CN112150572A - 一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于动态电阻抗成像技术领域，公开一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制方法及装置，用于抑制动态电阻抗成像临床连续监护过程中由于头皮‑电极接触阻抗变化导致的图像伪影，该方法基于具有N个电极的数据采集系统，利用(N‑1)个电极进行成像，排除第M号电极对图像的贡献和不利影响，通过差分N个电极数据获取的图像和排除第M号电极数据后获取的图像，获取第M号电极导致的接触阻抗图像伪影，重复以上步骤获得全部电极可能对应的伪影图像，再将伪影图像与原图像差分，获取抑制了电极接触阻抗伪影的阻抗图像。本发明能有效抑制电阻抗图像上由于电极接触阻抗发生变化导致的图像伪影。

Description

一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制方法及 装置

技术领域

本发明属于动态电阻抗成像技术领域，尤其涉及一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制方法及装置。

背景技术

动态电阻抗断层成像技术是一种时差电阻抗功能成像技术，通过均匀环贴在体表的电极，实时连续地向人体施加安全激励电流并测量边界电压，利用不同时刻的数据，以其中较早时刻的数据为参考帧，另外一个时刻的数据为前景帧，两帧数据差分后，结合一定的成像方法，重建出体内在这两个不同时刻的阻抗变化。因此，在数据采集过程中，需要保证数据采集质量，即参考帧和背景帧的数据差别尽量只来自于体内场域的电导率变化。

在电阻抗成像临床实际使用过程中，由于电极-皮肤的接触受导电介质的电化学变化，皮肤温度的变化，以及受试者体动的影响，接触阻抗并不是稳定不变的，而是随时间会产生变化，影响电极端的电压测量，从而在阻抗图像上产生电极-皮肤接触阻抗变化导致的接触阻抗伪影。在视觉上影响对正常成像目标的识别，干扰对受试者体内与阻抗变化相关的病理或生理变化的辨别，在后续分析中影响图像后处理过程中对图像的各类指标的计算，影响指标的准确性。

文献(Efficient Simultaneous Reconstruction of Time-Varying Images andElectrode Contact Impedances in Electrical Impedance Tomography.)公布了一种应用于动态阻抗成像的接触阻抗伪影抑制技术方法。该方法基于全电极模型，将电极纳入场域的一部分，对电极的电导率进行重建，从而将电极的接触阻抗改变引入的图像伪影从重建图像上分离出来。但是由于非线性问题的严重病态性，该方法仅能分离一部分伪影，且重构图像有较为严重的信息丢失，无法还原正常的成像目标。因此，该方法不能实用于实际的阻抗数据采集与图像重构过程。

因此，为了减轻电极-皮肤接触阻抗变化对图像的影响，需要对数据进行处理，从而抑制图像上的接触阻抗伪影。

发明内容

本发明针对动态电阻抗成像技术在连续监护过程中电极-皮肤接触阻抗变化会导致图像上产生接触阻抗伪影的问题，提供一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制方法及装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制方法，包括：

