專利名稱：一種電阻抗成像系統(tǒng)頻差fnoser成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明針對電阻抗成像系統(tǒng)(Electrical Impedance Tomography, EIT)中逆問題
重構(gòu)過程中，系統(tǒng)誤差不能消除、初始電阻率不好選擇的瓶頸問題，發(fā)明了一種基于頻 差FNOSER成像算法。
背景技術(shù)：
電阻抗成像技術(shù)(Electrical Impedance Tomography, EIT)是一種特點(diǎn)鮮明的成
像技術(shù)，主要應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)診斷。EIT技術(shù)通過配置于人體體表的電極陣列對人體施 加電激勵并測量其電響應(yīng)信號，從中提取與人體生理、病理狀態(tài)相關(guān)的組織與器官的電 特性信息，不但可以反映解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，更能給出功能性圖像結(jié)果。EIT技術(shù)不使用核素 或射線，對人體無創(chuàng)、無電離輻射損傷，可以多次測量、重復(fù)使用。其設(shè)備成本低廉， 不要求特殊的工作環(huán)境，便于大規(guī)模推廣。電阻抗成像方法可分為靜態(tài)和差分成像，后者有時也稱為動態(tài)成像。在差分 成像中，為獲得一幅圖像需要兩組獨(dú)立的電壓測量值，而重構(gòu)圖像則顯示了被測對象 內(nèi)部電阻抗分布的差異或是變化，這種變化的來源可能是時間、頻率或其它因素。差 分成像通常是求解線性化的重構(gòu)問題(逆問題)，采用諸如濾波反投影法(Filtered Back-Projection Method, FBP)、快速一步牛頓法(Fast Newton，s One-Step Error Reconstractc^FNOSER)等方法，成像速度能得到保證。更為重要之處在于，差分成像在 很大程度上能消除很多未知模型參數(shù)的影響，換言之，差分成像對系統(tǒng)誤差不敏感，其 原因在于兩次電壓測量在基本相同的條件下進(jìn)行。這一點(diǎn)對實際的臨床應(yīng)用特別重要。反觀靜態(tài)成像(Static Imaging)，雖然能夠重構(gòu)出絕對電阻抗分布，理論上更有 價值，但由于眾所周知EIT逆問題的病態(tài)性，少許的重構(gòu)輸入誤差則會引起很大的成像 誤差甚至導(dǎo)致成像失敗。所以靜態(tài)重構(gòu)本質(zhì)上比差分重構(gòu)更為困難。如前所述，差分重構(gòu)需要兩組輸入數(shù)據(jù)——參考電壓數(shù)據(jù)集和測量電壓數(shù)據(jù) 集，前者通常是采用均勻場域下的測量數(shù)據(jù)，這在仿真和物理模型實驗中容易得到，但 實際臨床應(yīng)用中，幾乎無法找到電阻率均勻分布的情況。因此，差分成像雖然具有對系 統(tǒng)誤差不敏感的優(yōu)點(diǎn)，但其應(yīng)用局限性較大。所以在臨床中，只好退而求其次，在人體 電阻抗分布存在變化的條件下應(yīng)用動態(tài)EIT成像得到差分圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提出一種基于高精度信號測量的電阻抗成像系統(tǒng)的頻差 FNOSER成像方法。針對FNOSER算法，參考電壓數(shù)據(jù)集。和測量電壓數(shù)據(jù)集K分別 來自兩個不同頻率下的測量結(jié)果，將這兩個頻率命名為參考頻率 和測量頻率乙，則構(gòu)成 了 FNOSER頻差重構(gòu)算法。FNOSER頻差重構(gòu)能得到清晰穩(wěn)定的阻抗分布圖像，而且對 誤差有較好的容受度，解決了系統(tǒng)誤差不能消除、初始電阻率不好選擇的瓶頸問題。本發(fā)明提出一種基于高精度信號測量的電阻抗成像系統(tǒng)的頻差FNOSER成像方法，其特征在于
1、構(gòu)建高精度信號測量的電阻抗成像系統(tǒng)
所述電阻抗成像系統(tǒng)包括殼體、電極陣列、激勵模塊、測量模塊、中央控制處理電 路、USB通訊模塊、上位機(jī)；其中測量電極和測量電路安裝在同一探頭盒中，大大縮短了 測量電路與測量電極之間的距離，讓測量電極的引出線能就近接入測試系統(tǒng)，從而形成一 種新穎的用于電阻抗成像的高精度測量系統(tǒng)。2、采集激勵電流頻率為《時的邊界電壓
采用具有USB通訊接口的電阻抗成像測量系統(tǒng)采集激勵電流頻率為《時的邊界電 壓，將其作為參考電壓I，邊界電壓包括每一個電極注入時其它電極測量得到的電壓。3、采集激勵電流頻率為乙時的邊界電壓
