CN113080925A - 一种电阻抗断层成像的三维边界测量结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电阻抗断层成像的三维边界测量结构及方法，使用的是多层可伸缩同心圆基层和多传感器协同组成测量结构，由测量结构分别对可伸缩同心圆棱形结构的角度变化模拟量和可伸缩杆的长短变化大小的模拟量进行测量读取，并根据线性关系计算出真实角度量和伸缩杆的长度量；然后通过建立三维直角坐标系法计算出电极的坐标；通过电极坐标计算得出较准确的三维人体测量对象的轮廓；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和减少二维磁漏等因素造成计算误差较大等，大大提高图像重建的质量。

Description

一种电阻抗断层成像的三维边界测量结构及方法
技术领域
本发明涉及三维电阻抗断层成像技术领域，尤其涉及一种电阻抗断层成像的三维边界测量结构及方法。
背景技术
现代医学影像是医疗诊断中非常重要的组成部分，在医疗病理诊断方面是非常准确和直观的，随着技术的发展，三维成像在临床上的应用越来越广泛。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，有二维成像的，也有三维成像的，但仍需注意到其不足之处，如存在二维EIT由于信息量少和因磁漏原因导致测量误差等原因导致成像分辨率较低，二维EIT只能反应一个横截面的器官组织信息，不能反应纵向的器官组织信息，在临床上判断病理信息并不够直观、三维成像中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。
三维成像场域模型的准确性和电极的位置坐标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、通过学习人体模型得出重建的模型和将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三维边界进行精准测量方法的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电阻抗断层成像的三维边界测量结构及方法，提高图像重建的质量。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种电阻抗断层成像的三维边界测量方法，包括以下步骤：
构建可变的同心圆基层，并基于弹性伸缩装置、传感器和电极构建对应的测量结构，其中，所述测量结构包括伸缩杆同轴叠层式测量结构和伸缩杆差错叠层式测量结构；
利用所述测量结构采集对应的模拟棱形角度和各个伸缩杆的模拟伸缩量，并根据对应的线性关系得到对应的棱形角度和伸缩量；
将所述棱形角度和所述伸缩量导入基于所述同心圆基层的圆心为原点建立的三维直角坐标系中，计算出对应的电极坐标，其中，所述同心圆基层的圆心为于三维空间直角坐标系Z轴上；
利用插值法计算出所述测量结构的边界坐标点，并将构建的单位圆柱进行等效放大，依次连接得到的实际边界点，得到对应的三维人体轮廓。
其中，构建可变的同心圆基层，并基于弹性伸缩装置、传感器和电极构建伸缩杆同轴叠层式测量结构，包括：
利用多个大小相同且棱形边长相等的伸缩杆进行中心节点首尾连接，构建可变的同心圆基层；
在两个相同的大小可变的同心圆基层之间，使用连接杆将所述同心圆基层内向着圆心的节点和两个棱形相交的节点连接，得到主体；
基于弹性伸缩装置、传感器、电极和所述主体构建伸缩杆同轴叠层式测量结构。
其中，基于弹性伸缩装置、传感器、电极和所述主体构建伸缩杆同轴叠层式测量结构，包括：
对任一个棱形相交的节点连接处安装角度测量传感器，并在每层所述同心圆基层内向着圆心节点的连接杆的竖直方向上等间隔垂直安装弹性伸缩装置；
在所述弹性伸缩装置上安装电极和长度测量传感器，得到伸缩杆同轴叠层式测量结构。
其中，利用所述测量结构采集对应的模拟棱形角度和各个伸缩杆的模拟伸缩量，并根据对应的线性关系得到对应的棱形角度和伸缩量，包括：
将所述测量结构进行初始化，并粗调棱形角度和任意一个所述伸缩杆长度；
