用于测试电阻抗成像系统性能的仿体及其阻值确定方法

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，具体涉及一种用于测试电阻抗成像系统性能的仿体及其阻值确定方法。

背景技术

电阻抗成像（Electrical Impedance Tomography, EIT）技术，作为一种非侵入式、无辐射、可床旁实时监测的功能成像技术，自20世纪80年代以来，国内外研究者对其进行了广泛且深入的研究。目前已有应用于临床监测和辅助诊断的商用EIT系统。

在电阻抗成像系统研制开发过程中，模体实验是系统仿真阶段和临床实验阶段中间必不可少的桥梁。一般而言，大部分的研究团队进行模体实验时，通常将水桶模型作为被测对象。水桶模型是指将混有一定浓度的盐水溶液装入亚克力板制成的圆形桶中，在圆形桶的外周围上一圈电极用于电信号的注入和采集。另外，一般还会在圆形水桶中放入硅胶或者树脂制成的绝缘不规则物体，用于作为感兴趣区域进行成像。水桶模型作为模体实验对象的优势在于易于制备，成本较低。

但是，由于盐水易挥发，测试过程中，均匀背景的电导率随着时间会一直发生变化，从而影响到成像的准确性。同时，由于水桶的桶厚、尺寸、盐水浓度、绝缘物体的尺寸等多个可变参数的存在，水桶模型的模体实验很难二次重复，不利于进行系统对比实验的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于测试电阻抗成像系统性能的仿体，包括：

电阻网络，包括多组阻值不同的电阻，其中第一组电阻串联形成第一拓扑结构、第二组电阻串联形成第二拓扑结构，第三组电阻连接所述第一拓扑结构中相邻电阻间的节点与所述第二拓扑结构中相邻电阻间的节点，所述第一拓扑结构中相邻电阻间的节点还通过第四组电阻连接电压参考点，所述第二拓扑结构中相邻电阻间的节点还通过第五组电阻连接电极，所述电极用于连接电阻抗成像系统的电极带；若干受控开关装置，连接在所述电阻网络中的若干电阻的两端，通过通断状态改变仿体的阻值，用于模拟由呼吸和/或肺部血液灌注引起的电阻率变化。

可选地，所述电阻网络有两个，两个所述电阻网络中的第一拓扑结构中相邻电阻间的节点通过所示第五组电阻连接、两个所述电阻网络中的第二拓扑结构中相邻电阻间的节点通过第六组电阻连接；两个所述电阻网络中的所述电极分别用于连接三维电阻抗成像系统的两个电极带。

可选地，所述第六组电阻的阻值大于其它电阻的阻值。

可选地，所述电阻网络中的电阻阻值关系为第三组电阻＞第二组电阻＞第五组电阻＞第一组电阻＞第四组电阻。

可选地，所述电阻网络中各组电阻的数量与被测成像系统的电极带上的电极数量相同。

可选地，其中两个用于模仿呼吸的受控开关装置分别连接在所述第一组电阻中的两个电阻两端，所述两个电阻的位置对应于左右肺的位置。

可选地，其中两个用于肺部血液灌注的受控开关装置分别连接在所述第一组电阻中的两个电阻两端，所述两个电阻的位置对应于左右肺。

可选地，还包括：控制器，用于按照设定工作频率控制所述受控开关装置的通断状态，其中用于模拟呼吸的设定工作频率与用于模拟肺部血液灌注的设定工作频率不同。

可选地，所述电极以及所有电阻布置在同一板材上，其中所述电极以环状布置于外侧环绕所有电阻。

可选地，还包括：数据线连接端，一端与所述电极连接，另一端用于连接电阻抗成像系统的电极带连接端。

本发明还提供一种用于确定上述仿体中的电阻阻值的方法，包括：

获取有限元模型和仿真测试参数，其中所述有限元模型由离散单元组成，且配置多个等间距布置围绕所述有限元模型的表面的电极，所述电极围绕的平面构成电极平面，所述电极平面的数量与所述电阻网络的数量一致，所述仿真测试参数包括激励电流、背景电导率、电极接触阻抗；

