CN115177234B - 一种高密度传感器、高密度检测装置、数据处理方法以及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高密度传感器、高密度检测装置、数据处理方法、成像方法，其属于医疗检测领域。其技术要点在于：一种高密度传感器，其特征在于，包括：其包括：前端杆、探头、屏蔽层、信号线、连接器、后端杆、通讯接口；在前端杆的端部设置有探头；在探头上布置了两个同心环状阵列电极和一个中心电极；其中环状阵列电极的内环有n个电极，外环有2n个电极，环状阵列电极的环与环之间间距相同。本发明旨在提供一种高密度传感器、高密度检测装置、数据处理方法、成像方法，为临床医生提供相关信息。

Description

一种高密度传感器、高密度检测装置、数据处理方法以及成像 方法

技术领域

本发明属于医疗检测领域，具体涉及一种高密度传感器、高密度检测装置、数据处理方法、成像方法。

背景技术

目前，内腔肿瘤检测技术(例如：胃癌等)主要是内镜检测，肿瘤标志物检测、影像学检测等。但这些检测方式存在着设备复杂、辐射量大、有创、无法实时检测等问题。这对内腔肿瘤的寻找鉴定造成了极大的困难。

电阻抗技术作为一种新的检测技术，在肿瘤领域有了一定的应用。

例如：

文献1：天津大学的王超老师在CN101248995B提出了一种用于术中乳腺癌灶边缘界定的阻抗测量装置及其检测方法。

文献2：南京邮电大学的戎舟老师在CN109646000B提出了一种基于局部细剖分的节点电阻抗成像方法。

文献3：重庆大学的柳先锋老师在CN109700459B提出了一种用于宫颈筛查的电阻抗检测系统。

基于以上现有技术的研究，发现：

(1)目前，还没有将电阻抗技术应用到内腔肿瘤检测的相关研究。

(2)电阻抗成像方法(Electrical Impedance Tomography,EIT)。电阻抗成像方法(Electrical Impedance Tomography,EIT)可以通过正常组织与癌变组织不同生理结构及生理特征表现出的不同电学特性进行区分，实现胃组织及癌变区域的三维图像重构；如何将电阻抗成像方法与内腔中的肿瘤检测结合在一起，以便能够得到一个3D的胃癌组织分布图，也是一个值得研发的课题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，提供一种高密度传感器。

本发明的另一目的是为了提供一种高密度检测装置。

本发明的又一目的是为了提供一种数据处理方法。

本发明的再一目的是为了提供一种成像方法。

本发明的通过以下技术方案来实现：

一种高密度传感器，包括：其包括：前端杆、探头；

在前端杆的端部设置有探头；在探头凸出的半球上布置了L层同心环状阵列电极和一个中心电极；

其中每层有i个半径为r的环状阵列电极，环状阵列电极的环与环之间间距相同，环内电极间距相同，中心电极为接地电极。

进一步，

其中，d为探头的直径，r_环为每层环状电极中心所在圆的半径。

一种高密度传感器，其包括：其包括：前端杆、探头、屏蔽层、信号线、连接器、把手、后端杆、通讯接口；

在前端杆的端部设置有探头；在探头上布置了两个同心环状阵列电极和一个中心电极(中心电极是接地电极，外围的两圈环状阵列电极是激励电极与采集电极；当输送激励信号时，中心电极的作用是形成回路；当采集信号时，中心电极的作用是作为参考电势点)；

其中环状阵列电极的内环有n(3≤n≤8)个电极，外环有2n个电极，环状阵列电极的环与环之间间距相同，环内电极间距相同，中心电极为接地电极；

在前端杆上包裹有信号线与屏蔽层；所述信号线用于所述环状阵列电极与通讯接口的信号连通；

前端杆的端部分别与后端杆、把手连接，三者形成“Y”状；

所述连接器用于信号线和把手之间的连接固定；

所述后端杆的端部设置有通讯接口。

进一步，所述把手用于操控高密度传感器使其穿过内镜腔道与人体内的组织接触。

一种高密度检测装置，其包括：高密度传感器、电阻抗检测设备；

其中，高密度传感器用于激励与采集数据信号；

其中，通过通讯接口与信号线，使得高密度传感器与电阻抗检测设备实现信号连接，实现环状阵列电极与电阻抗检测设备间的信号传输；

电阻抗检测设备向高密度传感器输出EIT检测所需要的激励信号，即控制信号线的信号输出，传输到高密度传感器上的3n+1个电极上对接触的组织进行激励与采集电信号(以n＝4为例，1号电极发送激励信号，2-12号电极采集电压数据并记录；2号电极发送激励信号，3-12电极采集电压数据并记录，……，12号电极发送激励信号，1-11号电极采集电压数据并记录)。