步骤1：对于具有N个电极的电阻抗数据采集系统，利用全部采集数据进行成像获得原始电阻抗图像；

步骤2：针对产生了接触阻抗伪影的第M号电极，排除第M号电极对应的数据，利用剩余的(N-1)个电极对应的数据进行成像获得新电阻抗图像；

步骤3：将原始电阻抗图像和新电阻抗图像差分获得第M号电极对应的接触阻抗伪影图像；

步骤4：将原始图像和所有导致接触阻抗伪影的电极的接触阻抗伪影图像差分获得抑制了电极接触阻抗伪影的电阻抗图像。

进一步地，所述步骤1包括：

利用高斯-牛顿成像公式对全部采集数据进行成像：

其中J为雅各比矩阵，Q为正则化矩阵，λ为正则化参数，z为不同时刻的边界电压差向量，

为不同时刻间的电阻抗变化分布向量。

进一步地，所述步骤2包括：

引入噪声先验矩阵，将高斯-牛顿成像公式修正为：

其中

为修正后不同时刻间的电阻抗变化分布向量；W为噪声先验矩阵，其构成为：

其中δ为相对噪声先验信息，n为一帧数据的总测量数；

利用修正后的高斯-牛顿成像公式对剩余的(N-1)个电极对应的数据进行成像获得新电阻抗图像。

进一步地，所述步骤3之后，还包括：

重复步骤2和步骤3获得所有导致接触阻抗伪影的电极对应的接触阻抗伪影图像。

一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制装置，包括：

第一成像模块，用于对于具有N个电极的电阻抗数据采集系统，利用全部采集数据进行成像获得原始电阻抗图像；

第二成像模块，用于针对产生了接触阻抗伪影的第M号电极，排除第M号电极对应的数据，利用剩余的(N-1)个电极对应的数据进行成像获得新电阻抗图像；

第一差分模块，用于将原始电阻抗图像和新电阻抗图像差分获得第M号电极对应的接触阻抗伪影图像；

第二差分模块，用于将原始图像和所有导致接触阻抗伪影的电极的接触阻抗伪影图像差分获得抑制了电极接触阻抗伪影的电阻抗图像。

进一步地，还包括：

第三成像模块，用于重复执行第二成像模块和第一差分模块获得所有导致接触阻抗伪影的电极对应的接触阻抗伪影图像。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明能够有效抑制因电极-皮肤接触阻抗变化引入目标场域的(重构)成像伪影，同时保证对正常阻抗变化目标的(重构)成像效果，从而排除伪影目标对正常目标识别的干扰，恢复正常的图像监护。并且，本发明可实时应用于动态电阻抗成像过程，可有效提高动态电阻抗成像的临床实用性。

附图说明

图1为本发明实施例一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制方法的基本流程图；

图2为本发明实施例一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制方法的包含了接触阻抗伪影的原始电阻抗图像；

图3为本发明实施例一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制方法的排除产生接触阻抗伪影的电极数据后利用修正的成像公式获得的电阻抗图像；

图4为本发明实施例一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制方法的差分后获得的接触阻抗伪影图像；

图5为本发明实施例一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制方法的抑制了电极接触阻抗伪影的电阻抗图像；

图6为本发明实施例一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：

如图1所示，一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制方法，包括：

步骤S101：对于具有N个电极的电阻抗数据采集系统，利用全部采集数据进行成像获得原始电阻抗图像(图像1)；

进一步地，所述步骤S101包括：

利用高斯-牛顿成像公式对全部采集数据进行(重建)成像：

其中J为雅各比矩阵，t表示转置，Q为正则化矩阵，λ为正则化参数，z为不同时刻的边界电压差向量，

为不同时刻间的电阻抗变化分布向量。

步骤S102：针对产生了接触阻抗伪影的第M号电极，排除第M电极对应的数据，利用剩余的(N-1)个电极对应的数据进行成像获得新电阻抗图像(图像2)；

进一步地，所述步骤S102包括：

为了抑制电极-头皮接触阻抗对成像结果的影响，对高斯-牛顿成像公式中的雅各比矩阵进行处理。将电极端接触阻抗的影响视为混入数据的噪声，引入噪声先验矩阵来抑制测量电压的噪声，因此，将高斯-牛顿成像公式修正为：

其中

为修正后不同时刻间的电阻抗变化分布向量；W为噪声先验矩阵，其构成为：

其中δ为相对噪声先验信息，n为一帧数据的总测量数，δ_n为第n次测量时对应的相对噪声幅值先验信息；通常情况下，可以设置为δ_n＝1，对于需要排除电极的测量数据，其对应的δ_m＝∞；