获取所述测量结构中所有的所述伸缩杆的模拟伸缩量和模拟棱形角度，并将所述模拟伸缩量与设定的阈值进行比较，直至所述模拟伸缩量大于或等于所述设定的阈值后，利用对应的线性关系计算出对应的棱形角度和伸缩量。
其中，将所述棱形角度和所述伸缩量导入基于所述同心圆基层的圆心为原点建立的三维直角坐标系中，计算出对应的电极坐标，包括：
基于构建的伸缩杆同轴叠层式测量结构，将所述同心圆基层的圆心为原点建议三维直角坐标系，并计算出任意节点对应的可变角，其中，所述同心圆基层的圆心为于三维空间直角坐标系Z轴上；
将所述棱形角度和所述伸缩量所述三维直角坐标系中，并结合所述可变角计算出对应的电极坐标。
其中，将所述棱形角度和所述伸缩量所述三维直角坐标系中，并结合所述可变角计算出对应的电极坐标，包括：
根据所述三维直角坐标系获取缩短长度，并结合所述棱形角度和所述伸缩量，计算出当前所述节点到所述三维直角坐标系原点的距离；
利用所述距离与所述可变角的正弦值和余弦值的乘积，得到对应的电极坐标。
第二方面，本发明提供了一种电阻抗断层成像的三维边界测量结构，适用于如第一方面所述的一种电阻抗断层成像的三维边界测量方法，
所述电阻抗断层成像的三维边界测量结构包括主体和与所述主体连接的弹性伸缩装置，以及与所述弹性伸缩装置连接的多个传感器和多个电极，所述主体包括多个同心圆基层和用于连接相邻两个所述同心圆基层的连接组件，多个所述同心圆基层均由多个伸缩杆的中心节点首尾连接而成，多个所述伸缩杆的大小相同且棱形边长相等，所述弹性伸缩装置与所述连接组件连接。
其中，所述连接组件包括与两个棱形相交的节点连接的圆柱杆连接杆和与所述同心圆基层内向着圆心的节点连接的扁平板连接杆，所述扁平板连接杆的平面面向圆心方向。
其中，所述连接组件包括与两个棱形相交的节点的滑动槽和与相邻两个所述同心圆基层中上层棱形的两个空闲角连接，并与下层所述所述同心圆基层的滑动槽连接的扁平板连接杆，其中，两个所述空闲角为上层棱形中不与其他棱形连接的两个角。
本发明的一种电阻抗断层成像的三维边界测量结构及方法，使用的是多层可伸缩同心圆基层和多传感器协同组成测量结构，由测量结构分别对可伸缩同心圆棱形结构的角度变化模拟量和可伸缩杆的长短变化大小的模拟量进行测量读取，并根据线性关系计算出真实角度量和伸缩杆的长度量；然后通过建立三维直角坐标系法计算出电极的坐标；最后把电极坐标上传到上位机，通过电极坐标计算得出较准确的三维人体测量对象的轮廓；通过伸缩杆的伸缩量作为反馈值调整电机参数控制可伸缩同心圆棱形结构的角度，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和减少二维磁漏等因素造成计算误差较大等，大大提高图像重建的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种电阻抗断层成像的三维边界测量方法的步骤示意图。
图2是本发明提供的伸缩杆同轴叠层式测量结构整体图。
图3是本发明提供的伸缩杆同轴叠层式测量结构俯视图。
图4是本发明提供的伸缩杆同轴叠层式测量结构建立的二维坐标图。
图5是本发明提供的伸缩杆差错叠层式测量结构整体图。
图6是本发明提供的伸缩杆差错叠层式测量结构俯视图。
图7是本发明提供的伸缩杆差错叠层式测量结构第一层测量结构建立的二维坐标图。
图8是本发明提供的伸缩杆差错叠层式测量结构第二层测量结构建立的二维坐标图。
图9是本发明提供的伸缩杆差错叠层式测量结构两层测量结构建立的二维坐标图。
图10是本发明提供的由结构测得的重构人体胸部轮廓模型。
图11是本发明提供的伸缩杆同轴叠层式测量结构8电极测得某个横截面的剖面模型。
图12是本发明提供的伸缩杆差错叠层式测量结构8电极经两层电极计算得某个横截面的剖面模型。
图13是本发明提供的本发明提供的一种电阻抗断层成像的三维边界测量方法的流程示意图。
1-主体、2-弹性伸缩装置、3-传感器、4-电极、5-同心圆基层、6-连接组件、7-伸缩杆、8-连接杆、9-滑动槽、10-被测物体、11-电机、12-可变角。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图13，本发明提供一种电阻抗断层成像的三维边界测量方法，包括以下步骤：
