一种基于阻抗频谱约束的动态多频电阻抗断层成像方法技术

本发明专利技术属于电阻抗断层成像领域，具体涉及一种基于阻抗频谱约束的动态多频电阻抗断层成像方法,步骤1：在成像区域内进行有限面元剖分，确定成像域内的组织种类数和每种组织的频谱，建立体积分数和边界电压的关系模型；步骤2：采用不同频率的激励电流对成像区域边界处进行激励，测量每个频率下不同时刻的边界电压数据；步骤3：根据步骤1得到的体积分数变化和边界电压变化的关系构造逆问题目标函数并求解，得到成像区域内体积分数变化值；步骤4：将体积分数变化转化为阻抗变化并利用色阶表示在成像区域内，得到阻抗变化图像。本发明专利技术从增加观测数据量的角度提供了一种改善逆问题病态性的新方案，进而提高了重构图像的空间分辨率和抗噪能力。

A Dynamic Multifrequency Impedance Tomography Method Based on Impedance Spectrum Constraints

The invention belongs to the field of electrical impedance tomography, and specifically relates to a dynamic multi-frequency electrical impedance tomography method based on impedance spectrum constraints. Step 1: Finite panel division is carried out in the imaging region to determine the number of tissue types and the spectrum of each tissue in the imaging region, and to establish a relationship model between volume fraction and boundary voltage; Step 2: Generation of exciting currents with different frequencies. Step 3: According to the relationship between volume fraction change and boundary voltage change obtained in step 1, the objective function of the inverse problem is constructed and solved to obtain the volume fraction change value in the imaging region. Step 4: The volume fraction change is transformed into impedance change and expressed in the imaging region by color order. The impedance change image is obtained. The invention provides a new scheme to improve the ill-conditioning of the inverse problem from the angle of increasing the amount of observation data, thereby improving the spatial resolution and anti-noise ability of the reconstructed image.

【技术实现步骤摘要】
一种基于阻抗频谱约束的动态多频电阻抗断层成像方法
本专利技术属于电阻抗断层成像领域，具体涉及一种基于阻抗频谱约束的动态多频电阻抗断层成像方法。
技术介绍
电阻抗断层成像技术通过安装在物体表面的电极对物体有规律地施加激励电流，若物体内部存在阻抗变化，则会引起表面测量电极电压的变化。然后基于有限元分析建立正问题模型，得到边界电压变化同成像域内阻抗变化的对应关系，最后根据测量得到的边界电压变化结合相应重建算法可以获得物体内部阻抗变化图像。在实际应用中，病态性严重是目前各种成像方法面临的主要问题，病态性的实质是物体内部阻抗分布和表面测量电压之间存在非线性关系，且为了获得数值解，需要对这种非线性关系进行离散化处理，而离散化处理存在着一定的误差，这将导致实际测量电压即使存在一个很小的噪声都会导致内部重构阻抗的剧烈变化，这非常不利于我们实现临床上连续动态的EIT监测。申请号为：CN105232044A，名称为《一种自构造背景帧的电阻抗断层成像方法》的专利提出利用动态成像对两帧测量数据求差来削弱噪声的影响以改善病态性，但是该方法测量的数据远远小于待求数据，无法从根源上改善病态性，图像的抗噪性能和空间分辨率较差。申请号为：CN102894961A，名称为《一种多频电阻抗断层成像的谱成像方法》的专利提出利用多频信息来做独立成分分析，但是该方法重构的是内部电导率随频率的变化量Δδ并且是一个静态时刻下的频差成像，仍然无法从根源上改善病态性，还不利于对疾病的实时监测。
