CN112450910B - 一种电阻抗断层成像的边界测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电阻抗断层成像的边界测量装置及方法，边界测量装置能够准确的测量出所测人体柱体横截面的边界模型，并通过建立直角坐标系能够准确求出电极坐标；边界测量装置不需要人工安放电极，极大的减少测量的工作量，极大方便使用者；不需要要求严格的测量环境，可适用性强；不会像CT成像对人造成危害。通过边界测量装置准确测量出电阻抗断层成像对象的横截面边界信息，为成像算法提供准确的电极片位置坐标以及边界条件，使得重建图像位置更接近真实值，同时也会消除掉一部分因位置误差而建立的电磁场模型进行近似计算造成的图像伪影，大大提高图像重建的质量。
Description
技术领域
本发明涉及电阻抗断层成像技术领域，具体涉及一种电阻抗断层成像的边界测量装置及方法。
背景技术
医学成像是现代医学技术中非常重要的组成部分，目前临床上常用的医学成像技术主要有X-CT，ECT(EmissioN Computed Tomography)-包括PET(PositroN EmissioNTomography)和SPECT(SiNgle PhotoN EmissioN Computed Tomography)，超声，MRI(MagNetic ResoNaNce ImagiNg)。X-CT和ECT的成像精度较高，但这两种技术都是基于电离辐射，因此对人体存在一定程度的损害，对正常的成年人就有使用限制，对孕妇和儿童等特殊病人尤应慎重。超声和MRI虽然对人体没有放射性损害，但超声由于忽略了超声波与人体组织间的相互作用，损失了许多潜在信息，因此超声的成像精确度不及X-CT和ECT；而MRI设备庞大、价格昂贵、不适合进行经常性的检测。可见，这些常见的成像技术检测原理不同，在临床上的应用也各有所长，虽然能获得不错的成像精度，但存在价格昂贵、设备不易携带、不能用于连续检测等缺点。
国内外的研究结果表明生物体的不同组织具有不同的阻抗，同时病理组织的阻抗值也不同于正常组织。通过安装在人体待测区域表面的电极片对待测区域施加安全且规律的电流激励，由于内部存在阻抗变化，在待测区域表面便会引起电位的变化。基于待测区域表面电位的变化，辅以相应的成像算法，便可获得待测区域阻抗变化的图像，此种技术被称为电阻抗断层成像(Electrical ImpedaNce Tomography，EIT)技术。电阻抗成像方法是一种特色鲜明的成像技术，具有功能性成像、无创无害、设备成本低、体积小、便于携带、对工作环境要求不高、可进行连续监护等优点。虽然当前电阻抗断层成像研究已有不少成果，多款电阻抗断层成像产品在临床中得到了应用，但仍需注意到其不足之处，如存在定义的场域模型与实际场域形状存在差异、逆问题的病态和多方面干扰对成像存在伪影等问题。
在电阻断层成像中边界场域模型的建立是非常关键的环节，建立的边界场域模型与所需测量的实际边界模型的差异会直接影响到人体器官组织通过算法重建后，所成的人体组织图像会出现位置偏差甚至出现成像失败，使医护人员无法通过成像情况得出人体组织的正确分布和病变情况。激励电极和接收电极在场域上的分布位置对图像重建的影响也是非常大，当电极在边界场域上的位置与所建立的模型分布存在较大差距时，通过电极激励与电极测量所得的值进行计算得到的电势等效分布与实际电势分布存在较大差异，导致通过求逆解所得的电导率分布也会与实际人体组织的电导率分布存在较大差异，使重建图像会出现位置不准确和图像伪影现象。