S101、构建可变的同心圆基层5，并基于弹性伸缩装置2、传感器3和电极4构建对应的测量结构。
具体的，所述测量结构包括伸缩杆7同轴叠层式测量结构和伸缩杆7差错叠层式测量结构，两种层叠方法的三维测量结构的具体构造如下所示：
1.伸缩杆7同轴叠层式测量结构：
步骤一：大小可变的同心圆机械结构由n个大小相同棱形边长大小都为b的结构进行中心节点首尾连接而成，得到一个二维的同心圆基层5。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。
步骤二：将步骤一中两个相同的大小可变的同心圆机械结构层与层之间使用一定长度的连接杆8将结构内向着圆心的节点和两个棱形相交的节点连接，两个棱形相交的节点连接杆8可使用简单的圆柱杆连接；而同心圆基层5内向着圆心节点的连接方式是使用扁平板连接，其平面严格面向圆心方向，并固定于结构上下使平面板的面向圆心的方向不改变；最终使层与层之间两个大小可变的同心圆机械结构形成一个整体，并任意选择其中一个两个棱形相交的节点连接处安装可测角度传感器3(角度传感器3可选择电位器等(不局限一种)其他测量传感器3，使用电位器作为传感器3时，将电位和电机11固定在测量角的某一层叠的正下方棱形边上，它们之间相对都是静止的，电机11的转动轴与电位器下方的转动轴相连，电位器上方的转动轴套上齿轮与对应菱形的齿轮对接，实现角度改变和角度测量同时进行，其中，所述传感器3包括可测角度的传感器3和可测长度的传感器3，其中，所述可测长度的传感器3位于所述伸缩杆7上，具体位置需根据实际测量设定，此处并未详细限定。
步骤三：每层所有结构内向着圆心节点扁平板连接杆8上竖直方向等间隔垂直安装可伸缩并带有测量伸缩杆7长度的伸缩模块。该模块主要由滑动变阻器、弹簧、电极4固定安放装置和固定装置构成，将弹簧套在滑动变阻器上，并固定住，在连接杆8的竖直方向打孔，用于伸缩装置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；在滑动变阻器的指向圆心的一端有一个电极4的固定装置，最后在伸缩模块上根据使用者的需要安装所需要的电极4。
2.伸缩杆7差错叠层式测量结构
伸缩杆7差错叠层式测量结构步骤一、步骤二和伸缩杆7同轴叠层式测量结构的步骤一、步骤二是大体相同的，区别只在于伸缩杆7差错叠层式测量结构相邻的两层是错位层叠的，其他的层会沿着这个的基础上向上或向下叠层延伸。
步骤三：在已经构造好的二维的可伸缩的同心圆基层5的棱形与棱形相交的节点上安装滑动槽9，用于扩展成三维测量结构，该槽位于向着圆心的角平分线上；叠层上的结构与步骤一和步骤二基本一样，与之不同的是层与层的安装方法是错位安装的，完成上述的结构设计后，需要两层错位连接，即上叠层的棱形不与其他棱形连接的两个角分别上装扁平板连接杆8，并与下层结构的滑动槽9连接，形成三维的测量结构。同理，按照这种方法可以向上或者向下做叠层，叠层越多上下距离越小重建三维轮廓的精度就越高。
步骤四：步骤与伸缩杆7同轴叠层式测量结构中的步骤三相同，给各层叠的所有结构内向着圆心节点扁平板连接杆8上安装可伸缩并带有测量伸缩杆7长度的伸缩模块。
伸缩杆7同轴叠层式测量结构与伸缩杆7差错叠层式测量结构的优缺点：伸缩杆7同轴叠层式测量结构较简单，成本较少，控制简便，只需控制一个电机11即可，但同数量的电极4测得的轮廓没有伸缩杆7差错叠层式测量结构测得的轮廓精度高；伸缩杆7差错叠层式测量结构较为复杂，每层需要有电机11做为驱动角度的放大缩小所以成本较高，但重建轮廓精度较高，也为电极4的安放提供不同的方案。
S102、利用所述测量结构采集对应的模拟棱形角度和各个伸缩杆7的模拟伸缩量，并根据对应的线性关系得到对应的棱形角度和伸缩量。
