本发明专利技术涉及一种基于保形变换的开放式电阻抗层析成像图像重建方法，该方法针对边界近似为平面的开区域，该开区域可简化为以水平方向为边界的上半平面，针对开区域内靠近电极的局部区域进行成像，包含以下步骤：构建线电极阵列，获取边界电压测量值；将被测开区域按照保形变换关系映射为封闭的单位圆域；在变换后的单位圆域内构建灵敏度矩阵，进行均匀的网格剖分，采用在开区域下获得的边界电压测量值，进行图像重建；将在单元圆域内的重建结果映射到被测开区域内实现对开区域内内含物的图像重建。
Image reconstruction method of open impedance tomography based on conformal transformation
The present invention relates to an open electrical impedance tomography image reconstruction method based on conformal transformation. The method aims at an open area whose boundary is approximately plane. The open area can be simplified to an upper half plane with a horizontal boundary. The imaging of a local area near the electrode in the open area includes the following steps: constructing a line electrode array to obtain the measured boundary voltage; The measured open area is mapped to a closed unit circle according to the conformal transformation relationship; the sensitivity matrix is constructed in the transformed unit circle, and the uniform mesh is divided. The image reconstruction is carried out by using the measured boundary voltage value in the open area; the reconstruction results in the unit circle are mapped to the measured open area to realize the image reconstruction of the contents in the open area.
【技术实现步骤摘要】
基于保形变换的开放式电阻抗层析成像图像重建方法
本专利技术属于电阻抗层析成像
，涉及一种基于保形变换的开区域电阻抗层析成像图像重建方法。
技术介绍
电阻抗层析成像(ElectricalImpedanceTomography，简称EIT)是一种具有非侵入或非扰动特点的过程可视化在线监测技术。它通过安置在待测敏感场的阵列式传感器，向目标物场施加电学激励信号，并能够获得反映敏感场内电导率分布信息的电学响应信号，进而实现场内介质分布的二维/三维可视化。该技术具有便携、低成本和高时间分辨率等优点，在工业和生物医学方面具有广阔的应用价值。在很多应用情况中，观测区域并不具备完全闭合的边界，由此衍生出了开放式EIT技术。作为EIT技术的一个研究分支，开放式EIT通常采用固定的电极阵列并以边界不封闭的开放区域作为观测域进行测量。开放式EIT最早被应用于表层地球物理领域用于表层地质勘探，之后开放式EIT也被用于结构损伤检测等领域。近年来，开放式EIT在临床医学方面的研究受到了众多研究学者的关注。2001年，J.L.Mueller等人发表于《PhysiologicalMeasurement(生理学测量)》第22卷，第97-106页，题为《ReconstructionofconductivitychangesduetoventilationandperfusionfromEITdatacollectedonarectangularelectrodearray(基于矩形电极阵列的通气和灌注过程的EIT电导率重建)》，开发了一种开放式EIT传感器，在人体胸部放置4x4平面电极阵列，用于检测通气和灌注过程中的电导率变化。2010年，A.Borsic等人发表于《PhysiologicalMeasurement(生理学测量)》第31卷，第S1-16页，题为《Electricalimpedancetomographyreconstructionforthree-dimensionalimagingoftheprostate(对前列腺的EIT三维图像重建)》，将电极阵列连接到圆柱形探头的前表面，用于前列腺疾病的直肠电阻抗断层扫描。2014年，K.Y.Aristovich等人发表于《PhysiologicalMeasurement(生理学测量)》第35卷，第1095-1109页，题为《Amethodforreconstructingtomographicimagesofevokedneuralactivitywithelectricalimpedancetomographyusingintracranialplanararrays(一种利用颅内平面阵列进行电阻抗层析重建诱发神经活动的EIT成像方法)》，采用30个电极的平面电极阵列重建大鼠大脑皮层快速神经诱发活动图像，提出了一种基于噪声t-test的图像处理技术，以提高重建的深度定位精度。