多频电阻抗断层成像方法及系统

技术领域

本发明涉及图像的增强或复原技术领域，具体涉及一种多频电阻抗断层成像方法及系统。

背景技术

电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)是一种逐步走向临床的新型医学成像技术，它基于不同的组织具有不同的电阻抗的特性进行成像。在分类上，EIT技术可以分为静态EIT、动态EIT、对称性EIT和多频EIT，其中静态EIT和对称性EIT存在诸多局限而未能走向临床，而动态EIT和多频EIT因技术上的优势而逐步被临床接受。

动态EIT可以获得被测对象基线时间点上的一帧边界电压数据作为参考数据，将一定临床干预过程中或患者自身病理生理变化中各个时间点上的一帧边界电压数据作为当前数据，进行差分EIT成像，重构出的图像反映的是被测对象内部电阻率分布随时间的变化。

但是动态EIT不适于需要静态评估被测对象内部电阻率分布的场景，因为它无法获得患者患病前的边界电压数据作为参考数据。多频EIT弥补了动态EIT在这方面的不足，它利用不同的生物组织的电阻抗频谱不同的特性，采用一个频点上的边界电压数据作为参考数据，采用另外一个频点上的数据作为当前数据，然后采用一定的图像重构算法进行图像重建，重建出的图像反映的是被测对象内部电阻率分布随频率的变化，适于需要获得被测对像内部与病灶当前状态相关的电阻抗分布的场景，譬如脑卒中病灶的一次性快速成像。

颅脑是一个复杂的电阻抗分布域，它的头皮、颅骨、硬脑膜、蛛网膜、蛛网膜下腔(含脑脊液)、软脑膜、脑灰质、脑白质和脑室(含脑脊液)等具有不同的电阻抗特性及频率变化特性。多频EIT在展示颅内病灶电阻率随频率变化的同时也展示了正常脑组织的电阻率随频率的变化，而且正常脑组织的电阻率变化率在某些频段上超越了病灶区域电阻率随频率的变化率，导致多频EIT重建出的颅脑图像无法正确反映颅内病灶的状况。

因此，基于多频EIT对颅脑内的病灶进行一次性快速成像是一个艰难的挑战。本领域的研究者对该问题进行了不懈地探索。申请号为201510579094.7的专利申请公开了一种多频电阻抗断层成像的谱成像方法，该方法利用频带内的所有频点的数据进行频差EIT成像，利用独立成分分析技术获得独立的电阻抗图像而将脑卒中组织与正常脑组织分开。但该技术重构出的病灶的电阻率谱、介电参数谱与真实的谱线存在明显差异，其检测脑卒中的可靠性有待提高。

申请号为201310006208.X的专利申请披露了一种准静态电阻抗成像中的图像重建算法，该方法采用加权求差的方式处理用于成像的两帧多频EIT数据，明显消除了非病灶脑组织的频率变化信息在重建图像中的伪影，提高了图像质量。但是实践检验发现该图像重构方法只能在病灶对侧的另外一个脑半球的对称位置上反映出较强的电阻率变化信号，这严重影响了该技术使用者对颅内病灶状况的判断。

发明人通过分析脑组织复电阻抗频谱发现脑部病灶(含脑卒中病灶)的电阻抗虚部以及虚部与实部的比值(正切向量值)在EIT数据采集频段内的频率变化量有超越正常脑组织的频段，可以用于重建颅内病灶导致的异常电阻率分布的影像。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种多频电阻抗断层成像方法及系统，能较准确地重建出脑部病灶的影像。具体技术方案如下：