利用修正后的高斯-牛顿成像公式对剩余的(N-1)个电极对应的数据进行成像获得新电阻抗图像；则排除了第M号电极的重构图像为：

其中M＝1,2,…,K，1≤K≤N，M为导致产生接触阻抗伪影的电极编号，W_M为排除了第M号电极的噪声先验矩阵。

步骤S103：将原始电阻抗图像和新电阻抗图像差分获得第M号电极对应的接触阻抗伪影图像；

具体地，第M号电极对应的接触阻抗伪影图像

可表示为：

进一步地，在步骤S103之后还包括：

重复步骤S102和步骤S103获得所有导致接触阻抗伪影的电极对应的接触阻抗伪影图像。

步骤S104：将原始图像和所有导致接触阻抗伪影的电极的接触阻抗伪影图像差分获得抑制了电极接触阻抗伪影的电阻抗图像。

具体地，抑制了电极接触阻抗伪影的电阻抗图像

可表示为：

作为一种具体的可实施方式，原始电阻抗图像如图2所示，图像上虚线框内为正常的阻抗变化目标，下方5号电极和上方13号电极已知接触阻抗增大，由于接触阻抗的变化，影响了电压数据的采集，电极下附近的区域出现了明显的阻抗变化伪影(实线框内容)。如果不进行任何处理的话，电阻抗成像设备的使用者仅从图像上无法区分边界上的成像目标究竟是体浅表区域的病理或生理变化造成的有意义的阻抗变化目标还是无意义的伪影目标，影响对图像的正常解读。并且，在后续的以图像结果为依据的电阻抗指标计算中，接触阻抗伪影也会干扰指标的计算，影响评价指标的准确性。

具体地，按照以下步骤对数据和成像算法进行处理：

步骤一：获得原始成像结果(原始电阻抗图像)。利用高斯-牛顿成像算法公式获取原始成像结果：

其中J为雅各比矩阵，Q为正则化矩阵，λ为正则化参数，z为不同时刻的边界电压差向量，

为不同时刻间的电阻抗变化分布向量。

步骤二：改进成像算法，获取缺失电极后的阻抗成像结果。引入噪声先验矩阵，将原始高斯-牛顿成像公式修正为：

其中

为修正后不同时刻间的电阻抗变化分布向量；W为噪声先验矩阵，其构成为：

其中δ为相对噪声先验信息，n为一帧数据的总测量数。假定初始所有通道的噪声水平相同，令δ_n＝1，此时W为单位矩阵。

首先，先获取排除5号电极相关的测量数据后的电阻抗图像结果为：

其中排除了5号电极的噪声先验矩阵W₅，其构成为：

W_i,j＝0(i≠j)

W_i,i＝0(i＝5+16*m)

W_i,i＝1else

其中i和j分别表示矩阵元素所处的行、列序号，m为正整数，使得i∈(1,256]。排除5号电极相关的测量数据后的电阻抗图像如图3中(3a)部分所示。

然后，再获取排除13号电极相关的测量数据后的电阻抗图像结果为：

其中排除了13号电极的噪声先验矩阵W₁₃，其构成为：

W_i,j＝0(i≠j)

W_i,i＝0(i＝13+16*m)

W_i,i＝1else

其中i和j分别表示矩阵元素所处的行、列序号，m为正整数，使得i∈(1,256]。排除13号电极相关的测量数据后的电阻抗图像如图3中(3b)部分所示。

上述计算中，正则化矩阵Q选为单位阵，正则化参数λ选为0.001。

步骤三：获取所有问题电极的单一接触阻抗伪影图像。利用差分法获取5号电极和13号电极对应的只包含接触阻抗伪影的阻抗成像结果，5号电极对应的单一接触阻抗伪影图像为

如图4中(4a)部分所示。13号电极对应的单一接触阻抗伪影图像为

如图4中(4b)部分所示。

步骤四：抑制原始成像结果上的阻抗伪影图像。由于已经获得了所有问题电极的单一接触阻抗伪影图像，并且包含接触阻抗伪影的原始成像结果已知，再次利用差分法，得到从原始成像结果中抑制电极的接触阻抗伪影的新图像：

抑制了电极接触阻抗伪影的电阻抗图像如图5所示。

和图2的原始电阻抗图像(原始成像结果)相比，保留了中央区域的目标信息，抑制了5号电极和13号电极区域的接触阻抗伪影。

在上述实施例的基础上，如图6所示，本发明还公开一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制装置，包括：

