CN116369890B - 一种基于孪生电极检测的成像方法、求解方法、成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于孪生电极检测的成像方法、求解方法、成像系统，属于医疗检测成像这一技术领域。其技术要点在于：通过在相邻两个真实电极之间孪生出新的电极(其是假想的)，实现组合测量，进而得到在真实电极以及孪生电极下的电导率变化率矩阵。本发明旨在提供一种基于孪生电极检测的成像方法、求解方法、成像系统，能够满足医疗成像的需求。

Description

一种基于孪生电极检测的成像方法、求解方法、成像系统

技术领域

本发明属于生物电阻抗成像技术与应用这一技术领域，具体涉及一种基于孪生电极检测的成像方法、求解方法、成像系统。

背景技术

EIT通常采用16个电极进行激励和采集边界电压信号，实现二维图像的重建。

然而对于肺功能成像，二维图像无法有效反应整个肺部通气的情况。目前，基于三维电阻抗成像技术在医学成像领域有一定的应用，例如以下研究：

文献1：“CN203841697U，一种基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统”，其构建三层共48个电极的三维电阻抗成像系统，连续监测人体肺部呼吸过程变化。

文献2：“CN112754456A，一种基于深度学习的三维电阻抗成像系统”，其提出了一种基于深度学习的三维电阻抗成像系统，通过激励进而获得半球测量区域的三维表面阻抗信息，利用乳腺组织和癌症组织的电学特性差异，用于三维半球区域的电导率分布重建，进而应用于女性乳腺癌早期筛查。

文献3：“CN115245322A，三维电极传感器、检测系统及方法、基于块稀疏贝叶斯学习数据处理方法”，其能够克服外科手术中无法有效佩带电极带的情况，不需要额外的先验信息，自适应探索和利用信号内部潜在结构信息，避免了耗时的调参过程，快速实现三维肺部图像重建。

基于此，对于三维成像系统而言，存在以下问题：

1)现有技术的三维成像系统通常需要32或者48电极。这样的电极的数目较多，此时会增加传感器和硬件系统的复杂性，进而应用在临床上时，会带来操作上的麻烦。

2)而更为关键的问题在于，部分患者的部分区域会存在无法粘贴电极的情况。

基于上述两点技术需求，发明人团队在本申请提出了：“在减少电极数目的情况下，通过模拟出新的电极，保证独立投影数据的个数，实现成像精度的提高”的技术路线。但是，对于上述技术路线，还尚未有相关学者进行过研究。

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，提供一种基于孪生电极检测的成像方法、求解方法、成像系统。

一种基于孪生电极检测的成像方法，包括以下步骤：

真实电极模块包括m层电极，第1～m层电极依次包括n₁、n₂…n_m个电极；每层电极均匀分布在同一平面的场域边界；

在相邻的真实电极之间假定有一个孪生电极，所有的孪生电极构成孪生电极模块；也即孪生电极模块假定为m层电极，第1～m层电极依次包括n₁、n₂…n_m个电极；每层电极呈周向布置；

