本发明专利技术涉及一种基于高精度信号测量的电阻抗成像系统的频差ＦＮＯＳＥＲ成像方法，包括高精度信号测量的电阻抗成像系统和成像方法，电阻抗成像系统包括壳体、电极阵列、激励模块、测量模块、中央控制处理电路、ＵＳＢ通讯模块、上位机；成像方法特征是：（１）采用电阻抗成像测量系统采集激励电流频率为ｆｒ时的边界电压，并将其作为参考电压Ｖｐ；（２）采用电阻抗成像测量系统采集激励电流频率为ｆｍ时的边界电压，并将其作为测量电压Ｖｕ；（３）计算被测模型的雅克比矩阵Ｊ；（４）将测量值及计算值代入ＦＮＯＳＥＲ算法计算电阻率分布；（５）绘制电阻率分布图。本发明专利技术可以从算法角度上抑制测量系统的系统误差，提出一种确定初始电阻率的实用可行的方法，并可快速、准确的重构被测模型的电阻率分布，对电阻抗动态成像效果起到明显的改进作用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术针对电阻抗成像系统(Electrical Impedance Tomography, EIT)中逆问题重构过程中，系统误差不能消除、初始电阻率不好选择的瓶颈问题，专利技术了一种基于频 差FNOSER成像算法。
技术介绍
电阻抗成像技术(Electrical Impedance Tomography, EIT)是一种特点鲜明的成像技术，主要应用于临床医学诊断。EIT技术通过配置于人体体表的电极阵列对人体施 加电激励并测量其电响应信号，从中提取与人体生理、病理状态相关的组织与器官的电 特性信息，不但可以反映解剖学结构，更能给出功能性图像结果。EIT技术不使用核素 或射线，对人体无创、无电离辐射损伤，可以多次测量、重复使用。其设备成本低廉， 不要求特殊的工作环境，便于大规模推广。电阻抗成像方法可分为静态和差分成像，后者有时也称为动态成像。在差分 成像中，为获得一幅图像需要两组独立的电压测量值，而重构图像则显示了被测对象 内部电阻抗分布的差异或是变化，这种变化的来源可能是时间、频率或其它因素。差 分成像通常是求解线性化的重构问题(逆问题)，采用诸如滤波反投影法(Filtered Back-Projection Method, FBP)、快速一步牛顿法(Fast Newton，s One-Step Error Reconstractc^FNOSER)等方法，成像速度能得到保证。更为重要之处在于，差分成像在 很大程度上能消除很多未知模型参数的影响，换言之，差分成像对系统误差不敏感，其 原因在于两次电压测量在基本相同的条件下进行。这一点对实际的临床应用特别重要。反观静态成像(Static Imaging)，虽然能够重构出绝对电阻抗分布，理论上更有 价值，但由于众所周知EIT逆问题的病态性，少许的重构输入误差则会引起很大的成像 误差甚至导致成像失败。所以静态重构本质上比差分重构更为困难。如前所述，差分重构需要两组输入数据——参考电压数据集和测量电压数据 集，前者通常是采用均勻场域下的测量数据，这在仿真和物理模型实验中容易得到，但 实际临床应用中，几乎无法找到电阻率均勻分布的情况。因此，差分成像虽然具有对系 统误差不敏感的优点，但其应用局限性较大。所以在临床中，只好退而求其次，在人体 电阻抗分布存在变化的条件下应用动态EIT成像得到差分图像。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提出一种基于高精度信号测量的电阻抗成像系统的频差 FNOSER成像方法。针对FNOSER算法，参考电压数据集。和测量电压数据集K分别 来自两个不同频率下的测量结果，将这两个频率命名为参考频率 和测量频率乙，则构成 了 FNOSER频差重构算法。FNOSER频差重构能得到清晰稳定的阻抗分布图像，而且对 误差有较好的容受度，解决了系统误差不能消除、初始电阻率不好选择的瓶颈问题。