场域模型的准确性会对图像重建质量造成很大的影响，比如重建图像与实际测量人体组织存在着较大的位置偏离和造成重建图像存在伪影。现有解决方案是直接将场域等效成圆形模型或者将CT图像做为先验信息建立场域模型。然而，由于人体的体型存在着各异性和每次电极片安放的位置不同，上述等效模型存在较大差异，目前，尚未见直接对成像对象的横截面边界进行精准测量方法的相关报道。
发明内容
本发明所要解决的是现有现有边界测量装置所构建的场域等效模型不够准确，而影响电阻抗图像重建质量的问题，提供一种电阻抗断层成像的边界测量装置及方法。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种电阻抗断层成像的边界测量装置，主要由上层可伸缩同心圆结构、下层可伸缩同心圆结构、n个固定柱、n个固定支撑平面架、角度调节电机、n个伸缩杆、n个电极片、n个测距传感器、角度测量传感器和微控制器组成；上层可伸缩同心圆结构和下层可伸缩同心圆结构完全相同，并呈上下镜像设置；每层可伸缩同心圆结构均由n个完全相同的菱形框组成；这些菱形框的圆周方向的顶点依次首尾铰链，并围成一个呈水平设置的正圆形；n个固定柱均呈垂直设置；每个固定柱的上端与上层可伸缩同心圆结构的两个相邻的菱形框的圆周方向的顶点的交点处铰链；每个固定柱的下端与下层可伸缩同心圆结构的两个相邻的菱形框的圆周方向的顶点的交点铰链；角度调节电机的输出端与其中一个固定柱连接，并通过该固定柱带动所有固定柱发生转动，使得上层可伸缩同心圆结构和下层可伸缩同心圆结构的所有菱形框的顶角角度统一发生变化，进而上层可伸缩同心圆结构和下层可伸缩同心圆结构所围成的正圆形的半径统一发生变化；n个固定支撑平面架均呈垂直设置；每个固定支撑平面架的上端与上层可伸缩同心圆结构的每个菱形框的径向方向的顶点中的内径顶点铰链；每个固定支撑平面架的下端与下层可伸缩同心圆结构的每个菱形框的径向方向的顶点在的内径顶点铰链；n个伸缩杆均呈水平设置；每个伸缩杆的固定端固定在一个固定支撑平面架上；每个伸缩杆的活动端上均带有一个电极片，且通过改变伸缩杆的长度让电极片与测量对象的表面相贴；n个测距传感器分别设置在n个伸缩杆上；角度测量传感器设在上层可伸缩同心圆结构或下层可伸缩同心圆结构的其中一个菱形框的顶角上；n个测距传感器和角度测量传感器的输出端与微控制器的输入端连接；微控制器的输出端与角度调节电机的控制端连接；上述n为大于1的正整数。
上述方案中，伸缩杆的固定端固定在固定支撑平面架的上下对称中心处。
上述方案中，上层可伸缩同心圆结构、下层可伸缩同心圆结构、固定柱、固定支撑平面架和伸缩杆均由绝缘材质制成。
作为改进，上述电阻抗断层成像的边界测量装置还进一步包括一个上位机；上位机与微控制器相连。
上述装置所实现的一种电阻抗断层成像的边界测量方法，包括步骤如下：
步骤1、建立以上层可伸缩同心圆结构或下层可伸缩同心圆结构所处平面，以上层可伸缩同心圆结构或下层可伸缩同心圆结构的所围成的正圆形的圆心为原点的直角坐标系；
步骤2、基于步骤1所构建的直角坐标系，计算每个电极片的坐标，由此得出人横剖面边界模型；其中每个电极片的坐标(xci，yci)为：
