗断层成像算法模块；所述的聚焦式电极阵列1均匀分布在三维研究物体周围，所述的激励电流源模块的输出端、聚焦电流源模块的输出端、控制模块的输入端和信号检测处理模块的输入端分别与聚焦式电极阵列1连接；控制模块的输出端分别与激励电流源模块的输入端、聚焦电流源模块的输入端、信号检测处理模块的输入端连接，电阻抗断层成像算法模块的输入端与信号检测处理模块的输出端连接。
所述的激励电流源模块由恒流产生模块和多路开关选择模块组成，如图2所示。恒流产生模块用于产生激励稳恒电流，它的输出端与多路开关选择模块的输入端相连。多路开关选择模块具有多路输出，可以根据由控制模块输入的选择控制信号，将多路开关选择模块的输入端口与多路开关选择模块的任意输出端口在模块内部直接相连，把恒流产生模块输入的稳恒电流信号作为输出信号输出。
所述的聚焦式电极阵列1由无连接关系的多组聚焦式电极组成，每组聚焦式电极由一个独立的主电极2、两对等位电极3、4和两个聚焦电极5、6组成；主电极2位于聚焦式电极的中间，两个聚焦电极5、6分别位于聚焦式电极的上下两端，主电极2与上下两个聚焦电极5、6之间各有一对等位电极3、4；多组聚焦式电极均布在三维研究物体的外周，位于同一平面；主电极2、等位电极3、4与聚焦电极5、6均采用金属材料制成；其中，每一个主电极2都分别与激励电流源模块的输出端以及信号检测处理模块的输入端对应相连，每一个聚焦电极与聚焦电流源模块的输出端对应相连；等位电极3、4用于监测电压信号，与控制模块的输入端相连；主电极2既作为激励电极，也作为检测电极使用；主电极2根据控制信号将其中的一部分主电极作为激励电极，用于向物体注入激励电流信号，其余主电极检测自身位置处的电压信号。聚焦电极5、6作为激励电极，用于向物体注入聚焦电流信号。
所述聚焦式电阻抗断层成像信号检测系统的基本原理是：当主电极2向三维研究物体Ω注入电流时，通过调整聚焦电极5、6的注入电流，使位于聚焦电极和主电极之间的等位电极对3或4上的电压差为零，等位电极对之间形成一个等电位区域，屏蔽了电流的流通。在同一平面的多个上等位电极对3之间形成的电流屏蔽区彼此相连构成了一个电流屏蔽面S1，阻止了主电极注入电流向上的传输。同样在同一平面的多个下等位电极对4之间也形成了一个电流屏蔽面S2，阻止了主电极注入电流向下的传输。两个电流屏蔽面相互平行，使主电极注入得电流只能在两个电流屏蔽面之间传输，限制了主电极注入电流的三维发散。利用主电极上注入的电流以及检测的电压信号便可以得到整个电流流通界面的电阻抗断层成像信息，进而可以通过移动聚焦式电极阵列得到三维研究物体Ω的电阻抗断层成像的图像信息。三维研究物体的电阻抗断层成像检测的示意图以及径向和轴向的剖面示意图如图3、图4和图5所示。
由聚焦电极5、6注入电流形成的电流屏蔽面S1、S2，可以防止主电极2注入电流在垂直电流屏蔽面方向上的电流发散，因而比较现有的三维电阻抗断层成像信号检测系统，不需要检测同一时刻多个断层的数据，数据量大为减少，成像算法也可以直接应用现有的二维电阻抗断层成像算法，计算效率以及计算的准确性大为提高。
采用本发明信号检测系统的工作过程如下：
1)当一部分主电极2在控制信号控制下向三维研究物体Ω注入电流时，控制模块向聚焦电流源模块发送控制信号，使聚焦电流源模块通过聚焦电极5、6向三维研究物体注入电流，并调整聚焦电极注入的电流，保证聚焦式电极阵列1中主电极2两侧的各等位电极对之间的电压差均为零，形成平行的电流屏蔽面S1、S2；
2)电流屏蔽面S1、S2的存在限制了主电极2注入电流在垂直电流屏蔽面方向上的电流发散，在两个电流屏蔽面之间形成了电流的流通界面S；
3)控制模块控制未注入电流的主电极2检测电流流通界面S边沿上的电压，并将此电压信号输送给信号检测处理模块；