进一步，电阻抗检测设备包括：信号发生与采集模块A、选通开关控制模块B；

其中，信号发生与采集模块A用于生成恒定幅值两种频率f₁和f₂下的电流信号激励，同时采集组织f₁和f₂频率下的边界电压；采集状阵列传感器对组织进行EIT检测时采集的两种不同频率f₁，f₂下的边界电压数据矩阵V：

f₁、f₂表示激励频率，V_1-k、V_2-k分别表示任意第k组激励频率为f₁、f₂时得到的边界电压信号，N表示获得的边界电压数据的数量，探头上内圈布置的环状阵列电极的个数为n，则有：N＝3n×(3n-1)；

其中，选通开关控制模块B用于控制信号发生与采集模块A及高密度传感器1之间的信号传输。

进一步，电阻抗检测设备包括：存储模块C；

其中，存储模块C用于存储信号发生与采集模块A采集的数据，即环状阵列传感器对组织进行EIT检测时采集的两种不同频率f₁，f₂下的边界电压数据矩阵V。

进一步，电阻抗检测设备包括：数据处理模块D；

其中，数据处理模块D读取存储模块C中的数据，用于对边界电压数据矩阵V中的V_1-k与V_2-k做差处理得到边界电压差矩阵ΔV，并对ΔV和提前用有限元仿真得到的灵敏度矩阵S归一化分别得到范围为0-1的ΔV_norm和S_norm；

数据处理模块D的数据处理方式为：

D-1，利用有限元仿真方法计算场域在激励频率为f₁时的灵敏度矩阵S，S中的元素S_ij是场域中对应网格节点电场强度数量积：

其中，m为仿真时场域有限元分析的结点个数，表示场域内m个节点第i个电极激励时的电场强度；/>表示场域内m个结点第j个电极激励时的电场强度；

D-2,计算在激励频率分别为f₁，f₂时所得的边界电压之差矩阵ΔV：

ΔV＝[ΔV₁ ΔV₂.......ΔV_k.......ΔV_N]

其中，ΔV_k采用下式计算：

ΔV_k＝|V_1-k-V_2-k|

其中，V_1-k、V_2-k分别表示第k组激励频率为f₁、f₂时得到的边界电压信号。

D-3，将边界电压差矩阵ΔV和灵敏度矩阵S归一化：

其中，norm(ΔV)、norm(S)分别为边界电压差ΔV和灵敏度矩阵S的范数，ΔV_norm、S_norm分别是边界电压差ΔV和灵敏度矩阵S归一化的结果(灵敏度矩阵S通过仿真获得，是已知量；ΔV是计算到的电压差，也是已知量)。

进一步，电阻抗检测设备包括：EIT成像模块E；

EIT成像模块用于计算场域内的相对电导率分布σ并进行归一化处理得到三维场域内不同节点的电导率σ_norm(根据σ_norm绘制3D电导率分布图像)。

所述EIT成像模块输出检测场域内各个节点的电导率同时归一化为σ_norm，根据电导率值绘制电导率分布图像，包括以下步骤：

E-1，使用混合正则化算法计算场域内的相对电导率分布：

σ＝(S_norm ^TS_norm+k_t·I+k_n·D)^-1·S_norm ^T·ΔV_norm

其中，σ是待测场域内的相对电导率，k_t、k_n为正则化参数，I是与敏感矩阵S_norm同列数的单位矩阵，D是与S_norm ^TS_norm同阶、同对角元素的对角矩阵；

E-2，将得到的归一化电导率σ_norm绘制成电导率分布图像，以显示病变组织所在区域。

其中，max(σ)、min(σ)分别求出的电导率分布σ中的最大值和最小值。

本申请的有益效果在于：

第一，本申请的基础构思在于提出了高密度传感器的基本构造。其包括：其包括：前端杆、探头、屏蔽层、信号线、连接器、把手、后端杆、通讯接口；在前端杆的端部设置有探头；在探头上布置了两个同心环状阵列电极和一个中心电极。