本专利技术提出一种基于高精度信号测量的电阻抗成像系统的频差FNOSER成像方法，其特征在于1、构建高精度信号测量的电阻抗成像系统所述电阻抗成像系统包括壳体、电极阵列、激励模块、测量模块、中央控制处理电 路、USB通讯模块、上位机；其中测量电极和测量电路安装在同一探头盒中，大大缩短了 测量电路与测量电极之间的距离，让测量电极的引出线能就近接入测试系统，从而形成一 种新颖的用于电阻抗成像的高精度测量系统。2、采集激励电流频率为《时的边界电压采用具有USB通讯接口的电阻抗成像测量系统采集激励电流频率为《时的边界电 压，将其作为参考电压I，边界电压包括每一个电极注入时其它电极测量得到的电压。3、采集激励电流频率为乙时的边界电压采用具有上述电阻抗成像测量系统采集激励电流频率为乙时的边界电压，将其作为 测量电压K，边界电压包括每一个电极注入时其它电极测量得到的电压。4、计算被测模型的雅克比矩阵/1)、被测场域模型的建立及剖分由于人体的个体差异，电阻抗成像系统不可能建 立一个与实际被测场域完全一致的模型，只能通过人体躯干参数建立一个统一的模型； 剖分采用美国麻省理工大学的开源剖分工具DistMesh软件包，得到被测模型的节点数N 和单元数M ；2)、被测模型离散成M个单元，电阻率Ρ:(Α,Α,…Puf具有M个元素，每个元素为各个单元上的电阻率本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电阻抗成像系统频差ＦＮＯＳＥＲ成像方法，其特征在于：１）、构建高精度信号测量的电阻抗成像系统所述电阻抗成像系统包括壳体、电极阵列、激励模块、测量模块、中央控制处理电路、ＵＳＢ通讯模块、上位机；其中测量电极和测量电路安装在同一个探头盒中，让测量电极的引出线能就近接入测试系统；２）、采集激励电流频率为ｆ↓［ｒ］时的边界电压采用前述电阻抗成像测量系统采集激励电流频率为ｆ↓［ｒ］时的边界电压，将其作为参考电压Ｖ↓［ｐ］，边界电压包括每一个电极注入时其它电极测量得到的电压；３）、采集激励电流频率为ｆ↓［ｍ］时的边界电压采用上述电阻抗成像测量系统采集激励电流频率为ｆ↓［ｍ］时的边界电压，将其作为测量电压Ｖ↓［ｕ］，边界电压包括每一个电极注入时其它电极测量得到的电压；４）、计算被测模型的雅克比矩阵Ｊａ）、被测场域模型的建立及剖分：通过人体躯干参数建立一个统一的模型；剖分采用开源剖分工具ＤｉｓｔＭｅｓｈ软件包，得到被测模型的节点数Ｎ和单元数Ｍ；ｂ）、被测模型离散成Ｍ个单元，电阻率ρ＝（ρ↓［１］，ρ↓［２］，…ρ↓［Ｍ－１］，ρ↓［Ｍ］）↑［Ｔ］具有Ｍ个元素，每个元素为各个单元上的电阻率；Ｕ↓［ｉｊ］（ρ）（ｉ，ｊ＝１，２，…，Ｎ）为某一设定电阻率ρ分布下，各次电流注入下，使用有限元法计算各次电流注入下相邻电极上的电压；雅克比矩阵Ｊ由下式确定：Ｊ＝＊Ｕ↓［ｉｊ］（ρ）／＊ρ↓［ｍ］（１）４）应用ＦＮＯＳＥＲ算法计算电导率分布在某一设定电阻率ρ↑［＊］分布下，依次施加电流激励，测量的相邻电极上的电压为Ｖ↓［ｉｊ］（ｉ，ｊ＝１，２，…，Ｎ），电阻抗成像就是要根据该测量数据Ｖ↓［ｉｊ］来计算场域内电阻率的分布。作为计算机仿真，可以用有限元法求解正问题来获得该数据；如果计算得到的电阻率为ρ，则在该电阻率分布下，依次从相邻电极上注入电流，并利用有限方法计算各次电流注入下相邻电极上的电压Ｕ↓［ｉｊ］（ρ）（ｉ，ｊ＝１，２，…，Ｎ），如果电阻率为ρ即为设定电阻率ρ↑［＊］，则应有：Ｕ↓［ｉｊ］（ρ）＝Ｖ↓［ｉｊ］ｉ，ｊ＝１，２，…，Ｎ（２）由于各种误差的存在，上式的相等不可能实现，只可能使Ｕ↓［ｉｊ］（ρ）与Ｖ↓［ｉｊ］近似相等；并通过寻找某一电阻率分布ρ，使得该电阻率分布下计算的电压Ｕ↓［ｉｊ］（ρ）与实际测量的电压Ｖ↓［ｉｊ］之间的差最小，即Ｖ↓［ｉｊ］－Ｕ↓［ｉｊ］（ρ）（ｉ，ｊ＝１，２，…，Ｎ）最小，用两组电压各元素差值的平方和来评估Ｕ↓［ｉｊ］（ρ）与Ｖ↓［ｉｊ］之间的差别，即构造误差函数Ｅ（ρ）＝＊‖Ｖ↓［ｉ］－Ｕ↓［ｉ］（ρ）‖↑［２］＝＊＊（Ｖ↓［ｉｊ］－Ｕ↓［ｉｊ］（ρ））↑［２］（３）上式中Ｅ（ρ）是电阻率ρ的函数，电阻抗成像逆问题就是寻找电阻率分布ρ使得Ｅ（ρ）最小；求解使Ｅ（ρ）最小的ρ值，采用通常的求极值方法。