式中，xci表示第i个电极片的横坐标，yci表示第i个电极片的纵坐标，di表示伸缩杆的测量前后的变化长度，θi表示第i个电极和直角坐标系的原点连线与直角坐标系的x轴正方向所形成的角度，r1表示测量前菱形框的内径顶点到原点距离，b表示菱形框的边长，c表示伸缩杆的最大长度，e表示电极片的厚度，α1表示测量前菱形框的角度，α2表示测量后菱形框的角度。
测量前菱形框的内径顶点到原点距离r1使用游标卡尺测量得到。伸缩杆的测量前后的变化长度di由第i个测距传感器所测出，测量前菱形框的角度α1和测量后菱形框的角度α2由角度测量传感器所测出，i＝1,2,…,n，n为选定的菱形框的个数。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、边界测量装置能够准确的测量出所测人体柱体横截面的边界模型，并通过建立直角坐标系能够准确求出电极坐标；边界测量装置不需要人工安放电极，极大的减少测量的工作量，极大方便使用者；不需要要求严格的测量环境，可适用性强；不会像CT成像对人造成危害。
2、通过边界测量装置准确测量出电阻抗断层成像对象的横截面边界信息，为成像算法提供准确的电极片位置坐标以及边界条件，使得重建图像位置更接近真实值，同时也会消除掉一部分因位置误差而建立的电磁场模型进行近似计算造成的图像伪影，大大提高图像重建的质量。
附图说明
图1为一种电阻抗断层成像的边界测量装置的立体结构示意图。
图2为一种电阻抗断层成像的边界测量装置的俯视结构图。
图3为一种电阻抗断层成像的边界测量装置的电路原理框图。
图4为一种电阻抗断层成像的边界测量方法的流程图。
图5为基于边界测量装置所建立的直角坐标系。
图6为对测量人体胸部边界场域进行分割的人体胸部边界场域分割模型图。
图中标号：1、上层可伸缩同心圆结构；2、上层可伸缩同心圆结构；3、固定柱；4、固定支撑平面架；5、伸缩杆；6、电极片；7、角度调节电机；8、测量对象。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
参见图1和2，一种电阻抗断层成像的边界测量装置，由上层可伸缩同心圆结构1、下层可伸缩同心圆结构2、n个固定柱3、n个固定支撑平面架4、角度调节电机7、n个伸缩杆5、n个电极片6、n个测距传感器、角度测量传感器、微控制器和上位机组成。n为大于1的正整数，在本实施例中，n＝16。上层可伸缩同心圆结构1、下层可伸缩同心圆结构2、固定柱3、固定支撑平面架4和伸缩杆5均由绝缘材质制成，以避免其对电极片6的导电性产生干扰。
上层可伸缩同心圆结构1和下层可伸缩同心圆结构2完全相同，并呈上下镜像设置。每层可伸缩同心圆结构均由n个完全相同的菱形框组成，这些菱形框的圆周方向的顶点依次首尾铰链，并围成一个呈水平设置的正圆形。菱形框的边长可根据测量对象8即身体测量部位直径和所选用的菱形框的个数而定。如果身体不同部位圆柱体大小不是差别特别大可选用同一适合的结构进行测量。
n个固定柱3均呈垂直设置。每个固定柱3的上端与上层可伸缩同心圆结构1的两个相邻的菱形框的圆周方向的顶点的交点处铰链。为保证平稳性，伸缩杆5的固定端固定在固定支撑平面架4的上下对称中心处。每个固定柱3的下端与下层可伸缩同心圆结构2的两个相邻的菱形框的圆周方向的顶点的交点铰链。角度调节电机7的输出端与其中一个固定柱3连接，并通过该固定柱3带动所有固定柱3发生转动，使得上层可伸缩同心圆结构1和下层可伸缩同心圆结构2的所有菱形框的顶角角度统一发生变化，进而上层可伸缩同心圆结构1和下层可伸缩同心圆结构2所围成的正圆形的半径统一发生变化。