技术实现思路
针对现有技术中存在的无法从根本上改善病态性问题和图像质量差的问题，本专利技术提供了一种基于阻抗频谱约束的动态多频电阻抗断层成像方法，包括如下步骤：步骤1：在成像区域内进行有限面元剖分，确定成像域内的组织种类数，获得每种组织的体积分数向量和阻抗频谱以及体积分数和阻抗的线性关系，建立体积分数和边界电压的关系模型；步骤2：采用不同频率的激励电流对成像区域边界处进行激励，测量每个频率下不同时刻的边界电压数据，采用式(1)获得每个频率下的一组边界电压差数据：Δυi(t)＝υi(t)-υi(1)(式1)，其中，υi(t)表示激励频率为ωi的不同时刻下的边界电压数据，i表示阻抗频谱内的第i个频率，i≤I且I为正整数，t≥2，υi(1)表示激励频率为ωi的时刻1下边界电压数据；步骤3：根据步骤1的体积分数和边界电压的关系模型构造逆问题目标函数，优化目标函数并利用逆问题方法得到体积分数变化的求解公式，将步骤2得到的多个频率的边界电压差数据输入求解公式，得到成像区域内体积分数变化值；步骤4：将步骤3得到的成像区域内体积分数变化值代入步骤1中得到的体积分数和阻抗的线性关系，获得成像区域内的阻抗变化，将阻抗变化利用色阶表示在成像区域内，得到阻抗变化图像。进一步的，步骤1包括如下子步骤：步骤1.1：在成像区域内进行有限面元剖分，得到多个面元，确定成像域内的组织种类数，并设定每个面元内每种组织的体积分数值，获得体积分数矩阵，将体积分数矩阵向量化得到体积分数模型；步骤1.2：获得每种组织的阻抗频谱，结合步骤1.1获得的体积分数模型，获得体积分数和阻抗的线性关系，如式2所示：σ(ωi)＝AiF(式2)其中，σ是阻抗，ωi为阻抗频谱中第i个激励频率，Ai是ωi下的阻抗频谱构成的系数矩阵，F是体积分数向量；步骤1.3：将步骤1.2得到的体积分数和阻抗的关系结合阻抗变化和边界电压变化的关系，得到如式3的体积分数变化和边界电压变化的关系：JiAiΔF＝Δυi(式3)其中，Ji是ωi下的雅克比矩阵，ΔF是体积分数向量的变化量，Δυi是ωi下的边界电压的变化量一种基于阻抗频谱约束的动态多频电阻抗断层成像系统，包括多频数据采集模块、体积分数构造模块、图像重构模块和图像输出模块；所述多频数据采集模块包括电极、导联线、多路开关、频率控制器和通信处理器；所述体积分数构造模块包括体积分数模型器和通信处理器，该模块基于有限元剖分构建待测体的体积分数模型，并向计算机输出该模型下体积分数变化和边界电压变化之间的关系；所述图像重构模块包括目标函数构造优化器、目标函数求解器、边界条件限制器以及通信处理器，该模块利用体积分数构造模块输出的体积分数变化和边界电压变化之间的关系构造一个目标函数并将之优化，然后将从计算机接收的边界电压数据输入目标函数求解器求解体积分数变化，最后经过边界条件限制，得到最终的体积分数变化值；所述图像输出模块包括体积分数阻抗转化器、画图器、显示器以及通信处理器，该模块用于接收计算机输出的体积分数变化并利用转化器将其转化成阻抗变化并画图显示。本专利技术具有以下技术效果：(2)本专利技术从增加观测数据量的角度提供了一种改善逆问题病态性的新方案，进而提高了重构图像的空间分辨率和抗噪能力；首先该方法根据组织的频谱特性，构建体积分数模型，其次建立体积分数和边界电压之间的关系，最终同时利用多个激励频率下的测量电压差数据重构一帧时差图像，以提高重建图像空间分辨率并减少噪声带来的图像伪影。(2)本专利技术的方案经仿真测试验证，对求解域内目标位置定位较传统阻抗成像更准确，且具有更强的噪声抑制能力，有望对多频动态电阻抗断层成像提供一个新的发展方向。附图说明图1是本专利技术的系统连接图；图2是圆域有限元剖分模型和电极位置示意图；图3是距圆域中心不同距离的四个目标示意图；图4成像结果对比图；图5是两组织的阻抗频谱特性；图6是阻抗频谱构成的系数矩阵。