其难点在于阵列电极的电极数量：

1.1，对于环状阵列电极而言，理论上电极个数越多，采集独立信号越多，电导率成像过程中独立方程个数越多，将会降低方程的病态性，提升成像精度；

1.2但在实际成像中，电极个数的增多(电极间距会减小)，一方面会增大传感器的整体尺寸，另一方面也会对采集信号造成一些不必要的电磁干扰；

1.3经过若干测试，发现：

在探头凸出的半球上布置了L层同心环状阵列电极和一个中心电极；

其中每层有i个半径为r的环状阵列电极，环状阵列电极的环与环之间间距相同，环内电极间距相同，中心电极为接地电极；

避免1.2、1.3的核心设计在于满足下式：

其中，d为探头的直径，r_环为每层环状电极中心所在圆的半径一种高密度传感器。

1.4上述给出了一般规律。为了简化使用，本申请设计了“环状阵列电极的内环有n(3≤n≤8)个电极，外环有2n个电极”的方案。

因此，上述电极的设计是本申请的首创。

第二，本申请的第二个发明构思在于：本申请提出了一种高密度检测装置；其提出了信号发生与采集模块A、选通开关控制模块B、存储模块C、数据处理模块D、EIT成像模块E的设计。

第三，本申请的第三个发明构思在于：本申请提出了适用于高密度检测装置的数据处理方法以及成像方法。

本申请的目的在于得到：计算场域内的相对电导率分布σ并进行归一化处理得到三维场域内不同节点的电导率σ_norm。

本申请从数据需求(即通过选通模块控制需求哪些数据)、数据收集、数据处理这三个层次进行了分析。其对应的模块分别为：信号发生与采集模块A以及选通开关控制模块B、数据处理模块D、EIT成像模块E。

也即，上述“信号发生与采集模块A以及选通开关控制模块B、数据处理模块D、EIT成像模块E”模块的工作方法是本申请的第三个发明构思。

附图说明

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

图1为本发明的高密度检测装置的结构设计图。

图2为本发明中的高密度传感器的结构设计图。

附图标记说明如下：

高密度传感器1，其包括：前端杆1-1、探头1-2、屏蔽层1-3、信号线1-4、连接器1-5、把手1-6、后端杆1-7、通讯接口1-8；

电阻抗检测设备2。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

[实施例1：一种高密度检测装置]

如图1所示，一种高密度检测装置，其包括：高密度传感器1、电阻抗检测设备2。

如图2所示，高密度传感器1用于采集数据信号(其可以通过内镜腔道进入人体并与组织接触检测)，电阻抗检测设备2用于处理数据并且显示结果(电阻抗检测设备向传感器输出EIT检测所需要的激励信号以及收集并处理测量所得到的边界电压)。

其中，高密度传感器1，其包括：前端杆1-1、探头1-2、屏蔽层1-3、信号线1-4、连接器1-5、把手1-6、后端杆1-7、通讯接口1-8；

在前端杆1-1的端部设置有探头1-2；在探头1-2上布置了两个同心环状阵列电极和一个中心电极(中心电极是接地电极，外围的两圈电极是激励电极与采集电极；当输送激励信号时，中心电极的作用是形成回路；当采集信号时，中心电极的作用是作为参考电势点)，其中环状阵列电极的内环有四个电极，外环有八个电极，环状阵列电极的环与环之间间距相同，环内电极间距相同，中心电极为接地电极；

在前端杆1-1上包裹：信号线(信号线就是传输激励的电流信号同时不激励时可以采集电机的电压响应信号；每个环状阵列电极、中心电极都有1根单独的信号线吗)与屏蔽层，可弯曲伸进内镜腔道，作用是将探头经由腔道伸进人体内；所述屏蔽层包裹信号线，作用是屏蔽信号线之间的干扰；所述信号线用于传输电阻抗检测设备发出的信号到环状阵列电极；

前端杆1-1的端部分别与后端杆1-7、把手1-6连接，三者形成“Y”状；

所述连接器用于信号线和把手之间的连接固定；

所述把手用于操控高密度传感器使其穿过内镜腔道与人体内的组织接触；

所述后端杆1-7的端部设置有通讯接口1-8，所述通讯接口用于将信号线与电阻抗检测设备实现信号连接，即实现环状阵列电极与电阻抗检测设备间的信号传输。

[实施例2：一种高密度检测装置的检测系统]