基于所述仿真测试参数和所述有限元模型获得第一仿真电阻抗数据；

基于所述激励电流、所述电极接触阻抗和所述电阻网络的模型中各组电阻的初始值获得第二仿真电阻抗数据；

以所述第二仿真电阻抗数据与所述第一仿真电阻抗数据的差异作为优化目标函数、将所述各组电阻的阻值作为自变量执行优化算法，得到优化后的各组电阻的组值。

可选地，对于具有两个所述电阻网络的所述仿体，所述有限元模型配置两个所述电极平面；

基于所述仿真测试参数和所述有限元模型获得第一仿真电阻抗数据，具体为：基于所述仿真测试参数分别以第一电极平面作为激励端和测量端，第二电极平面作为激励端和测量端，第一电极平面作为激励端、第二电极平面作为测量端，第一电极平面作为测量端、第二电极平面作为激励端，仿真激励和测量操作得到第一仿真电阻抗数据；

基于所述激励电流、所述电极接触阻抗和所述电阻网络的模型中各组电阻的初始值获得第二仿真电阻抗数据，具体为：基于所述激励电流、所述电极接触阻抗分别以上层电阻网络作为激励端和测量端，下层电阻网络作为激励端和测量端，上层电阻网络作为激励端、下层电阻网络作为测量端，上层电阻网络作为测量端、下层电阻网络作为激励端，仿真激励和测量操作得到第二仿真电阻抗数据。

可选地，所述优化算法为粒子群优化算法。

根据本发明提供的仿体，通过五组具有不同阻值的电阻组成的电阻网络来模拟人体胸腔的电阻率分布，解决了均匀背景的电导率会随时间发生变化等问题，本方案具有高可靠性，并且几乎不具有其它可变物理参数或条件，便于实现重复实验；本方案还通过若干受控开关装置的通断状态模拟人体在呼吸及血液灌注时电阻率变化，由此能够动态模拟人体的呼吸行为和血液灌注状态，使得被测系统能够获得动态的电阻抗图像，更加有利于系统的校准与验证，并且能够进一步为硬件系统和算法的优化提供改进方向。

本发明提供的仿体结构简单且电阻率均匀分布，电阻率在各个方向上的变化是一致的，能够用于评估电阻抗成像系统的信噪比和精确度等指标。在对信噪比和精确度进行评估时，可以比较测量电极上的电位，该仿体能够保证激励电流通过该仿体后产生的动态电压变化与胸腔模型的动态电压变化一致。

根据本发明实施例提供的电阻计算方法，为三维有限元模型赋予背景电导率以模拟人体状态，进而基于同样的激励电流和电极接触阻抗分别以有限元模型和仿体的模型作为测量对象，优化电阻网络电阻阻值使得仿体测试得到的边界电压与有限元模型的仿真测量数据尽量一致，由此计算出各组电阻的阻值，使整个仿体准确模拟人体状态，计算结果准确性高，且具有较高的计算效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的仿体结构示意图；

图2为本发明实施例中的仿体拓扑结构图；

图3为本发明实施例中的受控开关装置与电阻的连接关系示意图；

图4为本发明实施例中的仿体产品渲染图；

图5为利用本发明实施例中的仿体所生成的电阻抗图像；

图6为本发明实施例中的另一种仿体拓扑结构图；

图7为本发明实施例中的电阻确定方法的流程图；

图8为本发明实施例中的有限元模型的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种用于测试电阻抗成像系统性能的仿体，如图1所示，此仿体包括电阻网络和若干受控开关装置11。电阻网络用于模拟人体胸腔电阻率，通过若干受控开关装置11改变电阻网络的电阻率，以此模拟人在呼吸时由于肺部吸入空气导致的电阻率变化，或者模拟人在呼吸时由于肺部血液灌注导致的电阻率变化。

具体地，电阻网络中包括多组阻值不同的电阻，本实施例中使用了5组阻值不同的电阻，第一组电阻（记为R2）串联形成第一拓扑结构、第二组电阻（记为R4）串联形成第二拓扑结构。

第三组电阻（记为R3）连接第一拓扑结构中相邻电阻间的节点与第二拓扑结构中相邻电阻间的节点。将相邻电阻R2中间的节点记作N

第一拓扑结构中相邻电阻间的节点还通过第四组电阻（记为R1）连接电压参考点（图中标记为G），第二拓扑结构中相邻电阻间的节点还通过第五组电阻（记为R5）连接电极，该电极用于连接电阻抗成像系统的电极带，电极带上设有多个电极，本仿体中的电极数量与电极带上的电极数量相匹配。