4)控制模块控制信号检测处理模块对电压信号进行放大、滤波等调理；
5)信号检测处理模块将调理后的信号输送给电阻抗断层成像算法模块，电阻抗断层成像算法模块利用电阻抗断层成像算法对输送来的信号进行处理，分析和反演计算，得到三维研究物体中主电极2注入电流流通界面S的断面电导率信息；
6)沿着三维研究物体Ω的表面移动聚焦式电极阵列，重复所述步骤1)-5)，得到三维研究物体的不同断面电导率信息，将这些断面电导率信息进行整合，得到三维研究物体的电阻抗断层成像图像。
所述电阻抗断层成像算法，如滤波反投影电阻抗断层成像算法、牛顿-拉夫逊迭代电阻抗断层成像算法，敏感矩阵电阻抗断层成像算法等，都可以直接应用于本系统的检测方法中。
Claims (2)
1.一种聚焦式的电阻抗断层成像信号检测系统，其特征在于：所述的检测系统包括：聚焦式电极阵列（1）、激励电流源模块、聚焦电流源模块、信号检测处理模块、控制模块和电阻抗断层成像算法模块；所述的聚焦式电极阵列（1）均匀分布在三维研究物体周围，所述的激励电流源模块的输出端、聚焦电流源模块的输出端、控制模块的输入端和信号检测处理模块的输入端分别与聚焦式电极阵列（1）连接；控制模块的输出端分别与激励电流源模块的输入端、聚焦电流源模块的输入端、信号检测处理模块的输入端连接，电阻抗断层成像算法模块的输入端与信号检测处理模块的输出端连接；
所述的聚焦式电极阵列（1）由无连接关系的多组聚焦式电极组成，每组聚焦式电极由一个独立的主电极（2）、两对等位电极（3、4）和两个聚焦电极（5、6）组成；主电极（2）位于聚焦式电极的中间，两个聚焦电极（5、6）分别位于聚焦式电极的上下两端，主电极（2）与上下两个聚焦电极（5、6）之间各有一对等位电极（3、4）；多组聚焦式电极均布在三维研究物体的外周，位于同一平面；主电极（2）、等位电极（3、4）与聚焦电极（5、6）均采用金属材料制成；其中，每一个主电极（2）都分别与激励电流源模块的输出端以及信号检测处理模块的输入端对应相连，每一个聚焦电极与聚焦电流源模块的输出端对应相连；等位电极（3、4）用于监测电压信号，与控制模块的输入端相连；主电极（2）既作为激励电极，也作为检测电极使用；主电极（2）根据控制信号将其中的一部分主电极作为激励电极，用于向物体注入激励电流信号，其余主电极检测自身位置处的电压信号；聚焦电极（5、6）作为激励电极，用于向物体注入聚焦电流信号。
2.按照权利要求1所述的信号检测系统，其特征在于：所述的信号检测系统的工作过程如下：
1）当一部分主电极（2）在控制信号控制下向三维研究物体注入电流时，控制模块向聚焦电流源模块发送控制信号，使聚焦电流源模块通过聚焦电极（5、6）向三维研究物体注入电流，并调整聚焦电极注入的电流，保证聚焦式电极阵列中主电极两侧的各等位电极对之间的电压差均为零，形成平行的电流屏蔽面（S1、S2）；
2）电流屏蔽面的存在限制了主电极（2）注入电流在垂直电流屏蔽面方向上的电流发散，在两个电流屏蔽面之间形成了电流的流通界面（S）；
3）控制模块控制未注入电流的主电极（2）检测电流流通界面边沿上的电压，并将此电压信号输送给信号检测处理模块；
4）控制模块控制信号检测处理模块对电压信号进行放大、滤波调理；
5）信号检测处理模块将调理后的信号输送给电阻抗断层成像算法模块，电阻抗断层成像算法模块利用电阻抗断层成像算法对输送来的信号进行处理，分析和反演计算，得到三维研究物体中主电极（2）注入电流流通界面S的断面电导率信息；
6）沿着三维研究物体的表面移动聚焦式电极阵列（1），重复所述步骤1）-5），得到三维研究物体的不同断面电导率信息，将这些断面电导率信息进行整合，得到三维研究物体的电阻抗断层成像图像。
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