第一成像模块201，用于对于具有N个电极的电阻抗数据采集系统，利用全部采集数据进行成像获得原始电阻抗图像；

第二成像模块202，用于针对产生了接触阻抗伪影的第M号电极，排除第M电极对应的数据，利用剩余的(N-1)个电极对应的数据进行成像获得新电阻抗图像；

第一差分模块203，用于将原始电阻抗图像和新电阻抗图像差分获得第M号电极对应的接触阻抗伪影图像；

第二差分模块204，用于将原始图像和所有导致接触阻抗伪影的电极的接触阻抗伪影图像差分获得抑制了电极接触阻抗伪影的电阻抗图像。

进一步地，还包括：

第三成像模块，用于重复执行第二成像模块202和第一差分模块203获得所有导致接触阻抗伪影的电极对应的接触阻抗伪影图像。

综上，本发明能够有效抑制因电极-皮肤接触阻抗变化引入目标场域的(重构)成像伪影，同时保证对正常阻抗变化目标的(重构)成像效果，从而排除伪影目标对正常目标识别的干扰，恢复正常的图像监护。并且，本发明可实时应用于动态电阻抗成像过程，可有效提高动态电阻抗成像的临床实用性。

以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制方法，其特征在于，包括：

步骤1：对于具有N个电极的电阻抗数据采集系统，利用全部采集数据进行成像获得原始电阻抗图像；

步骤2：针对产生了接触阻抗伪影的第M号电极，排除第M号电极对应的数据，利用剩余的(N-1)个电极对应的数据进行成像获得新电阻抗图像；

步骤3：将原始电阻抗图像和新电阻抗图像差分获得第M号电极对应的接触阻抗伪影图像；

步骤4：将原始图像和所有导致接触阻抗伪影的电极的接触阻抗伪影图像差分获得抑制了电极接触阻抗伪影的电阻抗图像。

2.根据权利要求1所述的一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制方法，其特征在于，所述步骤1包括：

利用高斯-牛顿成像公式对全部采集数据进行成像：

其中J为雅各比矩阵，Q为正则化矩阵，λ为正则化参数，z为不同时刻的边界电压差向量，

为不同时刻间的电阻抗变化分布向量。

3.根据权利要求2所述的一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制方法，其特征在于，所述步骤2包括：

引入噪声先验矩阵，将高斯-牛顿成像公式修正为：

其中

为修正后不同时刻间的电阻抗变化分布向量；W为噪声先验矩阵，其构成为：

其中δ为相对噪声先验信息，n为一帧数据的总测量数；

利用修正后的高斯-牛顿成像公式对剩余的(N-1)个电极对应的数据进行成像获得新电阻抗图像。

4.根据权利要求2所述的一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制方法，其特征在于，所述步骤3之后，还包括：

重复步骤2和步骤3获得所有导致接触阻抗伪影的电极对应的接触阻抗伪影图像。

5.一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制装置，其特征在于，包括：

第一成像模块，用于对于具有N个电极的电阻抗数据采集系统，利用全部采集数据进行成像获得原始电阻抗图像；

第二成像模块，用于针对产生了接触阻抗伪影的第M号电极，排除第M号电极对应的数据，利用剩余的(N-1)个电极对应的数据进行成像获得新电阻抗图像；

第一差分模块，用于将原始电阻抗图像和新电阻抗图像差分获得第M号电极对应的接触阻抗伪影图像；

第二差分模块，用于将原始图像和所有导致接触阻抗伪影的电极的接触阻抗伪影图像差分获得抑制了电极接触阻抗伪影的电阻抗图像。

6.根据权利要求5所述的一种用于动态电阻抗成像的图像接触阻抗伪影抑制装置，其特征在于，还包括：

第三成像模块，用于重复执行第二成像模块和第一差分模块获得所有导致接触阻抗伪影的电极对应的接触阻抗伪影图像。

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