具体的，对所述伸缩杆7同轴叠层式测量结构或所述伸缩杆7差错叠层式测量结构进行初始化，使各层同心圆基层5变得最大，然后粗调所述测量结构的棱形角度，并使任一根伸缩杆7接触被测物体10的身体，然后细调所述棱形角度，使所有的所述伸缩杆7上的电极4均与被测物体10的身体接触，得到对的模拟棱形角度和模拟伸缩量；然后，将得到的所述模拟伸缩量与设定的阈值进行比较，若所述模拟伸缩量小于设定的阈值，则重新调整所述棱形角度和所有的所述伸缩杆7的长度，直至所述模拟伸缩量大于或等于所述设定的阈值，最后，基于线性关系，利用对应的所述长度测量传感器3或角度测量传感器3计算出对的棱形角度和伸缩量。
S103、将所述棱形角度和所述伸缩量导入基于所述同心圆基层5的圆心为原点建立的三维直角坐标系中，计算出对应的电极4坐标。
具体的，1.伸缩杆7同轴叠层式测量结构电极4坐标的计算方法：
第一步：构建一个可变的同心圆结构并建立以同心圆柱体的圆心为原点建立三维空间直角坐标系。其中圆柱的中心为于三维空间直角坐标系Z轴上
如附图2所示该结构每层可由n个棱形构成(图中是由每层8个棱形构成)，n的个数越多测量场域的边界精度会越高，层与层之间测量杆的距离为h。棱形是使用X形的结构进首尾连接，相交的节点都是可活动的。所有棱形的边长为b。为了方便计算建立平面直角坐标系，分别计算每层电极4的X轴和Y轴坐标。同心圆圆心坐标为(0，0)，当可伸缩同心圆结构扩展到最大时，附图4上圆上的节点(棱形向着圆心的节点)到圆心的距离为r1，并且对应结构图2的角度为α1，其为可变角12。根据以上建立的直角坐标系可计算出以下信息：
Figure BDA0002959980130000081
θ为相邻节点间的角度(如附图4中11到21的角度)
Figure BDA0002959980130000082
i为直角坐标系中的节点标号，θi为i节点对应的角度(θi∈(0,2π)，i∈(1,n))
第二步：利用可变同心圆结构设计一个EIT测量结构
1.为使设备结构更牢固和测试方便，层与层之间使用两个相同可变同心圆结构按较小的距离进行平行放置(距离越小精度越高)，并使用连接杆8分别连接相对应的中部节点和靠近同心圆圆心的两个棱形节点。
2.在靠近同心圆圆心的连接杆8上各安装一个可伸缩长度范围为0～c的弹性伸缩装置2，该装置上并安装可测量伸缩长度的传感器3。最后在伸缩杆7上安装厚度为e的电极4。
第三：计算电极4位置坐标
当可伸缩同心圆结构扩展到最大时的电极4坐标，伸缩杆7伸出的距离为c，当对人体测量时结构图2的α角的角度由α1变为α2，第一层i节点对应的可伸缩装置中的可测距离传感器3测到的缩短长度为l1i，第一层的各测量电极4坐标方法如下：
Figure BDA0002959980130000083
f＝a(α2-α1)+t (1-4)
r1i＝r1-c-e+l1i-(f+s) (1-5)
x1ci＝r1icos(θi) (1-6)
y1ci＝r1isin(θi) (1-7)
其中，s为测量时棱形靠近圆心的节点到棱形中点距离相对变化的大小，f为测量时棱形与棱形相交的节点距离圆心的相对变化值，a是由实验拟合的线性系数，t为一次方程的常数项，r1i为测量时第一层各个节点对应的电极4到原点的距离，x1ci为测量时第一层各个节点对应的电极4横坐标，y1ci为测量时第一层各个节点对应的电极4纵坐标。同理使用以上的方法计算出第m层的电极4坐标(xmci，ymci，h×(m-1))。
2.伸缩杆7差错叠层式测量结构电极4坐标的计算方法：
第一步：构建一个可变的同心圆结构并建立以同心圆柱体的圆心为原点建立三维空间直角坐标系。其中圆柱的中心为于三维空间直角坐标系Z轴上。
如附图5所示该结构每层可由n个棱形构成(图中是由每层8个棱形构成)，n的个数越多测量场域的边界精度会越高，层与层之间测量杆的距离为h。棱形是使用X形的结构进首尾连接，相交的节点都是可活动的，所有棱形的边长为b，层与层之间是错位的，但间隔层是相同的。为了方便计算建立平面直角坐标系，分别计算每层电极4的X轴和Y轴坐标，同心圆圆心坐标为(0，0)，当可伸缩同心圆结构扩展到最大时，相邻的两层建立的二维平面直角坐标系分别如图7和图8上圆上的节点(棱形向着圆心的节点)到圆心的距离为r1，并且对应结构图5的角度为α1。根据以上建立的直角坐标系可计算出以下信息：