第一方面，提供了一种多频电阻抗断层成像方法，在第一方面的第一种可实现方式中，包括：

获取两次不同频率激励下目标区域的边界电压数据和敏感关系矩阵；

分别通过两次不同频率激励下边界电压数据的虚部值或正切向量值，确定不同频率激励下边界电压虚部变化率或边界电压正切值变化率；

根据边界电压虚部变化率或边界电压正切值变化率，及敏感关系矩阵的逆矩阵确定目标区域的电阻抗虚部分布变化率或电阻抗正切值分布变化率；

通过所述电阻抗虚部分布变化率或电阻抗正切值分布变化率重构目标区域的多频电阻抗断层图像。

结合第一方面的第一种可实现方式，在第一方面的第二种可实现方式中，采用有限元分析方法获取所述敏感关系矩阵。

结合第一方面的第一种可实现方式，在第一方面的第三种可实现方式中，根据所述边界电压数据的虚部值和实部值计算所述正切向量值。

结合第一方面的第一种可实现方式，在第一方面的第四种可实现方式中，还包括采用Tikhonov正则化对成像结果进行优化。

结合第一方面的第四种可实现方式，在第一方面的第五种可实现方式中，正则化参数设定为正则化参数曲线拐点处的正则化参数值。

第二方面，提供了一种多频电阻抗断层成像系统，在第二方面的第一种可实现方式中，包括：

获取模块，配置为获取两次不同频率激励下目标区域的边界电压数据和敏感关系矩阵；

计算模块，配置为分别通过两次不同频率激励下边界电压数据的虚部值或正切向量值，确定不同频率激励下边界电压虚部变化率或边界电压正切值变化率；

确定模块，配置为根据边界电压虚部变化率或边界电压正切值变化率，及敏感关系矩阵的逆矩阵确定目标区域的电阻抗虚部分布变化率或电阻抗正切值分布变化率；

重构模块，配置为通过所述电阻抗虚部分布变化率或电阻抗正切值分布变化率重构目标区域的多频电阻抗断层图像。

结合第二方面的第一种可实现方式，在第二方面的第二种可实现方式中，所述获取模块包括有限元分析单元，该有限元分析单元配置为采用有限元分析方法获取所述敏感关系矩阵。

结合第二方面的第一种可实现方式，在第二方面的第三种可实现方式中，所述计算模块包括正切向量计算单元，该正切向量计算单元配置为根据所述边界电压数据的虚部值和实部值计算所述正切向量值。

结合第二方面的第一种可实现方式，在第二方面的第四种可实现方式中，还包括优化模块，该优化模块配置为采用Tikhonov正则化对成像结果进行优化。

结合第二方面的第四种可实现方式，在第二方面的第五种可实现方式中，所述优化模块设定的正则化参数为正则化参数曲线拐点处的正则化参数值。

有益效果：采用本发明的多频电阻抗断层成像方法及系统，充分考虑了病灶与正常脑组织在电阻抗虚部频谱及电阻抗正切值频谱上的差异，将两个频点上的实测颅脑边界电压的虚部和正切值作为频差EIT成像的数据，可以在病灶位置附近重建病灶的影像，解决了现有图像重构方法在病灶所在大脑半球的对侧重建病灶影像的问题，提高了病灶的识别度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明一实施例提供的多频电阻抗断层成像方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供的多频电阻抗断层成像系统的系统框图；

图3为患者的CT图像；

图4为一幅重构出的上述患者的电阻抗虚部分布变化率△ρ

图5为一幅重构出的上述患者电阻抗正切值分布变化率△ρ

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示的多频电阻抗断层成像方法的流程图，该成像方法包括：

步骤1、获取两次不同频率激励下目标区域的边界电压数据和敏感关系矩阵；

步骤2、分别通过两次不同频率激励下边界电压数据的虚部值或正切向量值，确定不同频率激励下边界电压虚部变化率或边界电压正切值变化率；

步骤3、根据边界电压虚部变化率或边界电压正切值变化率，及敏感关系矩阵的逆矩阵确定目标区域的电阻抗虚部分布变化率或电阻抗正切值分布变化率；

步骤4、通过所述电阻抗虚部分布变化率或电阻抗正切值分布变化率重构目标区域的多频电阻抗断层图像。

具体而言，首先，可以采用差分电阻抗成像方法，在颅脑指定平面上均匀贴放16个电极，并采用对向激励-邻近测量模式，通过多频EIT数据采集系统对被测颅脑分别施加频率为ω

