CN114052702B - 一种电阻抗断层成像电极的接触阻抗校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电阻抗断层成像电极的接触阻抗校准方法，在原有差分算法的基础上，通过一种接触阻抗校准算法，生成带有消除接触阻抗变化对成像数据的影响的新预迭代矩阵，使得在即使接触阻抗发生改变的情况下依旧可以准确成像。本发明通过校准接触阻抗可以很好的解决上述问题，在实际测量过程中无需过多的关注电极与被测物体存在接触阻抗影响成像质量的问题，去除干扰后比如被测物体的一些微小扰动信息，在图像上也可以呈现出来。

Description

一种电阻抗断层成像电极的接触阻抗校准方法

技术领域

本发明属于时间差分成像领域，具体地说，是一种电阻抗断层成像电极的接触阻抗校准方法。

背景技术

电阻抗成像(Electrical impedance tomography，EIT)是一种无创，无损的新型成像技术。EIT技术是将一组电极置于物体表面，注入适当频率和可调的微小电流来测量物体表面的边界电压，并通过一定的重建算法，得到被测物体内部的电导率特性，通过图像形式表现出来。目前EIT算法主要采用的方式是时间差分成像，利用两个不同时刻的测量数据重建出这两个时刻的电导率分布差值，从而构建出差分图像。

由于EIT是需要通过电极与被测物体接触方可进行测量，在电极与被测物体接触表面其实存在着接触阻抗干扰，会使得我们测到的边界电压是包含了接触阻抗的数据，较大的接触阻抗存在有可能会淹没被测物体的测量信息，导致最终无法等到准确的图像信息。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种电阻抗断层成像电极的接触阻抗校准方法，在原有差分算法的基础上，通过一种接触阻抗校准算法，生成带有消除接触阻抗变化对成像数据的影响的新预迭代矩阵，使得在即使接触阻抗发生改变的情况下依旧可以准确成像。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明公开了一种电阻抗断层成像电极的接触阻抗校准方法，在原有的时间差分成像基础上，引入存在接触阻抗的信息计算，通过接触阻抗校准算法生成新的预迭代矩阵，保留原来的成像信息，去除由接触阻抗引起的干扰信息。

作为进一步地改进，本发明所述的接触阻抗校准方法为：

1)利用模体采集各个电极存在接触阻抗的数据与不存在接触阻抗的数据；

2)通过该数据计算单位接触阻抗变化的矩阵；

3)通过单位接触阻抗变化矩阵得到包含接触阻抗校准的预迭代矩阵；

4)通过该矩阵替换原有的预迭代矩阵进行成像。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤1)具体为：利用圆形的模体，在电极L_e(e＝0,1,2…N)上分别串联阻值为Re(e＝0,1,2…N)的电阻来模拟每个电极上接触阻抗变化不同阻值的情况，并设置开关可切换阻值，然后开始采集数据。

作为进一步地改进，本发明所述的数据采集方式为：先采集一帧所有电极上串联电阻阻值为R0的数据，接着采集一帧单个电极接触阻抗变为R1的数据，采集完后还原到初始状态，循环接下来的所有电极，最终总共得到的数据A1中有N+1帧数据，同理将使用阻值R2采集到第二组数据A2,使用阻值Rn采集到第N组数据An。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤2)的具体步骤为：

根据归一化处理计算公式：

将采集到的两组数据中，串联R0的那一帧作为A(0)，其余作为A(i)进行数据处理，得到一个N个电极接触阻抗变化(R1-R0)欧的数据D1和一个N个电极接触阻抗变化为(R2-R0)欧的数据D2；N个电极接触阻抗变化为(Rn-R0)欧的数据Dn；利用上述的任意两组数据计算J_z，比如选取D1和D2计算

可得到单位接触阻抗变化的矩阵J_z。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤3)具体为：

将生成的矩阵J_z代入公式

进行计算可以得到一个校准后的新预迭代矩阵M；

其中，J_p为原始预迭代矩阵(维度为KL*N)N为剖分单元数，J_z为关于电极接触阻抗的矩阵(维度为KL*L)，为原始的预迭代矩阵的转置矩阵，I为适当大小的单位矩阵，/>为J_z的转置矩阵。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤4)具体为：最终校准的成像值计算公式化简为p(t)＝M(y(t)-y(0))，从而得到准确的成像；