Figure BDA0002959980130000091
Figure BDA0002959980130000092
其中，θ为每层相邻节点间的角度(如图7或图8中11(12)到21(22)的角度)，θ2俯视图中两个相邻节点的角度(如图9中11到12的角度)
Figure BDA0002959980130000093
Figure BDA0002959980130000094
其中，i为直角坐标系中的节点标号，θ1i为第一层i节点对应的角度，θ2i为第二层i节点对应的角度，根据该层叠结构的特点间隔层的电极4俯视的二维直角坐标系中角度是相同的。(θ1i∈(0,2π)，θ2i∈(0,2π)，i∈(1,n))
第二步：利用可变同心圆结构设计一个EIT测试结构
在靠近同心圆圆心的连接杆8上各安装一个可伸缩长度范围为0～c的弹性伸缩装置2，该装置上并安装可测量伸缩长度的传感器3。最后在伸缩杆7上安装厚度为e的电极4。
第三：计算电极4位置坐标
当对人体测量时每层电机11同步运行，结构图5的α角的角度都由α1变为α2，第一层i节点对应的可伸缩装置中的可测距离传感器3测到的缩短长度为l1i，第一层的各测量电极4坐标方法如下：
Figure BDA0002959980130000101
f＝a(α2-α1)+t (1-24)
r1i＝r1-c-e+l1i-(f+s) (1-25)
x1ci＝r1icos(θ1i) (1-26)
y1ci＝r1isin(θ1i) (1-27)
其中，s为测量时棱形靠近圆心的节点到棱形中点距离相对变化的大小，f为测量时棱形与棱形相交的节点距离圆心的相对变化值，a是由实验拟合的线性系数，t为一次方程的常数项，r1i为测量时第一层各个节点对应的电极4到原点的距离，x1ci为测量时第一层各个节点对应的电极4横坐标，y1ci为测量时第一层各个节点对应的电极4纵坐标。同理根据第二层可测距离传感器3测到的缩短长度l2i和角度θ2i可计算出x2ci和y2ci，以此类推可计算出各叠层的电极4坐标。
S104、利用插值法计算出所述测量结构的边界坐标点，并将构建的单位圆柱进行等效放大，依次连接得到的实际边界点，得到对应的三维人体轮廓。
具体的，1.伸缩杆7同轴叠层式测量结构电极4坐标的计算方法：
根据多层的电极4坐标重建人体的三维轮廓。根据以上步骤可以求出电极4的坐标，在同圆心处建立等高的单位圆柱，然后根据电极4坐标信息将等高的单位圆柱使用算法进行等效放大，即先选择等高的单位圆柱与各层电极4同一高度的单位圆的边界上取足够多的点，然后根据电极4坐标将单位圆坐标近似得到测量对象在电极4横截面上的边界，在层与层之间的边界采用的是插值的方式对边界进行求解，具体计算过程如下所示：
θmj＝atan2(ymj，xmj) (1-8)
Figure BDA0002959980130000102
gmj＝(n·kmj+n)％n+1 (1-10)
gzmj＝[gmj]取整 (1-11)
t1mj＝(gmj+1)-gzmj (1-12)
t2mj＝gzmj-gmj (1-13)
vmj＝t1mj·rmg+t2mj·rm(g+1) (1-14)
Xmj＝xmj·vmj (1-15)
Ymj＝ymj·vmj (1-16)
其中，(ymj，xmj，hg(m-1))为m层在单位圆横截面边界上选择的第j个点，j的编号是从与x轴的正轴交点处开始并按逆时针顺序编号，θmj为第m层第j个被选中的点的四象限反正切角(θmj∈(-π,π))，kmj为θmj在圆中占的比例，gmj为将圆分n份对应所在的位置，gzmj为对g取整，t1mj为下一整数与当前位置的距离，t2mj为当前位置与当前整数的距离，vmj为第j个离散节点的放大倍数，(Xmj，Ymj，hg(m-1))为m层在单位圆横截面上选择的第j个点根据边界条件得到的实际有限元模型节点坐标，经过计算得到边界上的点坐标，用直线连接相邻的点可得m个横截边界。
在层与层之间使用插值的方法进行计算，具体计算方法如下所示：