电阻抗检测设备中安装有一种高密度检测装置的检测系统。

所述高密度检测装置的检测系统(其不属于诊断方法)，包括：信号发生与采集模块A、选通开关控制模块B、存储模块C、数据处理模块D、EIT成像模块E；

信号发生与采集模块A用于生成恒定幅值的电流信号激励同时采集组织不同频率下的边界电压；

选通开关控制模块B用于控制信号发生与采集模块A及高密度传感器1之间的信号传输；

存储模块C用于存储环状阵列传感器对组织进行EIT检测时采集的两种不同频率f₁，f₂下的边界电压数据；

数据处理模块D用于对两种不同频率的电压值做差处理得到边界电压差ΔV，并对ΔV和提前用有限元仿真得到的灵敏度矩阵S归一化分别得到范围为0-1的ΔV_norm和S_norm；

EIT成像模块用于计算场域内的相对电导率分布σ并进行归一化处理得到三维场域内不同节点的电导率σ_norm，最终根据σ_norm绘制3D电导率分布图像以显示病变组织所在区域。

[实施例3：一种高密度检测装置的检测系统]

一种求解σ_norm的方法(下述方法属于计算机软件程序，并不属于诊断疾病的方法)，采用如下步骤：

步骤①，使用电阻抗检测设备生成单一频率的信号，选通高密度传感器的内圈n，外圈2n(本实施例中n＝4)个电极对内腔表面激励，单个电极激励并采集其余电极与接地电极的边界电压值，依次循环，总共采集EIT成像所需的3n×(3n-1)个边界电压值，换取另一个频率的信号激励同时采集组织相应的3n×(3n-1)个边界电压值；

步骤②，数据处理模块读取步骤①采集到的3n×(3n-1)×2个电压数据，将不同频率下的边界电压做差处理并归一化为ΔV_norm：

同时将生成好的灵敏度矩阵归一化为S_norm；

步骤③，EIT成像模块通过混合正则化算法计算整个三维检测场域内部各个结点的电导率值：

σ＝(S_norm ^TS_norm+k_t·I+k_n·D)^-1·S_norm ^T·ΔV_norm

并将电导率值σ归一化为0-1的σ_norm：

σ_norm＝(σ-min(σ))/(max(σ)-min(σ))

最终根据σ_norm绘制3D电导率分布图像，以分辨癌变区域。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (10)

1.一种高密度传感器，其特征在于，包括：其包括：前端杆、探头；

在前端杆的端部设置有探头；在探头凸出的半球上布置了L层同心环状阵列电极和一个中心电极；

其中每层有i个半径为r的环状阵列电极，环状阵列电极的环与环之间间距相同，环内电极间距相同，中心电极为接地电极；

其中，d为探头的直径，r_环为每层环状电极中心所在圆的半径。

2.一种高密度传感器，其特征在于，其包括：前端杆、探头、屏蔽层、信号线、连接器、后端杆、通讯接口；

在前端杆的端部设置有探头；在探头上布置了两层同心环状阵列电极和一个中心电极；

其中环状阵列电极的内环有n个电极，外环有2n个电极，环状阵列电极的环与环之间间距相同，环内电极间距相同，中心电极为接地电极；

在前端杆上包裹有信号线与屏蔽层；所述信号线用于所述环状阵列电极与通讯接口的信号连通；

所述连接器用于信号线和把手之间的连接固定；

所述后端杆的端部设置有通讯接口；

其中，3≤n≤8；

环状阵列电极的半径均为r，其满足：

同时，n、2n均要满足：

其中，d为探头的直径，r_环1为内环环状电极中心所在圆的半径，r_环2为外环环状电极中心所在圆的半径。

3.根据权利要求1或2所述的一种高密度传感器，其特征在于，还包括：把手；前端杆的端部分别与后端杆、把手连接，三者形成“Y”状。

4.一种高密度检测装置，其特征在于，包括：如权利要求2所述的高密度传感器、电阻抗检测设备；

其中，高密度传感器用于激励与采集数据信号；

其中，通过通讯接口与信号线，使得高密度传感器与电阻抗检测设备实现信号连接，实现环状阵列电极与电阻抗检测设备间的信号传输；

其中，电阻抗检测设备向高密度传感器输出EIT检测所需要的激励信号，即控制信号线的信号输出，传输到高密度传感器上的3n+1个电极上对接触的组织进行激励与采集电信号。

5.根据权利要求4所述的一种高密度检测装置，其特征在于，电阻抗检测设备包括：信号发生与采集模块A、选通开关控制模块B；

其中，信号发生与采集模块A用于生成恒定幅值两种频率f₁和f₂下的电流信号激励，同时采集组织f₁和f₂频率下的边界电压；采集状阵列传感器对组织进行EIT检测时采集的两种不同频率f₁，f₂下的边界电压数据矩阵V：

f₁、f₂表示激励频率，V_1-k、V_2-k分别表示任意第k组激励频率为f₁、f₂时得到的边界电压信号，N表示获得的边界电压数据的数量，探头上内圈布置的环状阵列电极的个数为n，则有：N＝3n×(3n-1)；