n个固定支撑平面架4均呈垂直设置。每个固定支撑平面架4的上端与上层可伸缩同心圆结构1的每个菱形框的径向方向的顶点中的靠近内侧的顶点即内径顶点铰链；每个固定支撑平面架4的下端与下层可伸缩同心圆结构2的每个菱形框的径向方向的顶点在的内径顶点铰链。n个伸缩杆5均呈水平设置。每个伸缩杆5的固定端固定在一个固定支撑平面架4上。每个伸缩杆5的活动端上均带有一个电极片6，且通过改变伸缩杆5的长度让电极片6与测量对象8的表面相贴。所述电极片6为一次性扣式医用电极片6或多导联吸球胸电极片6等。
n个测距传感器分别设置在n个伸缩杆5上，用于测量每个伸缩杆5的长度。测距传感器可选择现有的测距传感器。在本实施例中，测距传感器由滑动变阻器和弹簧组成。将弹簧套在滑动变阻器上，并将弹簧的两端固定在伸缩杆5的两端。在伸缩杆5的中心处开一个孔，用于伸缩杆5伸缩时滑动变阻向后运动，根据滑动变阻器的电阻值的变化可求出伸缩的距离。
角度测量传感器设在上层可伸缩同心圆结构1或下层可伸缩同心圆结构2的其中一个菱形框的顶角上，用于测量菱形框的角度。任意选择其中两个菱形框相交的顶点连接处即菱形框的圆周方向的顶角处安装角度测量传感器，其中角度传感器可选择现有的角度传感器。在本实施中，角度电位器使用角度电位器，将角度电位器和角度调节电机7固定在测量角的正下方菱形框的边上，它们之间相对都是静止的，角度调节电机7的转动轴与角度电位器下方的转动轴相连，角度电位器上方的转动轴套上齿轮与对应菱形框的铰链齿轮对接，实现角度改变和角度测量同时进行。
n个测距传感器和角度测量传感器的输出端与微控制器的输入端连接。微控制器的输出端与角度调节电机7的控制端连接。上位机与微控制器相连。首先，由AD检测电路分别对角度测量传感器输出的可伸缩同心圆菱形框结构的角度变化模拟量和n个测距传感器输出的伸缩杆5的长短变化大小的模拟量进行测量读取并送至微控制器。微控制器根据线性关系计算出菱形框真实角度量和伸缩杆5的长度量，并送至上位机。然后，上位机建立直角坐标系，通过计算测量后的菱形框的角变化，再根据已知的菱形框边长计算出菱形框靠近圆心的顶点离圆心的距离变化量和经测量可得可伸缩杆5的变化量，从而可求出个电极片6的坐标。最后，上位机通过近似放大离散划分网格算法得到离散好的测量场域，将网络划分单位模型放大求解实际场域离散模型，并将离散好的单位圆模型近似等效到真实的场域中去。此外，微控制器还可以通过伸缩杆5的伸缩量作为反馈值，并通过电机驱动电路去驱动角度调节电机7调整电机参数，以控制可伸缩同心圆菱形框结构的角度。参见图3。
上述装置所实现的一种电阻抗断层成像的边界测量方法，如图4所示，其具体包括如下步骤：
第一步：建立以上层可伸缩同心圆结构1或上层可伸缩同心圆结构1所处平面，以上层可伸缩同心圆结构1或上层可伸缩同心圆结构1的所围成的正圆形的圆心为原点的直角坐标系。如图5所示。
上层可伸缩同心圆结构1和下层可伸缩同心圆结构2均由n个边长为b的菱形框构成，n的个数越多测量场域的边界精度会越高，还可以实现用较小的菱形框边长测量更大的人体柱体和减少单个菱形框的运动空间。如图5建立直角坐标系，图上标号1～16为各个菱形框径向方向的顶点中的内径顶点。由于上层可伸缩同心圆结构1和下层可伸缩同心圆结构2始终一致(包括圆心和半径)，因此令可伸缩同心圆结构所围成的正圆形的圆心坐标为(0，0)。
第二步：基于第一步所构建的直角坐标系，计算每个电极片6的坐标，由此得出人横剖面边界模型。