具体实施方式一种基于阻抗频谱约束的动态多频电阻抗断层成像方法，包括如下步骤：步骤1：在成像区域内进行有限面元剖分，确定成像域内的组织种类数，获得每种组织的体积分数向量和阻抗频谱以及体积分数和阻抗的线性关系，建立体积分数和边界电压的关系模型；成像区域一般指待观测的人体，具体取决于成像目标所在部位，如果是肺部EIT，成像区域即肺部一横截面，具体即电极放置的横截面，如果是脑部EIT，成像区域即脑部一横截面，具体即电极放置的横截面；步骤2：采用不同频率的激励电流对成像区域边界处进行激励，测量每个频率下不同时刻的边界电压数据，采用式(1)获得每个频率下的一组边界电压差数据：Δυi(t)＝υi(t)-υi(1)(式1)，其中，υi(t)表示激励频率为ωi的不同时刻下的边界电压数据，i表示阻抗频谱内的第i个频率，i≤I且I为正整数，t≥2，υi(1)表示激励频率为ωi的时刻1下边界电压数据；其中，成像区域边界一般指待观测的人体表面，例如肺部皮肤或者脑部头皮；步骤3：根据步骤1得到的体积分数变化和边界电压变化的关系构造逆问题目标函数，使得重构误差的二范数最小，优化目标函数并利用逆问题方法得到体积分数变化的求解公式，将步骤2得到的多组边界电压差输入求解公式，得到成像区域内体积分数变化值；步骤4：将步骤3得到的成像区域内体积分数变化值代入步骤1中得到的体积分数和阻抗的线性关系，获得成像区域内的阻抗变化，将阻抗变化利用色阶表示在成像区域内，得到阻抗变化图像。具体的，步骤1包括如下子步骤：步骤1.1：在成像区域内进行有限面元剖分，得到多个面元，确定成像域内的组织种类数，并设定每个面元内每种组织的体积分数值，获得体积分数矩阵，将体积分数矩阵向量化得到体积分数模型；步骤1.2：，获得每种组织的阻抗频谱，由于混合组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于阻抗频谱约束的动态多频电阻抗断层成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在成像区域内进行有限面元剖分，确定成像域内的组织种类数，获得每种组织的体积分数向量和阻抗频谱以及体积分数和阻抗的线性关系，建立体积分数和边界电压的关系模型；步骤2：采用不同频率的激励电流对成像区域边界处进行激励，测量每个频率下不同时刻的边界电压数据，采用式(1)获得每个频率下的一组边界电压差数据：Δυi(t)＝vi(t)‑vi(1) (式1)，其中，υi(t)表示激励频率为ωi的不同时刻下的边界电压数据，i表示阻抗频谱内的第i个频率，i≤I且I为正整数，t≥2，υi(1)表示激励频率为ωi的时刻1下边界电压数据；步骤3：根据步骤1的体积分数和边界电压的关系模型构造逆问题目标函数，优化目标函数并利用逆问题方法得到体积分数变化的求解公式，将步骤2得到的多个频率的边界电压差数据输入求解公式，得到成像区域内体积分数变化值；步骤4：将步骤3得到的成像区域内体积分数变化值代入步骤1中得到的体积分数和阻抗的线性关系，获得成像区域内的阻抗变化，将阻抗变化利用色阶表示在成像区域内，得到阻抗变化图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于阻抗频谱约束的动态多频电阻抗断层成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在成像区域内进行有限面元剖分，确定成像域内的组织种类数，获得每种组织的体积分数向量和阻抗频谱以及体积分数和阻抗的线性关系，建立体积分数和边界电压的关系模型；步骤2：采用不同频率的激励电流对成像区域边界处进行激励，测量每个频率下不同时刻的边界电压数据，采用式(1)获得每个频率下的一组边界电压差数据：Δυi(t)＝vi(t)-vi(1)(式1)，其中，υi(t)表示激励频率为ωi的不同时刻下的边界电压数据，i表示阻抗频谱内的第i个频率，i≤I且I为正整数，t≥2，υi(1)表示激励频率为ωi的时刻1下边界电压数据；步骤3：根据步骤1的体积分数和边界电压的关系模型构造逆问题目标函数，优化目标函数并利用逆问题方法得到体积分数变化的求解公式，将步骤2得到的多个频率的边界电压差数据输入求解公式，得到成像区域内体积分数变化值；步骤4：将步骤3得到的成像区域内体积分数变化值代入步骤1中得到的体积分数和阻抗的线性关系，获得成像区域内的阻抗变化，将阻抗变化利用色阶表示在成像区域内，得到阻抗变化图像。2.如权利要求1所述的基于阻抗频谱约束的动态多频电阻抗断层成像方法，其特征在于，步骤1包括如下子步骤：步骤1.1：在成像区域内进行有限面元剖分，得到多个面元，确定成像域内的组织种类数，并设定每个面元内每种组织的体积分数值，获得体积分数矩阵，将体积分数矩阵向量化得到体积分数模型；步骤1.2：获得每种组织...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹璐，杨滨，付峰，李昊庭，史学涛，季振宇，刘本源，夏军营，周怡敏，
申请(专利权)人：中国人民解放军第四军医大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61