一种优化自适应扩展卡尔曼滤波生物电阻抗成像方法技术

本发明专利技术一种优化自适应扩展卡尔曼滤波生物电阻抗成像方法，涉及测量身体某个部位的电阻抗，用优化自适应扩展卡尔曼滤波生物电阻抗成像方法进行人体下肢电阻抗图像的重建，包括建立基于真实结构先验信息的人体下肢数学模型；求解正问题；用优化自适应扩展卡尔曼滤波算法求解逆问题；人体下肢电阻抗重建图像的输出。本发明专利技术在重建过程中引入优化自适应修正系数提高观测量所占权重，在线调整卡尔曼增益矩阵，提高了卡尔曼算法在电阻抗成像中的稳定性，克服了现有公开的生物电阻抗成像技术存在抗噪能力低，无法同时拥有重建图像精度高和计算量小的缺陷，现有公开的卡尔曼滤波算法应用于重建图像中尚存在算法精度可能会丧失原有性能和滤波器发散的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种优化自适应扩展卡尔曼滤波生物电阻抗成像方法
本专利技术的技术方案涉及测量身体某个部位的电阻抗，具体地说是一种优化自适应扩展卡尔曼滤波生物电阻抗成像方法。
技术介绍
电阻抗成像技术(ElectricalImpedanceTomography，EIT)是一种低成本、非侵入性的成像技术，通过放置在物体表面上的接触电极注入适当的电流模式来获得表面上的电势，从而测量具有高时间分辨率的表面电势值来估计物体横截面内部的电特性，例如电导率分布。电阻抗成像技术已用于工业，地球物理以及其他工程和应用科学领域。在地球物理学中，被用于定位地下矿藏资源分布。在石油开采中，已被用于监测注入流体流入地球的流量。生物电阻抗成像技术(BiologicalElectricalImpedanceImagingTomography，BEIIT)中则是在人体皮肤上给予激励电流获得响应电压，由电流值和电压值产生图像表示人体的内部电导率分布的技术。在医学上，生物电阻抗成像技术已用于监测重症监护病房机械通气患者的吸入空气分布，也有文献报道了生物电阻抗成像技术被应用于胃排空、脑功能监测、乳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种优化自适应扩展卡尔曼滤波生物电阻抗成像方法，其特征在于具体步骤如下：/nA.设置进行优化自适应扩展卡尔曼滤波电阻抗成像所用的装置：/n进行优化自适应扩展卡尔曼滤波电阻抗成像所用装置采用模块化设计，是串联与并联混合式的结构，其构成包括计算机模块、通信模块、总控与处理模块、电压/电流恒流输出模块、激励通道选通模块、测量通道选通模块、电极阵列和信号调制模块；计算机模块用来控制总控与处理模块和自适应扩展卡尔曼滤波成像算法的程序运行，总控与处理模块通过通信模块接收来自计算机模块的指令并通过数据总线、地址总线和控制总线实现对电阻抗成像装置系统的控制与协调各模块之间的工作，实时精准完成对硬件系统各模...