设：n＝n₁+n₂+…+n_m；

Step1，获取S₁、S₂、S₃、V₀、

S₁表示真实电极模块和孪生电极模块组合的灵敏度矩阵；

S₂表示真实电极模块的灵敏度矩阵；

S₃表示孪生电极模块的灵敏度矩阵；

V₀表示空场域中真实电极上的边界电位矩阵；

表示空场域中孪生电极上的边界电位矩阵；

其中，S₁、S₂、S₃均通过计算机仿真软件获取；

Step2，采集V₁：真实电极模块以相邻激励、全部测量的模式，采集组织场域中边界电位矩阵V₁；

其中，

其中，表示在人体肺部场域中，第i对相邻两个真实电极激励时，第j个真实电极上的电位，i＝1:n，j＝1:n；

Step3，通过V₁、S₂来求解电导率变化σ⁽⁰⁾：

采用正则化方法：

其中，argmin表示对函数求参数的函数，||·||₂表示二范数，R(σ⁽⁰⁾)表示正则化项，λ表示正则化系数；

σ⁽⁰⁾为由测量的边界电压求解逆问题得到的电导率分布先验矩阵。

Step4，通过σ⁽⁰⁾、S₃求解

表示组织场域中孪生电极上的边界电位矩阵；

其中，表示肺部场域中孪生电极上的电位矩阵：

其中，表示在人体肺部场域中，第i对相邻两个真实电极激励时，第j个孪生电极上的电位值，i＝1:n，j＝1:n；

Step5，计算ΔU：

ΔU表示孪生电极模块和真实电极模块的组合电位差矩阵；

Step6，通过ΔU、S₁求解电导率变化矩阵Δσ⁽¹⁾：

采用正则化方法：

进一步，每层电极的数量均不小于4个。

进一步，m＝1时，成像二维图像。

进一步，m≥2时，成像三维图像。

一种电导率变化矩阵的求解方法，其已知量为：S₁、S₂、S₃、V₀、V₁，未知量为：Δσ⁽¹⁾；

其包括如下步骤：

S1，通过V₁、S₂来求解中间参数矩阵σ⁽⁰⁾：

采用正则化方法：

其中，argmin表示对函数求参数的函数，||·||₂表示二范数，R(σ⁽⁰⁾)表示正则化项，λ表示正则化系数；

S2，通过σ⁽⁰⁾、S₃求解

表示组织场域中孪生电极上的边界电位矩阵；

S3，计算ΔU：

ΔU表示孪生电极模块和真实电极模块的组合电位差矩阵；

S4，通过ΔU、S₁求解电导率变化矩阵Δσ⁽¹⁾：

采用正则化方法：

其中：S₁表示真实电极模块和孪生电极模块组合的灵敏度矩阵；S₂表示真实电极模块的灵敏度矩阵；S₃表示孪生电极模块的灵敏度矩阵；V₀表示空场域中真实电极上的边界电位矩阵；表示空场域中孪生电极上的边界电位矩阵。

一种成像系统，包括：存储模块、成像模块、求解模块；

其中，所述存储模块用于存储S₁、S₂、S₃、V₀、V₁；

其中，所述求解模块用于求解电导率变化矩阵Δσ⁽¹⁾；所述求解模块中求解Δσ⁽¹⁾的方法采用前述的方法；

其中，所述成像模块根据电导率变化矩阵Δσ⁽¹⁾的结果来进行成像。

一种存储介质，其存储有能够执行前述方法的程序。

本发明技术方案的优点主要体现在：

第一，本申请提出了一种基于孪生电极检测的成像方法，问题的核心是如何在减少电极数目的情况下，实现成像精度的提高。针对上述问题，给出了实施方法：通过在相邻两个真实电极之间孪生出新的电极，实现组合测量(孪生电极是模拟的，不是真实存在的)。

第二，本申请的方法能够实现基于孪生电极检测的成像，通过在二维/三维传感器中插入孪生电极，实现肺部二维/三维电导率分布的测量。

第三，本申请的方案不仅仅适用于二维成像(m＝1时)，也适用于三维成像(m≥2时)。

第四，本申请提出了一种数据处理系统，其已知量为：S₁、S₂、S₃、V₀、V₁，未知量为：Δσ⁽¹⁾；

其包括如下步骤：

S1，通过V₁、S₂来求解中间参数矩阵σ⁽⁰⁾：

采用正则化方法：

其中，argmin表示对函数求参数的函数，||·||₂表示二范数，R(σ⁽⁰⁾)表示正则化项，λ表示正则化系数；

S2，通过σ⁽⁰⁾、S₃求解

表示组织场域中孪生电极上的边界电位矩阵；

S3，计算ΔU：

ΔU表示孪生电极模块和真实电极模块的组合电位差矩阵；

S4，通过ΔU、S₁求解电导率变化矩阵Δσ⁽¹⁾：

采用正则化方法：

其中：S₁表示真实电极模块和孪生电极模块组合的灵敏度矩阵；S₂表示真实电极模块的灵敏度矩阵；S₃表示孪生电极模块的灵敏度矩阵；V₀表示空场域中真实电极上的边界电位矩阵；表示空场域中孪生电极上的边界电位矩阵。

