[发明专利]一种混合变差生物电阻抗成像方法

摘要

本发明一种混合变差生物电阻抗成像方法，涉及测量身体胸腔的电导率，该方法采用有限元方法来模拟电位空间分布情况，建立生物电阻抗成像技术的数值模型，将尺度较大型的数值模型离散为较小单元，施加一定的边界条件并计算边界电压，分别建立二维胸腔数值模型和三维胸腔数值模型，确定混合变差算法的目标函数后由最速下降法进行逆问题求解并进行胸腔电阻抗图像重建，以说明重建图像的分辨率的提高，克服了现有的生物电阻抗成像技术在重建分辨率更高的图像过程中受到噪声和误差的影响，出现过度光滑现象和阶梯效应，还不能获得准确的肺部电阻抗重建图像的缺陷。

主权项

1.一种混合变差生物电阻抗成像方法，其特征在于步骤如下：A.设置进行混合变差生物电阻抗成像所用装置：进行混合变差生物电阻抗成像所用装置的构成包括计算机与成像算法模块、通信模块、总控模块、信号发生模块、电荷泵电流源模块、激励通道选通模块、测量通道选通模块、电极阵列和信号调理模块；计算机与成像算法模块用来控制总控模块和程序运行，总控模块通过控制总线、数据总线和地址总线完成对进行混合变差生物电阻抗成像所用装置各部分精确实时控制和快速信息的交换，信号发生模块用于产生正弦电压信号，电荷泵电流源模块将电压转换成电流，激励通道选通模块用于选择和切换电极阵列中的不同电极注入模式以将电流信号注入被测目标，测量通道选通模块用于选择和切换电极阵列的测量模式，以提取被测目标表面感应的电压信号，送至信号调理模块，信号调理模块通过其内部的可编程增益放大电路、滤波电路、乘法解调电路和模数转换电路，对电压信号进行放大、滤波、解调和模数转换，转换为数字量的电压信号由通信模块送入总控模块，并由通信模块实时地送入计算机与成像算法模块，在计算机内调用成像算法完成图像的重建工作；B.进行混合变差生物电阻抗成像方法以实现对胸腔的电阻抗图像重建，其技术方案如下：第一步，正问题求解：(1.1)建立基于有限元方法的生物电阻抗成像技术的数值模型，以下简称数值模型；(1.2)定义数值模型的物理特性；(1.3)对数值模型进行离散；(1.4)施加边界条件；(1.5)计算边界电压；第二步，确定算法的目标函数：(2.1)确定吉洪诺夫算法的目标函数；(2.2)确定总变差算法的目标函数；(2.3)确定混合变差算法的目标函数；第三步，进行逆问题求解和胸腔电阻抗图像重建：首先进行逆问题求解，即采用最速下降法求解混合变差算法的目标函数；然后，包括采用以下的胸腔电阻抗图像重建算法：(3.1)采用吉洪诺夫算法进行胸腔电阻抗图像重建；(3.2)采用总变差算法进行胸腔电阻抗图像重建；(3.3)采用混合变差算法进行胸腔电阻抗图像重建，步骤如下：(3.3.1)临床测得电压信号或实验仿体模型测得电压信号或由仿真计算得到电压数据；(3.3.2)根据混合变差目标函数，应用优化的L曲线方法，自适应调节正则化参数λ2；(3.3.3)重建胸腔电导率分布，获得重建的胸腔电阻抗图像；第四步，输出图像：由上述A所述的计算机输出重建胸腔电阻抗图像；C.用上述A所述的进行混合变差生物电阻抗成像所用装置完成上述B所述的进行混合变差生物电阻抗成像方法以实现对胸腔的图像重建的技术方案的实施过程如下：在计算机与成像算法模块输入确定用于激励人体胸腔的安全电流的幅值和频率，通过电极阵列将激励电流信号施加至人体胸腔表面对人体胸腔即被测目标进行激励，通过电极阵列测量胸腔表面感应的电压信号并送入计算机，在计算机内部，通过混合变差算法进行成像，总控模块为进行混合变差生物电阻抗成像所用装置的控制核心，接受来自计算机和成像算法模块的控制指令，实现对生物电阻抗成像技术硬件系统的整体控制和协调工作，信号发生模块产生1kHz‑1MHz范围内可调的正弦波信号；总控模块控制整个进行混合变差生物电阻抗成像所用装置的功能：在电荷泵电流源模块将电压信号转换成电流信号，电流信号的幅值位于0.1mA至1mA之间且可调节，通过激励通道选通模块，实现激励电极的选通与关闭，使电流信号按照设定的方式流入相应的电极，注入被测目标；通过控制测量通道选通模块选通电极阵列中的相应电极提取被测目标表面感应出的电压信号，以便将信号送入信号调理模块；控制信号调理模块内部的可编程增益放大电路的放大倍数，使得信号调理模块将感应电压信号进行有效放大后，再由信号调理模块内部的滤波电路和乘法解调电路分别对感应的电压信号进行滤波和解调，并由信号调理模块内部的模数转换电路将其转化为数字量信号；然后再将转化的数字量电压信号由通信模块送入计算机与成像算法模块，将数字量电压信号复原为模拟量电压信号，通过混合变差算法实现胸腔电阻抗图像重建，最后由计算机输出重建胸腔电阻抗图像。