本实施例中各组电阻的阻值是不同的，同一组内的电阻是相同的。各组电阻的组合使得整个电阻网络呈现出均匀的电阻率分布。单个电阻的取值与采用的电阻数量有关，具体实施方式无法穷举，在之后记载的实施例中提供优选方案。

若干受控开关装置11连接在电阻网络中的若干电阻的两端，通过通断状态改变仿体的阻值，用于模拟由呼吸和/或肺部血液灌注引起的电阻率变化。受控开关装置11的具体数量和具体连接位置与电阻的数量和取值有关，因此可选的实施方式有多种。主要考虑的问题在于，受控开关装置要改变电阻网络局部的电阻率，该局部所处的位置应当与人体胸腔中的左右肺的位置相应，由此才能使被测的电阻抗成像系统生成的图像接近于测量人体电阻抗信号所生成的图像。

进一步地，鉴于需要模仿左、右肺的电阻率变化，因此本仿体中至少需要配置两个受控开关装置，其在电阻网络中的位置是对称的。假设某一组电阻只有两个电阻，显然只需将两个受控开关装置分别连接在这两个电阻两端即可。然而当该组电阻数量较多时，则需要根据其与电极的连接关系和布局选择两个对称的、与人体左右肺位置相似的电阻两端来连接受控开关装置。

如果需要使本仿体既能模拟呼吸，同时也能模拟血液灌注，则需要至少四个受控开关装置，分别连接在不同的、对称的、与人体左右肺位置相似的电阻两端。

更进一步地，受控开关装置所改变电阻网络局部的电阻率，该局部在本领域中被称为感兴趣区域ROI，将受控开关装置设置在远离和接近测量电极的电阻时，对于电导率的影响是有差别的，图5示出了ROI位于不同位置的成像。具体地，当ROI位于靠近G点的内圈时，(a)中灌注过程的电导率变化量级为10

根据本发明实施例提供的仿体，通过五组具有不同阻值的电阻组成的电阻网络来模拟人体胸腔的电阻率分布，解决了均匀背景的电导率会随时间发生变化等问题，本方案具有高可靠性，并且几乎不具有其它可变物理参数或条件，便于实现重复实验；本方案还通过若干受控开关装置的通断状态模拟人体在呼吸及血液灌注时电阻率变化，由此能够动态模拟人体的呼吸行为和血液灌注状态，使得被测系统能够获得动态的电阻抗图像，更加有利于系统的校准与验证，并且能够进一步为硬件系统和算法的优化提供改进方向。

如图2所示，在一个优选的实施例中，电阻网络中各组电阻R1…R5的数量与被测成像系统的电极带上的电极数量相同，本实施例所要测量的是具有一个激励模块的二维电阻抗成像系统，其具有16个激励电极。本实施例的电阻网络中各种电阻的数量均为16个，这些电阻阻值关系为第三组电阻＞第二组电阻＞第五组电阻＞第一组电阻＞第四组电阻，具体取值范围是R1∈[40Ω,50Ω]、R2∈[45Ω,55Ω]、R3∈[300Ω,350Ω]、R4∈[100Ω,200Ω]、R5∈[70Ω,80Ω]。

本发明提供的仿体结构简单且电阻率均匀分布，电阻率在各个方向上的变化是一致的，能够用于评估电阻抗成像系统的信噪比和精确度等指标。在对信噪比和精确度进行评估时，可以比较测量电极上的电位，该仿体能够保证激励电流通过该仿体后产生的动态电压变化与胸腔模型的动态电压变化一致。

本实施例设有4个受控开关装置，以及用于按照设定工作频率控制这些受控开关装置通断状态的控制器，其中用于模拟呼吸的设定工作频率与用于模拟肺部血液灌注的设定工作频率不同。控制器具体位置单片机（型号为STM32G030C6T6），由于受控开关装置的功能只是开关作用，对功率没有要求，因此选用信号继电器。