第一次激励得到的边界电压数据包括边界电压的实部值Re

根据第一次激励得到的边界电压数据的实部值Re

同样，根据第二次激励得到的边界电压数据的实部值Re

在本实施中，可以采用有限元分析方法获取敏感关系矩阵。具体的，构建有限元模型，并设定有限元模型中目标区域为频率50kHz下均匀的复电阻抗分布，其复电阻抗分布为ρ

其中，

在本实施了中，EIT数学模型可以由椭圆偏微分方程与混合边界条件确定，EIT数学模型具体为：

其中，

然后，可以通过两次不同频率激励下边界电压数据的虚部值或正切向量值，确定不同频率激励下各电极组合对应的边界电压虚部变化率或边界电压正切值变化率。具体计算式如下：

其中，△Im(k)为边界电压虚部变化率，△tan(k)为边界电压正切值变化率。

之后，可以根据边界电压虚部变化率和敏感关系矩阵S的逆矩阵S

△ρ

或者，可以根据边界电压正切值变化率和敏感关系矩阵S的逆矩阵S

△ρ

其中，△Im是由各电极组合对应的边界电压虚部变化率△Im(k)组成的边界电压虚部变化率矩阵。同样，△tan是由各电极组合对应的边界电压正切值变化率△tan(k)组成的边界电压正切值变化率矩阵。

最后，可以根据目标区域的电阻抗正切值分布变化率△ρ

在本实施中，可选的，还包括采用Tikhonov正则化对成像结果进行优化。具体而言，在图像重构过程中，可以采用Tikhonov正则化对成像结果进行优化。在通过电阻抗虚部分布变化率△ρ

△ρ

通过电阻抗虚部分布变化率△ρ

通过电阻抗正切值分布变化率△ρ

△ρ

其中，R

通过电阻抗正切值分布变化率△ρ

如图2所示的多频电阻抗断层成像系统的系统框图，该成像系统包括：

获取模块，配置为获取两次不同频率激励下目标区域的边界电压数据和敏感关系矩阵；

计算模块，配置为分别通过两次不同频率激励下边界电压数据的虚部值或正切向量值，确定不同频率激励下边界电压虚部变化率或边界电压正切值变化率；

确定模块，配置为根据边界电压虚部变化率或边界电压正切值变化率，及敏感关系矩阵的逆矩阵确定目标区域的电阻抗虚部分布变化率或电阻抗正切值分布变化率；

重构模块，配置为通过所述电阻抗虚部分布变化率或电阻抗正切值分布变化率重构目标区域的多频电阻抗断层图像。

具体而言，成像系统是由获取模块、计算模块、确定模块和重构模块组成。其中，获取模块可以获取采用差分电阻抗成像方法采集到的分别在频率为ω

确定模块可以根据边界电压虚部变化率和敏感关系矩阵的逆矩阵S

在本实施了中，可选的，所述获取模块包括有限元分析单元，该有限元分析单元配置为采用有限元分析方法获取所述敏感关系矩阵。获取模块包括有限元分析单元，通过该有限元分析单元可以构建有限元模型，并设定有限元模型中目标区域为频率50kHz下均匀的复电阻抗分布，并将目标区域离散为512个三角单元，根据EIT数学模型计算出敏感关系矩阵。

在本实施中，可选的，所述计算模块包括正切向量计算单元，该正切向量计算单元配置为根据所述边界电压数据的虚部值和实部值计算所述正切向量值。具体而言，计算模块包括正切向量计算单元，该正切向量计算单元可以根据边界电压数据中的虚部值和实部值计算得到正切向量值。

在本实施中，可选的，还包括优化模块，该优化模块配置为采用Tikhonov正则化对成像结果进行优化。

具体的，为了克服EIT图像重建逆问题求解的病态性从而改善图像质量，优化模块可以采用Tikhonov正则化对对电阻抗虚部分布变化率△ρ

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。