其中，y(t)和y(0)分别为时刻t和时刻0处的测量值向量，p(t)为最终的成像值矩阵。

本发明的有益效果如下：

考虑到成像时电极与被测物体接触部分存在接触阻抗，若接触阻抗的干扰较大于被测物体的实际扰动，成像结果将会由接触阻抗数据主导，无法发现实际扰动位置；若接触阻抗干扰与实际扰动较接近，会导致成像结果伪影较多，图像不够清晰，无法判断正确的扰动位置。本发明通过校准接触阻抗可以很好的解决上述问题，在实际测量过程中无需过多的关注电极与被测物体存在接触阻抗影响成像质量的问题。去除干扰后比如被测物体的一些微小扰动信息，在图像上也可以呈现出来。

附图说明

图1是圆形模体电极分布图；

图2是接触阻抗未发生变化原始预迭代矩阵成像图；

图3是接触阻抗发生变化后原始预迭代矩阵成像图；

图4是校准接触阻抗后新预迭代矩阵成像图；

图5是接触阻抗未发生变化新预迭代矩阵成像图。

具体实施方式

本发明公开了一种电阻抗断层成像电极的接触阻抗校准方法，在原有差分算法的基础上，通过一种接触阻抗校准算法，生成带有消除接触阻抗变化对成像数据的影响的新预迭代矩阵，使得在即使接触阻抗发生改变的情况下依旧可以准确成像。

一般未考虑电极接触阻抗的成像模型公式为：

y(t)＝J_pp(t)

对于一个时间差分的电阻抗成像模型公式为：

y(t)＝J_pp(t)+y(0)

考虑电极接触阻抗J_z的成像模型^【1】,一般模型公式为：

y(t)＝J_pp(t)+J_zz(t)+y(0)

其中J_p为原始预迭代矩阵(维度为KL*N)N为剖分单元数，L为电极的数量，K为每个电极激励时的测量数，J_z为关于电极接触阻抗的矩阵(维度为KL*L)，z(t)是t时刻的接触阻抗列向量，y(t)和y(0)分别为时刻t和时刻0处的测量值向量，p(t)为最终的成像值矩阵，文献中的推导过程如下：将上述公式一进行变换可以得到如下公式二：

两边同乘以[J_zJ_p]的转置可得公式三：

求得公式三的第一个解公式四为：

求得公式三的第二个解公式五为：

将公式四代入公式五进行一定的变换，最终我们得到考虑接触阻抗影响的图像重建值公式六为：

为原始的预迭代矩阵的转置矩阵，I为适当大小的单位矩阵，/>为J_z的转置矩阵。

针对考虑接触阻抗的模型提出了一个接触阻抗的测量方法。构思如下：如图1所示，利用圆形的模体，在电极L_e(e＝0,1,2…N)上分别串联阻值为R0，R1，R2…Rn的电阻以此来模拟每个电极上接触阻抗变化不同阻值的情况，并设置开关可切换阻值。数据采集方式为：先采集一帧所有电极上串联电阻阻值为R0的数据，接着采集一帧单个电极接触阻抗变为R1的数据，采集完后还原到初始状态，循环接下来的所有电极，最终总共可得到的数据A1中有17帧数据，同理将使用阻值R2采集到第二组数据A2。根据归一化处理计算公式：

将采集到的两组数据中，串联R0的那一帧作为A(0)，其余作为A(i)进行数据处理，得到一个16个电极接触阻抗变化(R1-R0)欧的数据D1和一个16个电极接触阻抗变化为(R2-R0)欧的数据D2；利用上述的数据D1和D2计算

可得到单位接触阻抗变化的矩阵J_z；根据该计算生成的矩阵J_z代入公式

进行计算可以得到一个校准后的新预迭代矩阵M，最终校准的成像值计算公式化简为

p(t)=M(y(t)-y(0))

y(t)和y(0)分别为时刻t和时刻0处的测量值向量，p(t)为最终的成像值矩阵。

从而得到准确的成像。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

本例中采用的电极数量L＝16，剖分单元数N＝1230，采集数K＝16，R0＝0Ω，R1＝50Ω，R2＝100Ω。

1.模体上数据采集过程：

在模体中倒入一定量的饱和硫酸钙溶液，在16个电极上分别串联上50Ω和100Ω的电阻，并设置切换开关，可分别切换至0Ω，50Ω，100Ω。热机半小时后待系统稳定，第一组数据采集的第一帧为16个电极上串联的电阻均为0Ω的数据，第二帧为0号电极上串联50Ω，其余电极上串联均为0Ω的数据，第三帧为1号电极上串联50Ω，其余电极上均串联为0Ω的数据，以此类推，采集完16个电极数据后，一组数据A1中共有17帧数据，同理第二组数据A2只需将50Ω改为100Ω进行采集即可；

2.生成矩阵Jz：

根据归一化处理计算公式处理后得到一个接触阻抗变化50欧的数据D1和一个接触阻抗变化100欧的数据D2。为求得单位接触阻抗变化的矩阵J_z，利用上述的数据D1和D2可得/>

