CT约束的电阻抗医疗成像方法技术

一种CT约束的电阻抗医疗成像方法，包括：(1)在待测区域布设电极，所述电极包括注入电极和测量电极；(2)向注入电极注入微电流，通过测量电极获取测量电压，与此同时，对待测部位进行CT影像扫描，获取待测部位CT值；(3)按照经验，建立一个应用于成像的初始模型；(4)执行CT约束下的电阻抗联合反演过程；(5)获取电压残差曲线，判断电压残差曲线是否收敛，如果不收敛，将新的电阻抗模型定义为初始模型，计算电压残差，计算交叉梯度函数，再次进行迭代得到新的电阻抗模型；如果收敛，则输出当前反演所得电阻抗模型，作为最终反演结果。本发明专利技术所述方法能显著提高传统EIT成像的空间分辨率。

CT-constrained Electrical Impedance Medical Imaging

A CT-constrained electrical impedance medical imaging method includes: (1) laying electrodes in the area to be measured, which include injection electrodes and measurement electrodes; (2) injecting micro-current into the injection electrodes to obtain the measurement voltage by measuring the electrodes, and at the same time, scanning the measured parts with CT images to obtain the CT values of the parts to be measured; (3) pressing According to experience, an initial model for imaging is established; (4) the joint inversion of impedance under CT constraints is performed; (5) the voltage residual curve is obtained to determine whether the voltage residual curve converges or not. If not, the new impedance model is defined as the initial model, the voltage residual is calculated, the cross-gradient function is calculated, and again. A new impedance model is obtained by iteration. If it converges, the current inversion impedance model is output as the final inversion result. The method of the invention can significantly improve the spatial resolution of traditional EIT imaging.