图3中只示出电阻R2与继电器的连接位置，省略其它组电阻。两个第一继电器21对应地连接在两个电阻R2两端，并对称设置，之间相隔5个电阻R2，第一继电器21的通断状态用于模拟呼吸，当其接通时使得两个电阻R2短路，导致电阻网络的阻值降低，由于正常成年人的呼吸频率为每分钟12~18次，因此本实施例中将与第一继电器21的工作频率设置为0.25Hz。

两个第二继电器22对应地连接在另外两个电阻R2两端，并对称设置，之间相隔5个电阻R2，第二继电器22的通断状态用于模拟血液灌注，当其接通时使得两个电阻R2短路，导致电阻网络的阻值降低，由于血液灌注与心率一致，一般为每分钟60次左右，因此本实施例中将与第二继电器21的工作频率设置为1Hz。

在优选实施例中，如图4所示，电阻网络的所有电器元件集成在一个板材上，各组电阻R1…R5采用贴片电阻，用于连接电极带的电极以环状布置于外侧环绕所有电阻，以便于连接电阻抗成像系统。开关装置（继电器）设置在另外的控制板上，图4中所示4个4pin的排针用于与控制板进行连接，进而连接继电器两端。

进一步地，本实施例中的仿体还包括数据线连接端，图4所示的中间区域的16pin的排针，其与本仿体中环状布置的各个电极连接，该连接端用于连接电阻抗成像系统的数据接口。通过据线连接端可以将本仿体的电极与电阻抗成像系统的DB25外部接口连接，替代电极带，由此可以使被测系统在不使用电极带的情况下所得到的电阻抗成像，可以用于验证电极带及馈线对成像系统的影响。

上述优选实施例使用少量电阻模拟了人体胸腔电阻率，这些电器元件集成在平面板材上，提高了使用便利性。

上述实施例提供的仿体适用于测试二维电阻抗成像系统，下面结合图6介绍一种适用于测试三维电阻抗成像系统的仿体。

3D电阻抗成像设备由主激励采集模块和从激励采集模块组成，电极带有两条，通常每条电极带上设有16个电极。本实施例提供的仿体需要设置与两条电极带相连的电极。

如图6所示，本实施例的仿体设有两个如图2所示的电阻网络，这两个电阻网络中的第二拓扑结构中相邻电阻间的节点通过第六组电阻（记为R6）连接（也就是上层电阻网络中的节点N

两个电阻网络分别具有16个电极，位于上、下两层的电极分别用于连接三维电阻抗成像系统的两个电极带。在对3D电阻抗成像设备进行连接时，将其主激励采集模块和上层的16个电极相连，同时将从激励采集模块与下层的16个电极相连。

本实施例中第六组电阻的阻值大于其它电阻的阻值，具体取值范围是R6∈[500Ω,550Ω]。

关于本实施例中的受控开关装置，如图6所示可以全部设置在上层的电阻网络中，连接在若干电阻R2两端，与上述实施例相同，为了不影响附图清晰表达，在图6中只是标出了继电器的连接点，未示出继电器；也可以连接在下层的电阻网络的若干电阻R2两端，也可以将第一继电器连接在上层、第二继电器连接在下层，或者相反都是可行的。

上、下两层电阻网络可以设置在一个或两个板材上，单层的布局与图4类似。

另外需要说明的是，将所有继电器设置在同一个电阻网络中，使得本实施例的仿体也可以用于测试二维电阻抗成像系统，只需要将二维电阻抗成像系统的电极带连接到继电器所在层的电极上即可。

如图7所示，本发明实施例提供一种用于确定上述仿体中电阻阻值的方法，本方法可由计算机执行，包括如下操作：

S1，获取有限元模型和仿真测试参数。

有限元模型是预先构建的，由离散单元组成，且配置多个等间距布置围绕有限元模型的表面的电极，电极围绕的平面构成电极平面，电极平面的数量与电阻网络的数量一致。如图8所示，有限元模型可以是一个规则的几何体，比如圆柱体，能够在一定程度上降低阻抗解调带来的误差，从而能够将更多的注意力集中在电阻抗成像测量系统自身的性能指标上。在本实施例中利用开源软件EDIORS构建了圆柱体三维有限元模型，即将整个计算场域剖分为有限个离散单元（四面体单元），并配置一圈或两圈电极（电极围成的平面即为两个电极平面），该模型半径为10cm，高为20cm，每个电极平面包含16个等间距分布的电极。