其中，选通开关控制模块B用于控制信号发生与采集模块A及高密度传感器1之间的信号传输。

6.根据权利要求5所述的一种高密度检测装置，其特征在于，电阻抗检测设备包括：存储模块C；

其中，存储模块C用于存储信号发生与采集模块A采集的数据，即环状阵列传感器对组织进行EIT检测时采集的两种不同频率f₁，f₂下的边界电压数据矩阵V。

7.根据权利要求6所述的一种高密度检测装置，其特征在于，电阻抗检测设备包括：数据处理模块D；

其中，数据处理模块D读取存储模块C中的数据，用于对边界电压数据矩阵V中的V_1-k与V_2-k做差处理得到边界电压差矩阵ΔV，并对ΔV和提前用有限元仿真得到的灵敏度矩阵S归一化分别得到范围为0-1的ΔV_norm和S_norm；

数据处理模块D的数据处理方式为：

D-1，利用有限元仿真方法计算场域在激励频率为f₁时的灵敏度矩阵S；

D-2,计算在激励频率分别为f₁，f₂时所得的边界电压之差矩阵ΔV：

ΔV＝[ΔV₁ ΔV₂.......ΔV_k.......ΔV_N]

其中，ΔV_k采用下式计算：

ΔV_k＝|V_1-k-V_2-k|

其中，V_1-k、V_2-k分别表示第k组激励频率为f₁、f₂时得到的边界电压信号；

D-3，将边界电压差矩阵ΔV和灵敏度矩阵S归一化：

其中，norm(ΔV)、norm(S)分别为边界电压差ΔV和灵敏度矩阵S的范数，ΔV_norm、S_norm分别是边界电压差ΔV和灵敏度矩阵S归一化的结果。

8.根据权利要求7所述的一种高密度检测装置，其特征在于，电阻抗检测设备还包括：EIT成像模块E；

EIT成像模块用于计算场域内的相对电导率分布σ并进行归一化处理得到三维场域内不同节点的电导率σ_norm；

所述EIT成像模块输出检测场域内各个节点的电导率同时归一化为σ_norm，根据电导率值绘制电导率分布图像，包括以下步骤：

E-1，使用混合正则化算法计算场域内的相对电导率分布：

σ＝(S_norm ^TS_norm+k_t·I+k_n·D)^-1·S_norm ^T·ΔV_norm

其中，σ是待测场域内的相对电导率矩阵，k_t、k_n为正则化参数，I是与敏感矩阵S_norm同列数的单位矩阵，D是与S_norm ^TS_norm同阶、同对角元素的对角矩阵；

E-2，计算得到归一化电导率σ_norm：

其中，max(σ)、min(σ)分别求出的电导率分布σ中的最大值和最小值；

E-3，根据σ_norm来绘制电导率分布图像。

9.一种数据处理方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S100，使用权利要求8所述的电阻抗检测设备生成单一频率的信号，选通高密度传感器的内圈n，外圈2n个电极对内腔表面激励，单个电极激励并采集其余电极与接地电极的边界电压值，依次循环，总共采集EIT成像所需的3n×(3n-1)个边界电压值，换取另一个频率的信号激励同时采集组织相应的3n×(3n-1)个边界电压值；

S200，读取S100采集到的3n×(3n-1)×2个电压数据，将不同频率下的边界电压做差处理并归一化为ΔV_norm：

其中，ΔV表示边界电压差；

同时将生成好的灵敏度矩阵归一化为S_norm；

其中，S表示灵敏度矩阵；

S300，EIT成像模块通过混合正则化算法计算整个三维检测场域内部各个结点的电导率值：

σ＝(S_norm ^TS_norm+k_t·I+k_n·D)^-1·S_norm ^T+ΔV_norm；

其中，σ是待测场域内的相对电导率矩阵，k_t、k_n为正则化参数，I是与敏感矩阵S_norm同列数的单位矩阵，D是与S_norm ^TS_norm同阶、同对角元素的对角矩阵；

并将电导率值σ归一化为0-1的σ_norm：

其中，max(σ)、min(σ)分别求出的电导率分布σ中的最大值和最小值。

10.一种成像方法，其特征在于，根据权利要求9所述的数据处理方法计算得到的σ_norm绘制3D电导率分布图像。