【技术特征摘要】
1.一种优化自适应扩展卡尔曼滤波生物电阻抗成像方法，其特征在于具体步骤如下：
A.设置进行优化自适应扩展卡尔曼滤波电阻抗成像所用的装置：
进行优化自适应扩展卡尔曼滤波电阻抗成像所用装置采用模块化设计，是串联与并联混合式的结构，其构成包括计算机模块、通信模块、总控与处理模块、电压/电流恒流输出模块、激励通道选通模块、测量通道选通模块、电极阵列和信号调制模块；计算机模块用来控制总控与处理模块和自适应扩展卡尔曼滤波成像算法的程序运行，总控与处理模块通过通信模块接收来自计算机模块的指令并通过数据总线、地址总线和控制总线实现对电阻抗成像装置系统的控制与协调各模块之间的工作，实时精准完成对硬件系统各模块的控制并通过通信模块及时反馈给计算机模块信息以做出相应调整，电压/电流转换恒流输出模块用于产生正弦电压信号，再经过隔离、滤波、电压增益电路、电压/电流转换恒流源电路，将电压转换成电流，总控与处理模块通过通信模块控制该模块电压信号的频率、幅值和相位，实施对激励信号频率、幅值和相位的调整，激励通道选通模块接收来自总控与处理模块的指令采用低导通电阻的模拟多路来选择和切换电极阵列中的注入模式，将电流信号通过相应的电极注入被测对象，建立敏感区域，测量通道选通模块接收来自总控与处理模块的指令选择和切换电极阵列的测量模式，将提取到的被测对象电压信号送到信号调制模块，信号调制模块通过仪表放大电路、滤波电路、解调电路、可变增益放大电路、低通滤波器和A/D转换电路，对测量通道选通模块输入过来的电压信号处理成数字信号，通过总控与处理模块与通信模块实时将数字电压信号传入计算机模块，计算机将采集的电压数据和电流数据通过自适应扩展卡尔曼滤波算法进行图像重建成像；
B.用优化自适应扩展卡尔曼滤波生物电阻抗成像方法进行人体下肢电阻抗图像的重建，其技术方案如下：
第一步，建立基于真实结构先验信息的人体下肢数学模型；
第二步，求解正问题；
第三步，用优化自适应扩展卡尔曼滤波算法求解逆问题；
第四步，人体下肢电阻抗重建图像的输出：
由上述A所述设置进行卡尔曼滤波生物电阻抗成像所用的装置来输出B所述的用自适应扩展卡尔曼滤波生物电阻抗成像方法进行人体下肢电阻抗图像的重建得到的胸腔电阻抗图像，具体实施过程如下：
在计算机模块写入激励人体腿部电流的幅值和频率，将激励信号通过电极阵列施加至人体腿部即被测对象表面，通过电极测量腿部电压信号并传入计算机，通过调用优化自适应扩展卡尔曼滤波算法程序成像；总控与处理模块为本发明所以装置的核心，由通信模块发出与接收来自计算机模块的控制指令，实现对上述A所述装置的硬件系统的全局控制和协调运行工作；电压/电流恒流输出模块用于将产生1kHz-1MHz范围内可调的正弦波信号，转换成幅值在0.1mA-5mA范围内可调节的电流信号，通过激励通道选通模块，实现激励电极的开与关，使激励信号按照设定的方式流入相应的电极，注入被测对象；通过控制测量通道选通模块实现测量电极的开与关，使测量电极中相应电极提取被测对象电压信号，便将信号送入信号调制模块；再由信号调理模块内部的仪表放大电路、滤波电路、解调电路、可变增益放大电路、低通滤波器和A/D转换电路对测量通道选通模块输入过来的电压信号处理成数字信号；然后再将数字电压信号由通信模块传入计算机模块，将数字电压信号转换为模拟电压信号，通过优化自适应扩展卡尔曼滤波算法程序实现腿部电阻抗图像重建，最后通过计算机输出人体下肢电阻抗重建图像；
至此，完成用优化自适应扩展卡尔曼滤波生物电阻抗成像方法进行人体下肢电阻抗图像的重建，得到人体下肢电阻抗图像。


2.根据权利要求1所述一种优化自适应扩展卡尔曼滤波生物电阻抗成像方法，其特征在于：所述第一步，建立基于真实结构先验信息的人体下肢数学模型的具体方法如下：
(1.1)腿部CT图像预处理：
采用改进Perona&Malik模型基于偏微分方程的图像方法消除边缘噪声以提高轮廓线提取精度，具体操作如下：
设x0(a,b)为腿部的CT灰度图像，引入时间变量t∈[0,T],改进的Perona&Malik偏微分方程为如下公式(1)所示，



公式(1)中，Gτ为高斯平滑模板，τ为高斯核的尺度，为图像梯度模，c为扩散系数用于控制扩散速度；
由此完成腿部CT图像预处理；
(1.2)获得腿部及内部各组织的边缘图像：
采用腐蚀、膨胀的图像处理的阈值分割算法，首先对上述步骤(1.1)腿部CT图像预处理后的图像进行二值化处理，然后去除检查床提取腿部轮廓，再利用去除检查床的图像减去腿部轮廓图像，即得到腿部轮廓图像，同样操作，得到肌肉轮廓图像、脂肪轮廓图像和骨头轮廓图像，最后通过对腿部轮廓、肌肉轮廓、脂肪轮廓和骨头轮廓的融合，获得腿部及内部各组织的边缘图像；
(1.3)提取腿部及内部各组织的边缘图像的轮廓线坐标：
对上述步骤(1.2)获得的腿部及内部各组织的边缘图像采用基于二值图像的轮廓提取算法提取腿部及内部各组织的边缘图像的轮廓线坐标，具体操作方法如下：
设y(c,d)为上述步骤(1.2)获得的腿部及内部各组织的边...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵明康，郑天予，张帅，张雪莹，李颖，王宏斌，徐桂芝，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12