在m+1层与m层电极4之间选择插值的边界点，定义对应的坐标为(xcmci，ycmci，hcm)，其中层与层之间可以插入多个点，插值的点可使用线性的方法插值，也可以选择曲线的方法进行插值，以下使用的是线性的方法进行插值计算说明
Figure BDA0002959980130000111
Figure BDA0002959980130000112
使用以上式子计算可得出电极4对应的插值坐标，然后同理可使用取同高度同心单位圆边界上的点根据等比例放大的方法求得插值高度上对应真实边界的坐标(Xcmj，Ycmj，hcm)，然后将所有相邻的点使用直线进行连接，从而得到重建的测量对象的三维轮廓。
2.伸缩杆7差错叠层式测量结构电极4坐标的计算方法：
根据多层的电极4坐标重建人体的三维轮廓。根据人体的构造情况特别是胸部在竖直方向变化较小时横剖面半径变化是非常小的，当层叠结构为两层时，可直接将两层的电极4坐标一起使用先成一个二维的剖面，然后将剖面复制平移到上层，再将上下各节点用线段连接起来得出人体的轮廓；上下两层如果距离较远可使用线性拟合或者曲线拟合的方法根据另一层差错的电极4坐标得出本层电极4对应的坐标，然后连接上下两层的节点得出人体轮廓；如果层叠有三层以上则可以使用上下两层的电极4坐标去逼近中间层对应该角度上的边界点，然后结合中间层测得的电极4坐标生成人体横截面边界模型，同理也可以使用其他的电极4坐标推出另一层对应角度上没有的边界坐标，所以使用同电极4数的情况下，伸缩杆7差错叠层式测量结构测量的重建人体轮廓精度比伸缩杆7同轴叠层式测量结构的精度要高，也提供了不同的电极4安放。以下将以两层电极4进行线性求解的方法进行说明：
Figure BDA0002959980130000124
Figure BDA0002959980130000121
Figure BDA0002959980130000122
Figure BDA0002959980130000123
W为线性求解的线性系数，(xc1ci，yc1ci，hc)和(xc2ci，yc2ci，hc)分别为第一层和第二层电极4点通过线性插值求出的高度为hc的边界坐标点(因为人体胸部较低的横截面比高的轮廓小)，然后使用伸缩杆7同轴叠层式测量结构中的步骤四的方法等效放大单位圆柱边界上的点得到实际边界的点，最后连接相邻的各个点，得到被测对象重建的轮廓。
请参阅图2至图4以及图10和图11，本发明第一实施例提供一种电阻抗断层成像的三维边界测量结构，所述电阻抗断层成像的三维边界测量结构包括主体1和与所述主体1连接的弹性伸缩装置2，以及与所述弹性伸缩装置2连接的多个传感器3和多个电极4，所述主体1包括多个同心圆基层5和用于连接相邻两个所述同心圆基层5的连接组件6，多个所述同心圆基层5均由多个伸缩杆7的中心节点首尾连接而成，多个所述伸缩杆7的大小相同且棱形边长相等，所述弹性伸缩装置2与所述连接组件6连接；
所述连接组件6包括与两个棱形相交的节点连接的圆柱杆连接杆8和与所述同心圆基层5内向着圆心的节点连接的扁平板连接杆8，所述扁平板连接杆8的平面面向圆心方向。
在本实施方式中，步骤一：大小可变的同心圆机械结构由n个大小相同棱形边长大小都为b的结构进行中心节点首尾连接而成，该部分结构细节如附图2中的标号1所示，得到一个二维的同心圆结构。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。
步骤二：将步骤一中两个相同的大小可变的同心圆机械结构层与层之间使用一定长度的连接杆8将结构内向着圆心的节点和两个棱形相交的节点连接，两个棱形相交的节点连接杆8可使用简单的圆柱杆连接；而同心圆结构内向着圆心节点的连接方式是使用扁平板连接，其平面严格面向圆心方向，并固定于结构上下使平面板的面向圆心的方向不改变；最终使层与层之间两个大小可变的同心圆机械结构形成一个整体，并任意选择其中一个两个棱形相交的节点连接处安装可测角度传感器3(角度传感器3可选择电位器等(不局限一种)其他测量传感器3，使用电位器作为传感器3时，将电位和电机11固定在测量角的某一层叠的正下方棱形边上，它们之间相对都是静止的，电机11的转动轴与电位器下方的转动轴相连，电位器上方的转动轴套上齿轮与对应菱形的齿轮对接，实现角度改变和角度测量同时进行。