初始状态下即变化前，可伸缩同心圆结构可以处于任何状态，如可以处于最大拉伸状态，也可以处于最小收缩状态，也可以处于中间状态。在本实施例中，以可伸缩同心圆结构处于最小收缩状态为例进行说明：
初始状态下，各个菱形框径向方向的顶点中的内径顶点到原点的距离为r1，其在测量开始前使用游标卡尺测量得到，一般让可伸缩同心圆结构收缩至最小，此时为内径顶点到原点的最小距离。并且角度传感器所测量的菱形框的夹角为α1。
根据以上建立的直角坐标系可计算出以下信息：
其中，θ为第i个电极和直角坐标系的原点连线与直角坐标系的x轴正方向所形成的角度：
其中，i为直角坐标系中的顶点(内径顶点)标号，θi为i顶点对应的角度，θi∈(0,2π)，i∈(0,n)，
xi＝r1 cos(θi) (1-3)
yi＝r1 sin(θi) (1-4)
其中，xi为i顶点的横坐标，yi为i顶点的纵坐标。
利用可变同心圆结构设计一个EIT测试结构：为使设备结构更牢固和测试方便，使用两个相同可变同心圆结构按一定距离进行平行放置，并使用固定柱3分别连接相对应的圆周方向的顶点，使用固定支撑平面架4连接靠近同心圆圆心的两个菱形框顶点，即内径顶点。在固定支撑平面架4上安装一个可伸缩长度范围为0～c的伸缩杆5，该伸缩杆5上并安装可测量伸缩长度的测距传感器。最后在伸缩杆5上安装厚度为e的电极片6。
当可伸缩同心圆结构伸缩到最小时的电极坐标，计算公式如下：
rd＝r1-c-e (1-5)
xdi＝rd cos(θi) (1-6)
ydi＝rdsin(θi) (1-7)
其中，rd为电极到圆心的距离，xdi为i顶点对应的电极横坐标，ydi为i顶点对应的电极纵坐标。
当对人体测量时，角度传感器所测量出的可伸缩同心圆结构的α角的角度由α1变为α2，i顶点对应的可伸缩装置中的可测距离传感器测到的缩短长度为di。
rcj＝r1+s (1-9)
ri＝rcj-c-e+di (1-10)
xci＝ri cos(θi) (1-11)
yci＝risin(θi) (1-12)
其中，s为测量时棱形靠近圆心的节点到原点的距离比同心圆结构伸缩最小(即初始)时棱形靠近圆心的节点到原点的距离增大的值，rcj为测量时菱形框靠近圆心的顶点到原点的距离，ri为测量时各个顶点对应的电极到原点的距离，xci为测量时各个顶点对应的电极横坐标，yci为测量时各个顶点对应的电极纵坐标。
基于上述所得到的人横剖面边界模型，利用现有的电阻抗断层成像方法即可完成电阻抗断层成像。在在后续的电阻抗断层成像过程中：首先将单位圆进行有限元网格划分；然后将单位圆有限元网格划分模型导入到人横剖面边界模型中得到真实的人体横剖面的有限元模型(如图6)；接着根据已知电极激励值、对应测得的电压值和该装置得到的边界模型使用有限元算法对其求解，得出电导率的分布；最后在对应电导率的三角形划分块上赋上颜色形成电阻抗断层成像的重构的图，实现对人体组织病理上的辅助判断。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种电阻抗断层成像的边界测量装置，其特征是，主要由上层可伸缩同心圆结构(1)、下层可伸缩同心圆结构(2)、n个固定柱(3)、n个固定支撑平面架(4)、角度调节电机(7)、n个伸缩杆(5)、n个电极片(6)、n个测距传感器、角度测量传感器和微控制器组成；
上层可伸缩同心圆结构(1)和下层可伸缩同心圆结构(2)完全相同，并呈上下镜像设置；每层可伸缩同心圆结构均由n个完全相同的菱形框组成；这些菱形框的圆周方向的顶点依次首尾铰链，并围成一个呈水平设置的正圆形；
