[发明专利]一种优化自适应扩展卡尔曼滤波生物电阻抗成像方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

电阻抗成像技术(Electrical Impedance Tomography，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(Biological Electrical Impedance Imaging Tomography，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、乳房成像和肺功能评估。虽然到目前为止，电阻抗成像技术尚未在医疗机构中替代正电子发射断层扫描、计算机断层扫描一类方法，但由于它是一种无损伤、非侵入性、响应迅速且成本较低的成像技术，与使用有害辐射的其他医学成像技术相比，它不会引起任何副作用，因此具有潜在的临床应用价值。

然而，与使用其他辐射医学成像技的技术相比，现有生物电阻抗成像技术存在的逆问题是高度病态的。这是因为，其一，欠定性，电极数目有限电流流经路径有限，解的未知量远大于条件数，两者不匹配，所以解不是唯一的；其二，非线性，场域内的电位本身就是电导率分布的函数，通过表面电压测量值求解电导率是非线性问题；其三，不稳定性，边界电位对场域内部电导率变化不敏感，逆问题求解实质上是求微商，测量边界电压值微小变化会导致内部电导率巨大变化，使得求解过程不稳定。从上述分析可知，解电阻抗成像技术逆问题存在严重的不适定性。选择有效的算法可提高重构计算的稳定性和计算精度，达到生物电阻抗成像的图像具有高分辨率、成像时间短的目的。人体从地球重力环境到失重或超重环境，会导致体液发生转移，体液分为细胞外液和细胞内液。当细胞外液、细胞内液转移时，人体各组织的电导率也会发生变化，使用电阻抗成像技术生成人体不同部位的横截面图像，能够实现对长期在轨飞行的航天员健康状态进行连续监测和定期评估，针对这一场景，选用动态成像方式。动态成像方式具体分为经典算法和新型图像重建算法，例如神经网络、遗传算法。经典算法分为非迭代法和迭代法，有：线性反投影算法、Newton-Raphsom算法、Landweber算法、共轭梯度算法、截断奇异值分解算法，还有基于不同正则化法改进的算法。但是，这些算法无法同时解决伪影、分辨率低、抗干扰能力低、对目标要求高、连续成像的问题，如人体下肢、电导率变化时大时小、结构紧凑、如何获取连续失真小的生物电阻抗成像技术图像来反映真实腿部电导率分布从而为体液研究提供有价值的信息成为当前亟待解决的问题。