步骤三：每层所有结构内向着圆心节点扁平板连接杆8上竖直方向等间隔垂直安装可伸缩并带有测量伸缩杆7长度的伸缩模块。该模块主要由滑动变阻器、弹簧、电极4固定安放装置和固定装置构成，将弹簧套在滑动变阻器上，并固定住，在连接杆8的竖直方向打孔，用于伸缩装置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；在滑动变阻器的指向圆心的一端有一个电极4的固定装置，最后在伸缩模块上根据使用者的需要安装所需要的电极4。
请参阅图5至图10和图12，本发明第二实施例提供一种电阻抗断层成像的三维边界测量结构，所述电阻抗断层成像的三维边界测量结构包括主体1和与所述主体1连接的弹性伸缩装置2，以及与所述弹性伸缩装置2连接的多个传感器3和多个电极4，所述主体1包括多个同心圆基层5和用于连接相邻两个所述同心圆基层5的连接组件6，多个所述同心圆基层5均由多个伸缩杆7的中心节点首尾连接而成，多个所述伸缩杆7的大小相同且棱形边长相等，所述弹性伸缩装置2与所述连接组件6连接；
所述连接组件6包括与两个棱形相交的节点的滑动槽9和与相邻两个所述同心圆基层5中上层棱形的两个空闲角连接，并与下层所述所述同心圆基层5的滑动槽9连接的扁平板连接杆8，其中，两个所述空闲角为上层棱形中不与其他棱形连接的两个角。
在本实施方式中，伸缩杆7差错叠层式测量结构步骤一、步骤二和伸缩杆7同轴叠层式测量结构的步骤一、步骤二是大体相同的，区别只在于伸缩杆7差错叠层式测量结构相邻的两层是错位层叠的，其他的层会沿着这个的基础上向上或向下叠层延伸。
步骤三：在已经构造好的二维的可伸缩的同心圆结构的棱形与棱形相交的节点上安装滑动槽9，用于扩展成三维测量结构，该槽位于向着圆心的角平分线上；叠层上的结构与伸缩杆7同轴叠层式测量结构的步骤一和步骤二基本一样，与之不同的是层与层的安装方法是错位安装的，完成上述的结构设计后，需要两层错位连接，即上叠层的棱形不与其他棱形连接的两个角分别上装扁平板连接杆8，并与下层结构的滑动槽9连接，形成三维的测量结构。同理，按照这种方法可以向上或者向下做叠层，叠层越多上下距离越小重建三维轮廓的精度就越高。
步骤四：步骤与伸缩杆7同轴叠层式测量结构中的步骤三相同，给各层叠的所有结构内向着圆心节点扁平板连接杆8上安装可伸缩并带有测量伸缩杆7长度的伸缩模块。
伸缩杆7同轴叠层式测量结构与伸缩杆7差错叠层式测量结构的优缺点：伸缩杆7同轴叠层式测量结构结构较简单，成本较少，控制简便，只需控制一个电机11即可，但同数量的电极4测得的轮廓没有伸缩杆7差错叠层式测量结构测得的轮廓精度高；伸缩杆7差错叠层式测量结构较为复杂，每层需要有电机11做为驱动角度的放大缩小所以成本较高，但重建轮廓精度较高，也为电极4的安放提供不同的方案。
本发明的一种电阻抗断层成像的三维边界测量结构及方法，使用的是多层可伸缩同心圆基层5和多传感器3协同组成测量结构，由测量结构分别对可伸缩同心圆棱形结构的角度变化模拟量和可伸缩杆7的长短变化大小的模拟量进行测量读取，并根据线性关系计算出真实角度量和伸缩杆7的长度量；然后通过建立三维直角坐标系法计算出电极4的坐标；最后把电极4坐标上传到上位机，通过电极4坐标计算得出较准确的三维人体测量对象的轮廓；通过伸缩杆7的伸缩量作为反馈值调整电机11参数控制可伸缩同心圆棱形结构的角度，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和减少二维磁漏等因素造成计算误差较大等，大大提高图像重建的质量。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种电阻抗断层成像的三维边界测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建可变的同心圆基层，并基于弹性伸缩装置、传感器和电极构建对应的测量结构，其中，所述测量结构包括伸缩杆同轴叠层式测量结构和伸缩杆差错叠层式测量结构；