与传统的封闭式EIT中电极环绕整个封闭的观测域不同，开放式EIT中的电极只能覆盖观测域的部分边界，这为图像重建问题的解决带来了额外的挑战。由于电流密度随着距离电极表面的距离增加而快速衰减，所以开放式EIT在深度方向的空间分辨率较低且图像重建质量相对较差。为了改善开放式EIT的这一缺陷，国内外研究人员从多方面对开放式EIT进行了研究改进。2006年，T.J.Kao等人发表于《PhysiologicalMeasurement(生理学测量)》第27卷，第S1-11页，题为《A3DreconstructionalgorithmforEITusingahandheldprobeforbreastcancerdetection(一种利用手持探针进行乳腺癌检测的EIT三维重建算法)》，采用了探针式电极阵列对开区域进行数据采集，同时提出了一种Tikhonov和NOSER正则化的组合算法，以及加权的网格剖分方法，以扩展开放式EIT在电极下方的成像深度。该算法可以在较远的距离内重建电极阵列下的物体，但探测深度仍然受到电流穿透的限制。2013年，J.Liu等人发表于《PhysiologicalMeasurement(生理学测量)》第34卷，第823-838页，题为《AnovelcombinedregularizationalgorithmoftotalvariationandTikhonovregularizationforopenelectricalimpedancetomography(一种基于TV和Tikhonov正则化相结合的开放式EIT成像算法)》结合TV和Tikhonov正则化方法，提出了一种新的开放式EIT正则化算法。仿真结果表明，该算法能够锐化重建对象的边缘，对数据噪声具有较强的鲁棒性。2014年，X.Zhang等人发表于《IEEETransactionsOnMedicalImaging(IEEE医疗影像处理)》第33卷，第2223-2241页，题为《Animagereconstructionalgorithmfor3-delectricalimpedancemammography(一种用于三维乳房EIT成像的图像重建算法)》提出了一种基于双网格方法的增强图像重建算法，提高了开放式EIT的重建精度和垂直电极方向的分辨率。2015年，J.Liu等人发表于《Medical&BiologicalEngineering&Computing(医疗、生物工程与计算)》第53卷，第589-597页，题为《Evaluationofmeasurementandstimulationpatternsinopenelectricalimpedancetomographywithscanningelectrode(用扫描电极对开放式电阻抗层析成像测量和刺激模式的评价)》，采用了线性电极阵列对被测区域进行扫描式数据采集，并提出了一种新的激励测量模式，以提高开放式EIT成像质量。然而由于被测区域的开放性，不完备的边界条件加剧了开放式EIT图像重建问题病态性，导致了求解难度加大，求解精度降低，因此深度方向的空间分辨率较低仍然是开放式EIT的主要问题之一。而以往的许多研究都是基于简化的矩形模型进行成像，忽略了建模区域外的电场分布。同时，开放式EIT现阶段常用的成像方法是在开放的被测区域中构建虚拟边界，并假定在虚拟边界上电流密度为零，将被测区域转变为由真实边界和虚拟边界共同构成的封闭区域，然后进行直接的图像重建。这种直接成像方法依赖于虚拟边界的选取。由于虚拟边界的假设边界条件是真实情况的近似，因此虚拟边界的选择会不可避免的产生截断误差，从而降低图像重建质量和精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种基于保形变换的开放式EIT图像重建方法，基于保形变换理论，将开区域映射为封闭的单位圆域，两区域具有相同的物理特性，可在圆域内进行图像重建之后映射到原开区域内。通过这种方式无需构建虚拟边界，同时可以有效减小近似误差与截断误差，从而提高开放式电阻抗层析成像的图像重建质量。技术方案如下：一种基于保形变换的开放式电阻抗层析成像图像重建方法，该方法针对边界近似为平面的开区域，该开区域可简化为以水平方向为边界的上半平面，针对开区域内靠本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于保形变换的开放式电阻抗层析成像图像重建方法，该方法针对边界近似为平面的开区域，该开区域可简化为以水平方向为边界的上半平面，针对开区域内靠近电极的局部区域进行成像，包含以下步骤：(1)构建线电极阵列，获取边界电压测量值构建平面线电极阵列，放置于被测开区域的部分边界上，以整个开区域作为测量区域，对开区域采用相邻电流激励相邻电压循环测量的激励测量模式，获取反映开区域内电导率分布的边界电压测量值；(2)将被测开区域按照保形变换关系映射为封闭的单位圆域根据保形变换理论，将所测开区域映射为封闭的单位圆域，对于边界处的电极也根据映射关系进行变换，变换关系如下：对于开区域U内的点(x,y)由下式变换为单位圆域D内的点(u,v):
【技术特征摘要】
1.一种基于保形变换的开放式电阻抗层析成像图像重建方法，该方法针对边界近似为平面的开区域，该开区域可简化为以水平方向为边界的上半平面，针对开区域内靠近电极的局部区域进行成像，包含以下步骤：(1)构建线电极阵列，获取边界电压测量值构建平面线电极阵列，放置于被测开区域的部分边界上，以整个开区域作为测量区域，对开区域采用相邻电流激励相邻电压循环测量的激励测量模式，获取反映开区域内电导率分布的边界电压测量值；(2)将被测开区域按照保...
【专利技术属性】
技术研发人员：任尚杰，王语，董峰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12
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