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为本发明中的2×8双层真实电极示意图。

图2为本发明中的真实电极和孪生电极组合示意图。

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1：一种基于孪生电极检测的成像方法及其系统＞

＜一、方法设计＞

实施例1以肺组织为例进行说明。

＜1.1、S₁、S₂、S₃、V₀、的计算＞

附图1-2中：序号1-16表示真实电极；序号1’-16’表示孪生电极；其属于一种三维成像传感器。

对于S₁、S₂和S₃而言：

通过计算机仿真获取S₁、S₂和S₃；

其中，S₁表示真实电极模块和孪生电极模块组合的灵敏度矩阵；S₂表示真实电极模块的灵敏度矩阵；S₃表示孪生电极模块的灵敏度矩阵。

需要说明的是：对于灵敏度矩阵而言，其获取属于现有技术(如：“王欢，面向机器人柔性皮肤的电阻抗成像方法研究[D].南京航空航天大学，2021”采用COMSOLMultiphysics来仿真获取)。

对于V₀、而言：

通过正问题模型V＝Sσ来实现求解；

空场域电导率分布矩阵σ₀可以根据实际情况自行设定，为已知量；(σ₀的设定属于现有技术，可参考文献：Y.Wu et al.,"Bayesian Image Reconstruction Using WeightedLaplace Prior for Lung Respiratory Monitoring With Electrical ImpedanceTomography,"in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,vol.72,pp.1-11,2023)

“；”表示MATLAB里的矩阵换行符；

其中：

表示在空场域中，第i对相邻两个真实电极激励时，第j个真实电极电位值，i＝1:n，j＝1:n；

表示在空场域中，第i对相邻两个真实电极激励时，第j个电极(真实电极、孪生电极)电位值，i＝1:n，j＝1:n。

＜2.2、人体肺部场域电位数据采集，获取V₁＞

结合附图1所示，在人体肺部区域均匀贴附2×8双层阵列电极，在相邻激励、全部电极测量的模式下，采集边界电位数据矩阵V₁：

其中，表示在人体肺部场域中，第i对相邻两个真实电极激励时，第j个真实电极上的电位，i＝1:16，j＝1:16。

需要说明的是：第8号、9号电极作为激励电极，可以获得垂直方向的电位数据；第16号、1号电极作为激励电极，可以获得垂直方向的电位数据。

＜2.3、σ⁽⁰⁾的求解＞

通过V₁、S₂来求解电导率变化：

采用正则化方法：

其中，argmin表示对函数求参数的函数(表示使/>取最小值时对应的σ⁽⁰⁾，目标函数的物理意义是加入了正则化项后的测量电压值与真实电压值之间的误差最小)，||·||₂表示二范数，R(σ⁽⁰⁾)表示正则化项，λ表示正则化系数(取值可参考文献：Wang Q,Wang H,Zhang R,et al.Image reconstruction based on L1regularization and projection methods for electrical impedance tomography.[J].The Review of scientific instruments,2012,83(10):104707)。

＜2.4、的求解＞

通过σ⁽⁰⁾、S₃求解

表示组织场域中孪生电极上的边界电位矩阵；

＜2.5、计算ΔU＞

通过V₁、V₀、来求解ΔU：

其中，ΔU表示在16个孪生电极和16个真实电极的组合电位差变化矩阵；“；”表示MATLAB里的矩阵换行符；

＜2.6、计算Δσ⁽¹⁾＞

通过ΔU、S₁求解电导率变化矩阵Δσ⁽¹⁾：

采用正则化方法：

得到电导率变化矩阵Δσ⁽¹⁾，即可成像。

本申请的符号—物理意义关系表

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 (7)