利用所述测量结构采集对应的模拟棱形角度和各个伸缩杆的模拟伸缩量，并根据对应的线性关系得到对应的棱形角度和伸缩量；
将所述棱形角度和所述伸缩量导入基于所述同心圆基层的圆心为原点建立的三维直角坐标系中，计算出对应的电极坐标，其中，所述同心圆基层的圆心为于三维空间直角坐标系Z轴上；
利用插值法计算出所述测量结构的边界坐标点，并将构建的单位圆柱进行等效放大，依次连接得到的实际边界点，得到对应的三维人体轮廓。
2.如权利要求1所述的电阻抗断层成像的三维边界测量方法，其特征在于，构建可变的同心圆基层，并基于弹性伸缩装置、传感器和电极构建伸缩杆同轴叠层式测量结构，包括：
利用多个大小相同且棱形边长相等的伸缩杆进行中心节点首尾连接，构建可变的同心圆基层；
在两个相同的大小可变的同心圆基层之间，使用连接杆将所述同心圆基层内向着圆心的节点和两个棱形相交的节点连接，得到主体；
基于弹性伸缩装置、传感器、电极和所述主体构建伸缩杆同轴叠层式测量结构。
3.如权利要求2所述的电阻抗断层成像的三维边界测量方法，其特征在于，基于弹性伸缩装置、传感器、电极和所述主体构建伸缩杆同轴叠层式测量结构，包括：
对任一个棱形相交的节点连接处安装角度测量传感器，并在每层所述同心圆基层内向着圆心节点的连接杆的竖直方向上等间隔垂直安装弹性伸缩装置；
在所述弹性伸缩装置上安装电极和长度测量传感器，得到伸缩杆同轴叠层式测量结构。
4.如权利要求1所述的电阻抗断层成像的三维边界测量方法，其特征在于，利用所述测量结构采集对应的模拟棱形角度和各个伸缩杆的模拟伸缩量，并根据对应的线性关系得到对应的棱形角度和伸缩量，包括：
将所述测量结构进行初始化，并粗调棱形角度和任意一个所述伸缩杆长度；
获取所述测量结构中所有的所述伸缩杆的模拟伸缩量和模拟棱形角度，并将所述模拟伸缩量与设定的阈值进行比较，直至所述模拟伸缩量大于或等于所述设定的阈值后，利用对应的线性关系计算出对应的棱形角度和伸缩量。
5.如权利要求1所述的电阻抗断层成像的三维边界测量方法，其特征在于，将所述棱形角度和所述伸缩量导入基于所述同心圆基层的圆心为原点建立的三维直角坐标系中，计算出对应的电极坐标，包括：
基于构建的伸缩杆同轴叠层式测量结构，将所述同心圆基层的圆心为原点建议三维直角坐标系，并计算出任意节点对应的可变角，其中，所述同心圆基层的圆心为于三维空间直角坐标系Z轴上；
将所述棱形角度和所述伸缩量所述三维直角坐标系中，并结合所述可变角计算出对应的电极坐标。
6.如权利要求5所述的电阻抗断层成像的三维边界测量方法，其特征在于，将所述棱形角度和所述伸缩量所述三维直角坐标系中，并结合所述可变角计算出对应的电极坐标，包括：
根据所述三维直角坐标系获取缩短长度，并结合所述棱形角度和所述伸缩量，计算出当前所述节点到所述三维直角坐标系原点的距离；
利用所述距离与所述可变角的正弦值和余弦值的乘积，得到对应的电极坐标。
7.一种电阻抗断层成像的三维边界测量结构，适用于如权利要求1至权利要求6任一项所述的一种电阻抗断层成像的三维边界测量方法，其特征在于，
所述电阻抗断层成像的三维边界测量结构包括主体和与所述主体连接的弹性伸缩装置，以及与所述弹性伸缩装置连接的多个传感器和多个电极，所述主体包括多个同心圆基层和用于连接相邻两个所述同心圆基层的连接组件，多个所述同心圆基层均由多个伸缩杆的中心节点首尾连接而成，多个所述伸缩杆的大小相同且棱形边长相等，所述弹性伸缩装置与所述连接组件连接。
8.如权利要求7所述的电阻抗断层成像的三维边界测量结构，其特征在于，
所述连接组件包括与两个棱形相交的节点连接的圆柱杆连接杆和与所述同心圆基层内向着圆心的节点连接的扁平板连接杆，所述扁平板连接杆的平面面向圆心方向。
9.如权利要求7所述的电阻抗断层成像的三维边界测量结构，其特征在于，
所述连接组件包括与两个棱形相交的节点的滑动槽和与相邻两个所述同心圆基层中上层棱形的两个空闲角连接，并与下层所述所述同心圆基层的滑动槽连接的扁平板连接杆，其中，两个所述空闲角为上层棱形中不与其他棱形连接的两个角。
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