采用具有上述電阻抗成像測量系統(tǒng)采集激勵電流頻率為乙時的邊界電壓，將其作為 測量電壓K，邊界電壓包括每一個電極注入時其它電極測量得到的電壓。4、計算被測模型的雅克比矩陣/
1)、被測場域模型的建立及剖分由于人體的個體差異，電阻抗成像系統(tǒng)不可能建 立一個與實際被測場域完全一致的模型，只能通過人體軀干參數(shù)建立一個統(tǒng)一的模型； 剖分采用美國麻省理工大學(xué)的開源剖分工具DistMesh軟件包，得到被測模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)N 和單元數(shù)M ；
2)、被測模型離散成M個單元，電阻率Ρ:(Α,Α,…Puf具有M個元
素，每個元素為各個單元上的電阻率
權(quán)利要求
1. 一種電阻抗成像系統(tǒng)頻差FNOSER成像方法，其特征在于1)、構(gòu)建高精度信號測量的電阻抗成像系統(tǒng)所述電阻抗成像系統(tǒng)包括殼體、電極陣列、激勵模塊、測量模塊、中央控制處理電 路、USB通訊模塊、上位機(jī)；其中測量電極和測量電路安裝在同一個探頭盒中，讓測量電 極的引出線能就近接入測試系統(tǒng)；2)、采集激勵電流頻率為 時的邊界電壓采用前述電阻抗成像測量系統(tǒng)采集激勵電流頻率為 時的邊界電壓，將其作為參考 電壓I，邊界電壓包括每一個電極注入時其它電極測量得到的電壓；3)、采集激勵電流頻率為乙時的邊界電壓采用上述電阻抗成像測量系統(tǒng)采集激勵電流頻率為乙時的邊界電壓，將其作為測量 電壓K，邊界電壓包括每一個電極注入時其它電極測量得到的電壓；4)、計算被測模型的雅克比矩陣/a)、被測場域模型的建立及剖分通過人體軀干參數(shù)建立一個統(tǒng)一的模型；剖分采 用開源剖分工具DistMesh軟件包，得到被測模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)N和單元數(shù)M ；b )、 被測模型離散成M個單元， 電阻率p=、mM—x, pMf 具有μ個元素，每個元素為各個單元上的電阻率；C (p) ^ = 1，2^%奶為某一設(shè)定電阻本ρ分布下，各次電流注入下，使用有限元法計算各次電流注入下相鄰電極上的電壓；雅克比矩陣J由下式確定4)應(yīng)用FNOSER算法計算電導(dǎo)率分布在某一設(shè)定電阻率P'分布下，依次施加電流激勵，測量的相鄰電極上的電壓為 ^.(1^=1,2,-^-0,電阻抗成像就是要根據(jù)該測量數(shù)據(jù)來計算場域內(nèi)電阻率的分布。作為計算機(jī)仿真，可以用有限元法求解正問題來獲得該數(shù)據(jù)；如果計算得到的電阻率為.〃，則在該電阻率分布下，依次從相鄰電極上注入電流，并利用有限方法計算各次電流注入下相鄰電極上的電壓Utf(P) (ι, = Χ-,Μ),如果電 阻率為P即為設(shè)定電阻率廣‘，則應(yīng)有LW) =vH ι,J=Vl,...,N(2)由于各種誤差的存在，上式的相等不可能實現(xiàn)，只可能使Ua(P)與 近似相等；并 通過尋找某一電阻率分布P，使得該電阻率分布下計算的電壓與實際測量的電壓 之間的差最小，即％(^J = 12，….灼最小，用兩組電壓各元素差值的平方和來 評估與 之間的差別，即構(gòu)造誤差函數(shù)
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于高精度信號測量的電阻抗成像系統(tǒng)的頻差FNOSER成像方法，包括高精度信號測量的電阻抗成像系統(tǒng)和成像方法，電阻抗成像系統(tǒng)包括殼體、電極陣列、激勵模塊、測量模塊、中央控制處理電路、USB通訊模塊、上位機(jī)；成像方法特征是(1)采用電阻抗成像測量系統(tǒng)采集激勵電流頻率為fr時的邊界電壓，并將其作為參考電壓Vp；(2)采用電阻抗成像測量系統(tǒng)采集激勵電流頻率為fm時的邊界電壓，并將其作為測量電壓Vu；(3)計算被測模型的雅克比矩陣J；(4)將測量值及計算值代入FNOSER算法計算電阻率分布；(5)繪制電阻率分布圖。本發(fā)明可以從算法角度上抑制測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，提出一種確定初始電阻率的實用可行的方法，并可快速、準(zhǔn)確的重構(gòu)被測模型的電阻率分布，對電阻抗動態(tài)成像效果起到明顯的改進(jìn)作用。
文檔編號A61B5/053GK102008303SQ20101052515
公開日2011年4月13日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者何為, 何傳紅, 張莉, 徐征, 李冰, 羅海軍 申請人:重慶大學(xué)