1.一种基于孪生电极检测的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

真实电极模块包括m层电极，第1～m层电极依次包括n₁、n₂…n_m个电极；每层电极均匀分布在同一平面的场域边界；

在相邻的真实电极之间假定有一个孪生电极，所有的孪生电极构成孪生电极模块；也即孪生电极模块假定为m层电极，第1～m层电极依次包括n₁、n₂…n_m个电极；

Step1，获取S₁、S₂、S₃、V₀、

S₁表示真实电极模块和孪生电极模块组合的灵敏度矩阵；

S₂表示真实电极模块的灵敏度矩阵；

S₃表示孪生电极模块的灵敏度矩阵；

V₀表示空场域中真实电极上的边界电位矩阵；

表示空场域中孪生电极上的边界电位矩阵；

Step2，采集V₁：真实电极模块以相邻激励、全部测量的模式，采集组织场域中边界电位矩阵V₁；

Step3，通过V₁、S₂来求解电导率变化σ⁽⁰⁾：

采用正则化方法：

其中，argmin表示对函数求参数的函数，||·||₂表示二范数，R(σ⁽⁰⁾)表示正则化项，λ表示正则化系数；

σ⁽⁰⁾为由测量的边界电压求解逆问题得到的电导率分布先验矩阵;

Step4，通过σ⁽⁰⁾、S₃求解

表示组织场域中孪生电极上的边界电位矩阵；

Step5，计算ΔU：

ΔU表示孪生电极模块和真实电极模块的组合电位差矩阵；

Step6，通过ΔU、S₁求解电导率变化矩阵Δσ⁽¹⁾：

采用正则化方法：

2.根据权利要求1所述的一种基于孪生电极检测的成像方法，其特征在于，每层电极的数量均不小于4个。

3.根据权利要求1所述的一种基于孪生电极检测的成像方法，其特征在于，每层电极呈周向布置。

4.根据权利要求1所述的一种基于孪生电极检测的成像方法，其特征在于，m＝1时，成像二维图像。

5.根据权利要求1所述的一种基于孪生电极检测的成像方法，其特征在于，m≥2时，成像三维图像。

6.一种电导率变化矩阵的求解方法，其已知量为：S₁、S₂、S₃、V₀、V₁，未知量为：Δσ⁽¹⁾；

其特征在于，其包括如下步骤：

S1，通过V₁、S₂来求解中间参数矩阵σ⁽⁰⁾：

采用正则化方法：

其中，argmin表示对函数求参数的函数，||·||₂表示二范数，R(σ⁽⁰⁾)表示正则化项，λ表示正则化系数；

S2，通过σ⁽⁰⁾、S₃求解

表示组织场域中孪生电极上的边界电位矩阵；

S3，计算ΔU：

ΔU表示孪生电极模块和真实电极模块的组合电位差矩阵；

S4，通过ΔU、S₁求解电导率变化矩阵Δσ⁽¹⁾：

采用正则化方法：

其中：S₁表示真实电极模块和孪生电极模块组合的灵敏度矩阵；S₂表示真实电极模块的灵敏度矩阵；S₃表示孪生电极模块的灵敏度矩阵；V₀表示空场域中真实电极上的边界电位矩阵；表示空场域中孪生电极上的边界电位矩阵；V₁表示在组织场域下，真实电极上的边界电位矩阵。

7.一种成像系统，其特征在于，包括：存储模块、成像模块、求解模块；

其中，所述存储模块用于存储S₁、S₂、S₃、V₀、V₁；

其中，所述求解模块用于求解电导率变化矩阵Δσ⁽¹⁾；所述求解模块中求解Δσ⁽¹⁾的方法采用如权利要求6所述的方法；

其中，所述成像模块根据电导率变化矩阵Δσ⁽¹⁾的结果来进行成像。