【技术实现步骤摘要】
CT约束的电阻抗医疗成像方法
本专利技术涉及电阻抗成像技术以及有限元正演建模技术，具体涉及一种用CT约束的电阻抗医疗成像方法。
技术介绍
随着科学技术的发展，计算机断层成像技术(ComputedTomography，CT)为疾病的诊断提供了一种客观、准确、迅速的手段。但是传统的CT是一种医学结构成像，在一些病症的诊断上存在局限性。近年来，又出现了一种基于生物组织电学特性的电阻抗断层成像技术(ElectricalImpedanceTomography，EIT)。EIT是根据物体内部组织电特性参数(如电阻率、电容率)的不同，通过对其表面施加安全激励电流或电压，同时测量物体表面的电压或电流信号来获知物体内部电特性参数的分布，进而重建出反映物体内部结构的图像。这对生物体内部电特性的研究具有重要意义，因为不同组织和器官的电特性不同。这种图像不仅包含了丰富的解剖学信息，而且可以获得某些组织和器官的电特性随其病理、生理功能状态而改变的信息。某些人体组织的生理功能变化能引起组织阻抗的变化，如组织充血和放电等，脂肪过多，某些组织病理改变也能引起组织阻抗的变化(如早期白血病显示骨髓导电率先发生变化等)。当加上正弦激励后，这些信息必然会改变点位参数的分布，这些信息将会在EIT图像中体现出来，所以EIT具有功能成像的性质。利用EIT技术，可以显示人体内组织的阻抗分布图像、人体组织随频率变化图像、人体器官进行生理活动(如呼吸、心脏搏动)时的阻抗变化图像等，在临床上可用于检测和监护。该技术具有无损伤，低成本，操作简单和信息丰富等特点，近十几年受到国际学术界的广泛关注，并呈现出很好的应用前景。相对于CT，EIT是一种功能成像，对人体器官病变的诊断具有一定的优越性。但是，传统的EIT存在着空间分辨率低的问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提出了一种高分辨率电阻抗成像方法，应用交叉梯度算子，将同一部位的CT成像的结构信息作为约束加入到EIT成像中，从而提高EIT成像的空间分辨率。为了达到以上目的，本专利技术提出了一种CT约束的电阻抗医疗成像方法，包括：(1)在待测区域布设电极，所述电极包括注入电极和测量电极；(2)向注入电极注入微电流，通过测量电极获取测量电压，与此同时，对待测部位进行CT影像扫描，获取待测部位CT值；(3)按照经验，建立一个应用于成像的初始模型；(4)执行CT约束下的电阻抗联合反演过程，所述电阻抗联合反演过程：根据初始模型，通过有限元正演计算理论电压，与测量电压相减获得电压残差；根据初始模型以及CT模型，计算交叉梯度函数；通过高斯牛顿迭代法得到电阻抗残差，将电阻抗残差改正到初始模型得到新的电阻抗模型；(5)获取电压残差曲线，判断电压残差曲线是否收敛，如果不收敛，将新的电阻抗模型定义为初始模型，计算电压残差，计算交叉梯度函数，再次进行迭代得到新的电阻抗模型；如果收敛，则输出当前反演所得电阻抗模型，作为最终反演结果。优选地，如果不建立初始模型，初始模型设为默认均匀模型。优选地，所述电阻抗联合反演过程利用最小化一个目标函数来求解最优的电阻抗分布，所述目标函数为：Φ(m)＝||dE-S(mE)||2+||αLmE||2+||βt(mE，mC)||2其中dE表示测量电压，S(mE)表示正演计算得到的理论电压，mE表示阻抗分布，mC表示CT值分布，L表示正则化算子，α表示正则化权重因子，t(mE，mC)表示交叉梯度函数，β表示交叉梯度权重因子。优选地，交叉梯度函数的定义为一个给定三角形单元的重心T(x0，y0)与其相邻的三个三角形的对应关系，A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)分别为三个三角形的重心，交叉梯度函数t(mE，mC)的函数表现形式为：其中，其中mE1、mE2、mE3分别为所述三个相邻三角形中的阻抗分布，mC1、mC2、mC3分别为所述三个相邻三角形中的CT值分布。优选地，测量电压的步骤包括：在同一部位设计多点分别输入微量直流电流，在每一次输入电流的同时，测量该部位的多点电压值，改变电流输入点，直至测量充分覆盖该目标区域。优选地，步骤(1)中，注入电极以及测量电极的布设遵从对向驱动模式。优选地，步骤(2)中，设计多点分别输入微量直流电流，对于每一次输入电流的同时，测量该部位的多点电压值，改变电流输入点，直至测量充分覆盖该目标区域。优选地，步骤(2)中，对于同一测量部位，在不同时间段重复获取相同点的测量电压。优选地，步骤(3)中，所述初始模型通过参考CT影像扫描信息来建立。优选地，步骤(4)中，所述交叉梯度函数采用在有限元下的表现形式。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术利用交叉梯度函数开发出一种CT约束EIT成像方法。由于该方法结合了CT空间结构信息，所以能显著提高传统EIT成像的空间分辨率。此外，本专利技术将交叉梯度法推广到了有限元法中，这将有可能运用到基于有限元理论的各种成像方法。附图说明图1为反演方法流程图。图2为对向驱动示意图。图3(a)阻抗-CT值交叉梯度函数在矩形网格中的定义。对于一个二维有限差分网格。mE表示电阻率，mC表示CT值，交叉梯度函数t定义为一个给定单元的中心(用X表示)与其右侧单元(标定为r)以及下侧单元(标定为b)之间的关系。(b)阻抗-CT值交叉梯度函数在二维三角网格中的定义。对于一个向l1，l2以及l3方向扩展的二维三角网格。mE表示电阻率，mC表示CT值，交叉梯度函数t定义为一个给定三角形单元的重心(用T(x0，y0)表示)与其第一条边相邻三角形(标定为1)以及第二条边相邻三角形(标定为2)以及第三条边相邻三角形(标定为3)的对应关系。A(x1，y1)、B(x2，y2)、C(x3，y3)分别为三个三角形的重心。图4为一个简单的块状分布模型：(a)EIT模型；(b)CT模型。图5为不同参数α选择下标准EIT成像方法的重建图像：(a)α＝1；(b)α＝0.1；(c)α＝0.05；(d)α＝0.01。图6为不同参数α和β选择下CT约束EIT成像方法的重建图像：(a)α＝0.05，β＝1；(b)α＝0.05，β＝10；(c)α＝0.05，β＝100；(d)α＝1，β＝50；(e)α＝0.1，β＝50；(f)α＝0.01，β＝50。图7为误差收敛曲线：(a)标准EIT成像和CT约束EIT成像的电压误差随迭代次数变化曲线；(b)标准EIT成像和CT约束EIT成像的电阻率模型误差随迭代次数变化曲线。图8为电阻率剖面：(a)水平电阻率剖面y＝0；(b)垂直电阻率剖面x＝0。图9为CT约束初始模型对应的标准EIT成像结果。(a)初始模型；(b)标准EIT重建图像；(c)电阻率误差收敛曲线。图10为CT约束初始模型对应的标准EIT成像结果。(a)初始模型；(b)标准EIT重建图像；(c)电阻率误差收敛曲线。图11为一个二维胸腔模型：(a)原始CT图像；(b)离散化的CT图像，X和Y方向的坐标单位为cm；(c)根据离散CT图像建立的离散EIT图像，X和Y方向的坐标单位为cm。图12为成像结果：(a)原始CT图像；(b)离散化的CT图像，X和Y方向的坐标单位为cm；(c)根据离散CT图像建立的离散EIT图像，X和Y方向的坐标单位为cm。图13为误差收敛曲线：(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种CT约束的电阻抗医疗成像方法，包括：(1)在待测区域布设电极，所述电极包括注入电极和测量电极；(2)向注入电极注入微电流，通过测量电极获取测量电压，与此同时，对待测部位进行CT影像扫描，获取待测部位CT值；(3)按照经验，建立一个应用于成像的初始模型；(4)执行CT约束下的电阻抗联合反演过程，所述电阻抗联合反演过程：根据初始模型，通过有限元正演计算理论电压，与测量电压相减获得电压残差；根据初始模型以及CT模型，计算交叉梯度函数；通过高斯牛顿迭代法得到电阻抗残差，将电阻抗残差改正到初始模型得到新的电阻抗模型；(5)获取电压残差曲线，判断电压残差曲线是否收敛，如果不收敛，将新的电阻抗模型定义为初始模型，计算电压残差，计算交叉梯度函数，再次进行迭代得到新的电阻抗模型；如果收敛，则输出当前反演所得电阻抗模型，作为最终反演结果。