n个固定柱(3)均呈垂直设置；每个固定柱(3)的上端与上层可伸缩同心圆结构(1)的两个相邻的菱形框的圆周方向的顶点的交点处铰链；每个固定柱(3)的下端与下层可伸缩同心圆结构(2)的两个相邻的菱形框的圆周方向的顶点的交点铰链；
角度调节电机(7)的输出端与其中一个固定柱(3)连接，并通过该固定柱(3)带动所有固定柱(3)发生转动，使得上层可伸缩同心圆结构(1)和下层可伸缩同心圆结构(2)的所有菱形框的顶角角度统一发生变化，进而上层可伸缩同心圆结构(1)和下层可伸缩同心圆结构(2)所围成的正圆形的半径统一发生变化；
n个固定支撑平面架(4)均呈垂直设置；每个固定支撑平面架(4)的上端与上层可伸缩同心圆结构(1)的每个菱形框的径向方向的顶点中的内径顶点铰链；每个固定支撑平面架(4)的下端与下层可伸缩同心圆结构(2)的每个菱形框的径向方向的顶点在的内径顶点铰链；
n个伸缩杆(5)均呈水平设置；每个伸缩杆(5)的固定端固定在一个固定支撑平面架(4)上；每个伸缩杆(5)的活动端上均带有一个电极片(6)，且通过改变伸缩杆(5)的长度让电极片(6)与测量对象(8)的表面相贴；
n个测距传感器分别设置在n个伸缩杆(5)上；角度测量传感器设在上层可伸缩同心圆结构(1)或下层可伸缩同心圆结构(2)的其中一个菱形框的顶角上；n个测距传感器和角度测量传感器的输出端与微控制器的输入端连接；微控制器的输出端与角度调节电机(7)的控制端连接；
上述n为选定的菱形框的个数。
2.根据权利要求1所述的一种电阻抗断层成像的边界测量装置，其特征是，伸缩杆(5)的固定端固定在固定支撑平面架(4)的上下对称中心处。
3.根据权利要求1所述的一种电阻抗断层成像的边界测量装置，其特征是，上层可伸缩同心圆结构(1)、下层可伸缩同心圆结构(2)、固定柱(3)、固定支撑平面架(4)和伸缩杆(5)均由绝缘材质制成。
4.根据权利要求1所述的一种电阻抗断层成像的边界测量装置，其特征是，还进一步包括一个上位机；该上位机与微控制器相连。
5.权利要求1所述装置所实现的一种电阻抗断层成像的边界测量方法，其特征是，包括步骤如下：
步骤1、建立以上层可伸缩同心圆结构(1)或上层可伸缩同心圆结构(1)所处平面，以上层可伸缩同心圆结构(1)或上层可伸缩同心圆结构(1)的所围成的正圆形的圆心为原点的直角坐标系；
步骤2、基于步骤1所构建的直角坐标系，计算每个电极片(6)的坐标，由此得出人横剖面边界模型；其中每个电极片(6)的坐标(xci，yci)为：
式中，xci表示第i个电极片(6)的横坐标，yci表示第i个电极片(6)的纵坐标，di表示伸缩杆(5)的测量前后的变化长度，θi表示第i个电极和直角坐标系的原点连线与直角坐标系的x轴正方向所形成的角度，r1表示测量前菱形框的内径顶点到原点距离，b表示菱形框的边长，c表示伸缩杆(5)的最大长度，e表示电极片(6)的厚度，α1表示测量前菱形框的角度，α2表示测量后菱形框的角度，i＝1,2,…,n，n为选定的菱形框的个数。
6.根据权利要求5所述的一种电阻抗断层成像的边界测量方法，其特征是，伸缩杆(5)的测量前后的变化长度di由第i个测距传感器所测出，测量前菱形框的角度α1和测量后菱形框的角度α2由角度测量传感器所测出，i＝1,2,…,n，n为选定的菱形框的个数。
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