令Ｅ（ρ）对ρ的各元素的偏导数为０，即：０＝＊Ｅ（ρ）／＊ρ↓［ｍ］＝－２＊＊（Ｖ↓［ｉｊ］－Ｕ↓［ｉｊ］（ρ））＊Ｕ↓［ｉｊ］（ρ）／＊ρ↓［ｍ］ｍ＝１，２，…，Ｍ（４）用Ｆ↓［ｍ］（ρ）来表示上式右端，即：Ｆ↓［ｍ］（ρ）＝＊Ｅ（ρ）／＊ρ↓［ｍ］＝－２＊＊（Ｖ↓［ｉｊ］－Ｕ↓［ｉｊ］（ρ））＊Ｕ↓［ｉｊ］（ρ）／＊ρ↓［ｍ］ｍ＝１，２，…，Ｍ（５）故式（４）可简化表达为：Ｆ↓［ｍ］（ρ↓［１］，ρ↓［１］，…ρ↓［Ｍ］）＝０ｍ＝１，２，…，Ｍ（６）上式共有Ｍ个非线性方程，构成一非线性方程组，以矩阵形式表示为：Ｆ（ρ）＝０（７）其中：ρ＝（ρ↓［１］，ρ↓［２］，…ρ↓［Ｍ］）↑［Ｔ］（８）Ｆ＝（Ｆ↓［１］，Ｆ↓［２］，…Ｆ↓［Ｍ］）↑［Ｔ］（９）以ＮＲ法求解方程组（７），其迭代公式为：ρ↑［（ｋ＋１）］＝ρ↑［（ｋ）］－［Ｊ（ρ↑［（ｋ）］）］↑［－１］·Ｆ（ρ↑［（ｋ）］）ｋ＝０，１，２，…（１０）ＦＮＯＳＥＲ计算：根据式（１０）只迭代一步就完成图像重建，即ρ＝ρ↑［（０）］－［Ｊ（ρ↑［（０）］）］↑［－１］·Ｆ（ρ↑［（０）］）（１１）将步骤１、２得到的边界电压以及步骤３计算的雅克比矩阵代入步骤４的公式（５）就可以计算Ｆ（ρ↑［（０）］），然后应用步骤１、２得到的边界电压、步骤３计算的雅克比矩阵以及公式（５）算出的Ｆ（ρ↑［（０）］）就可以根据式（１１）计算最终电阻率分布。在激励电流频率分别为参考频率ｆ↓［ｒ］和测量频率ｆ↓［ｍ］时，采集参考电压数据集Ｖ↓［ｐ］和测量电压数据集Ｖ↓［ｕ］，并用参考电压Ｖ↓［ｐ］代替公式（２）～（５）中的Ｖ↓［ｉｊ］，测量电压Ｖ↓［ｕ］代替公式（２）～（５）中的Ｕ↓［ｉｊ］；这样相当于用参考频率ｆ↓［ｒ］的激励电流确定初始电阻率，并且其与真实电阻率很接近，然后用参考频率ｆ↓［ｒ］的激励电流测量，再按照ＦＮＯＳＥＲ算法求解电阻率分布；５）、绘制电阻率分布图根据步骤４得到的最终电导...
【技术特征摘要】
1. 一种电阻抗成像系统频差FNOSER成像方法，其特征在于1)、构建高精度信号测量的电阻抗成像系统所述电阻抗成像系统包括壳体、电极阵列、激励模块、测量模块、中央控制处理电 路、USB通讯模块、上位机；其中测量电极和测量电路安装在同一个探头盒中，让测量电 极的引出线能就近接入测试系统；2)、采集激励电流频率为 时的边界电压采用前述电阻抗成像测量系统采集激励电流频率为 时的边界电压，将其作为参考 电压I，边界电压包括每一个电极注入时其它电极测量得到的电压；3)、采集激励电流频率为乙时的边界电压采用上述电阻抗成像测量系统采集激励电流频率为乙时的边界电压，将其作为测量 电压K，边界电压包括每一个电极注入时其它电极测量得到的电压；4)、计算被测模型的雅克比矩阵/a)、被测场域模型的建立及剖分通过人体躯干参数建立一个统一的模型；剖分采 用开源剖分工具DistMesh软件包，得到被测模型的节点数N和单元数M ；b )、 被测模型离散成M个单元， 电阻率p=、mM—x, pMf 具有μ个元素，每个元素为各个单元上的电...
【专利技术属性】
技术研发人员：何为，李冰，何传红，张莉，罗海军，徐征，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85
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