【技术特征摘要】
1.一种CT约束的电阻抗医疗成像方法，包括：(1)在待测区域布设电极，所述电极包括注入电极和测量电极；(2)向注入电极注入微电流，通过测量电极获取测量电压，与此同时，对待测部位进行CT影像扫描，获取待测部位CT值；(3)按照经验，建立一个应用于成像的初始模型；(4)执行CT约束下的电阻抗联合反演过程，所述电阻抗联合反演过程：根据初始模型，通过有限元正演计算理论电压，与测量电压相减获得电压残差；根据初始模型以及CT模型，计算交叉梯度函数；通过高斯牛顿迭代法得到电阻抗残差，将电阻抗残差改正到初始模型得到新的电阻抗模型；(5)获取电压残差曲线，判断电压残差曲线是否收敛，如果不收敛，将新的电阻抗模型定义为初始模型，计算电压残差，计算交叉梯度函数，再次进行迭代得到新的电阻抗模型；如果收敛，则输出当前反演所得电阻抗模型，作为最终反演结果。2.根据权利要求1所述的方法，其中，如果不建立初始模型，初始模型设为默认均匀模型。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电阻抗联合反演过程利用最小化一个目标函数来求解最优的电阻抗分布，所述目标函数为：Φ(m)＝||dE-S(mE)||2+||αLmE||2+||βt(mE，mC)||2其中dE表示测量电压，S(mE)表示正演计算得到的理论电压，mE表示阻抗分布，mC表示CT值分布，L表示正则化算子，α表示正则化权重因子，t(mE，mC)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张捷，李子昂，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34