3.计算生成新的预迭代矩阵：

利用公式计算新的预迭代矩阵即可；其中J_p维度为1230*256，/>维度为256*1230，J_z为上述求的单位接触阻抗变化矩阵，维度为256*16，I为适当大小的单位矩阵，这里我们取的维度为256*256，/>维度为16*256，求得的M矩阵维度为1230*256。

4.利用新的预迭代矩阵成像

最终校准的成像值计算公式化简为p(t)=M(y(t)-y(0))，使用置入胶棒在12号位的数据进行成像对照，图2是接触阻抗未发生变化原始预迭代矩阵成像图，为y(t)接触阻抗未发生变化，采用原始预迭代矩阵的差分算法成像的图像。图3是接触阻抗发生变化后原始预迭代矩阵成像图，为y(t)3号电极接触阻抗发生变化，采用原始预迭代矩阵的差分算法成像的图像。原先成像准确的位置信息由于受到接触阻抗变化的影响导致位置信息被淹没，成像结果不准确。而图4是校准接触阻抗后新预迭代矩阵成像图，在原有接触阻抗发生变化的成像数据的基础上，采用对接触阻抗进行了一定的校准后生成的新预迭代矩阵进行计算，可以看到即使接触阻抗发生了变化依旧可以得到较为准确的成像位置。图5是接触阻抗未发生变化新预迭代矩阵成像图，证明采用校准后的新预迭代矩阵成像在接触阻抗未发生变化时同样可以得到较为准确的成像。

[1]Boverman G,Isaacson D,Newell J C,et al.Efficient SimultaneousReconstruction of Time-Varying Images and Electrode Contact Impedances inElectrical Impedance Tomography[J].IEEE Transactions on BiomedicalEngineering,2017,64(4):795-806.

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明并不限于以上实施例，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种电阻抗断层成像电极的接触阻抗校准方法，其特征在于，在原有的时间差分成像基础上，引入存在接触阻抗的信息计算，通过接触阻抗校准算法生成新的预迭代矩阵，保留原来的成像信息，去除由接触阻抗引起的干扰信息，具体步骤为：

1)利用模体采集各个电极存在接触阻抗的数据与不存在接触阻抗的数据；

2)通过该数据计算单位接触阻抗变化矩阵；

3)通过单位接触阻抗变化矩阵得到包含接触阻抗校准的预迭代矩阵；

4)通过包含接触阻抗校准的预迭代矩阵替换原有的预迭代矩阵进行成像；

所述的1)具体为：利用圆形的模体，在电极L_e(e＝0,1,2…N)上分别串联阻值为Re(e＝0,1,2…N)的电阻来模拟每个电极上接触阻抗变化不同阻值的情况，并设置开关可切换阻值，然后开始采集数据；

所述的采集数据的方式为：先采集一帧所有电极上串联电阻阻值为R0的数据，接着采集一帧单个电极接触阻抗变为R1的数据，采集完后还原到初始状态，循环接下来的所有电极，得到数据A(1)，同理将使用阻值R2采集到第二组数据A(2),使用阻值RN采集到第N组数据A(N)；

所述的2)的具体为：

将采集到的数据中，串联R0的那一帧作为A(0)，根据归一化处理计算公式：

得到N组数据D1,D2,......,DN；其中数据D1为N个电极接触阻抗变化R1-R0欧的数据，数据D2为N个电极接触阻抗变化为R2-R0欧的数据，数据DN为N个电极接触阻抗变化为RN-R0欧的数据；利用上述的任意两组数据计算J_z，其中，当选取D1和D2计算时，

可得到单位接触阻抗变化矩阵J_z；

所述的3)具体为：

将生成的单位接触阻抗变化矩阵J_z代入公式

进行计算可以得到一个校准后的新预迭代矩阵M；

其中，J_p为原始预迭代矩阵，维度为KL*x，x为剖分单元数，J_z为单位接触阻抗变化矩阵，维度为KL*L，L为电极的数量，K为采集数，KL是K*L，表示L个电极采集到的总数据量，为原始预迭代矩阵的转置矩阵，I为适当大小的单位矩阵，/>为J_z的转置矩阵。

2.根据权利要求1所述的电阻抗断层成像电极的接触阻抗校准方法，其特征在于，所述的4)具体为：最终校准的成像值计算公式化简为

p(t)＝M(y(t)-y(0))

从而得到准确的成像；

其中，y(t)和y(0)分别为时刻t和时刻0处的测量值向量，p(t)为最终的成像值矩阵。