仿真测试参数包括激励电流、背景电导率、电极接触阻抗。在本实施例中作为有限元模型的背景电导率取值为0.134S/m，模拟生理盐水介质的电导率；激励电流幅度取值为1A；所有电极的接触阻抗相同，取值为1.5Ohm*m^2。

S2，基于仿真测试参数和有限元模型获得第一仿真电阻抗数据。将配置了背景电导率和电极接触阻抗的有限元模型作为测量对象，通过电极进行激励和测量，将得到的测量数据记为d

S3，基于激励电流、电极接触阻抗和电阻网络的模型中各组电阻的初始值获得第二仿真电阻抗数据。具体地，需要预先建立电阻网络的虚拟模型，可以在Multisim中构建上述仿体电路结构，根据构建得到的电路结构导出网表文件，然后将网表文件导入到MATLAB中。

与步骤S2类似地，将电阻网络的模型作为测量对象，利用MATLAB和基尔霍夫方程进行电极电位的求解，并采用仿真测试参数中的激励电流和电极接触阻抗进行激励和测量，将得到的测量数据记为d

S4，以第二仿真电阻抗数据与第一仿真电阻抗数据的差异作为优化目标函数、将各组电阻的阻值作为自变量执行优化算法，得到优化后的各组电阻的组值。在本实施例中，作为自变量是上述实施例中的第一组电阻R2、第二组电阻R4、第三组电阻R3、第四组电阻R1，第五组电阻R5不需要通过优化算法取值。作为举例，可将||d

经过优化算法得到的结果可能是实际电器件难以完全匹配的值，比如R1=45.789Ω，为此还需根据实际可选的电阻值取近似结果，例如R1=47Ω。对其它电阻取值做类似处理，可以得到R1=47Ω、R2=49.9Ω、R3=330Ω、R4=150Ω。需要说明的是，本实施例针对的是图2所示仿体中各组电阻的数量所得到的结果，如果在其它实施例中电阻数量不同，计算得到的阻值也与此不同。另外对于图2或图6所示的结构，第五组电阻R5的值不需要作为自变量进行优化计算，R5可以是任意取值，例如R5=75Ω。

根据本发明实施例提供的电阻计算方法，为三维有限元模型赋予背景电导率以模拟人体状态，进而基于同样的激励电流和电极接触阻抗分别以有限元模型和仿体的模型作为测量对象，优化电阻网络电阻阻值使得仿体测试得到的边界电压与有限元模型的仿真测量数据尽量一致，由此计算出各组电阻的阻值，使整个仿体准确模拟人体状态，计算结果准确性高，且具有较高的计算效率。

对于图6所示的具有两个电阻网络的仿体，有限元模型配置两个电极平面,在本实施例中，作为自变量的电阻还包括第六组电阻R6。针对此用于三维成像的仿体，步骤S2优选采用如下方式：

基于仿真测试参数分别以第一电极平面（上圈）作为激励端和测量端，第二电极平面（下圈）作为激励端和测量端，第一电极平面作为激励端、第二电极平面作为测量端，第一电极平面作为测量端、第二电极平面作为激励端，仿真激励和测量操作得到第一仿真电阻抗数据。对于具有16个电极的模型，将得到416组测量数据。

步骤S3优选采用如下方式：基于仿真测试参数中的激励电流和接触阻抗，分别以上层电阻网络作为激励端和测量端，下层电阻网络作为激励端和测量端，上层电阻网络作为激励端、下层电阻网络作为测量端，上层电阻网络作为测量端、下层电阻网络作为激励端，仿真激励和测量操作得到第二仿真电阻抗数据。对于图6所示的仿体的模型，也将得到416组测量数据。通过步骤S4计算后，可以得到R1=47Ω、R2=49.9Ω、R3=330Ω、R4=150Ω、R6=510Ω。

本实施例采用多种激励测量方式，得到所有可能的测量数据，基于此测量数据计算的优化函数准确性高，从而提高电阻阻值计算结果的准确性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。