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        一種改進(jìn)的加權(quán)頻差電阻抗成像算法

        2018-06-05 11:46:16張夏婉
        關(guān)鍵詞:頻差先驗電導(dǎo)率

        張夏婉

        (南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院,江蘇 南京 210000)

        0 引言

        電阻抗斷層成像技術(shù)(Electrical Impedance Tomography, EIT)通過設(shè)置電極向人體施加安全的激勵電流,同時在體表設(shè)置的電極處測量電壓信號,經(jīng)重構(gòu)算法重構(gòu)出人體某一塊部位內(nèi)部的阻抗或阻抗變化分布[1-4]。由于EIT技術(shù)對于檢測疾病具有較好的無損傷性,大量的科研工作者投身到EIT的研究中,以期早日應(yīng)用到臨床應(yīng)用當(dāng)中,造福人類。EIT傳統(tǒng)上可分為靜態(tài)成像和動態(tài)成像。靜態(tài)成像的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求苛刻,因此在臨床應(yīng)用中有一定的限制,目前仍在研究階段。動態(tài)成像通過對不同時刻的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行差分成像,只可用于對某些疾病的發(fā)展過程進(jìn)行實時圖像監(jiān)測,臨床上對于病灶已形成并且在短時間內(nèi)不會發(fā)生阻抗動態(tài)變化的疾病而言還不能實際應(yīng)用。由于各種生物組織具有特定的電阻抗頻譜特性[5-17],不同頻率點上的生物組織的電阻抗相差甚遠(yuǎn)。因此可利用不同頻率下的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行差分成像,以期達(dá)到實時檢測疾病的目的。這種成像方式即為準(zhǔn)靜態(tài)EIT成像(Quasi-Static EIT,QS-EIT),是可以應(yīng)用到臨床應(yīng)用當(dāng)中的一種方法。近期,有人提出了基于加權(quán)頻差阻尼最小二乘法的QS-EIT算法,有效地減少了背景區(qū)域存在偽影的問題[18]。

        本文在基于加權(quán)頻差阻尼最小二乘法的QS-EIT算法基礎(chǔ)上提出對權(quán)值處理,從理論上對背景區(qū)域進(jìn)行歸一化,并且對先驗信息矩陣進(jìn)行改進(jìn),通過物理實驗驗證算法的有效性和可行性。

        1 加權(quán)頻差重構(gòu)算法

        1.1 數(shù)學(xué)模型

        在成像區(qū)域Ω當(dāng)中,當(dāng)注入電流頻率為ω時,在x∈Ω處的復(fù)電導(dǎo)率為:

        γω(x)=σω(x)+iωεω(x)

        (1)

        其中σω(x)和εω(x)分別為電導(dǎo)率和電容率。

        使用N電極多頻EIT系統(tǒng),電極設(shè)置在邊界?Ω上,可以將電極看作系統(tǒng)模型上面的一個點,依次在兩個相鄰電極上注入幅值為I、頻率為ω的正弦激勵電流。區(qū)域內(nèi)電位和電導(dǎo)率的關(guān)系可由麥克斯韋方程組得出:

        (2)

        (在邊界上)

        (3)

        設(shè)在區(qū)域Ω中,異常區(qū)域D在一個均勻電導(dǎo)率背景當(dāng)中,有:

        (4)

        圖1 EIT成像模型

        分別測量電流頻率為ω1和ω2時的電壓數(shù)據(jù)集Uω1和Uω2。設(shè)加權(quán)頻差數(shù)據(jù)矩陣V為:

        (5)

        從式(2)和式(4)可導(dǎo)出加權(quán)頻差數(shù)據(jù)矩陣V和異常區(qū)域電導(dǎo)率的關(guān)系式:

        (在區(qū)域內(nèi))

        (6)

        通過(3)式可以得到:

        ?νυj|?Ω=0 (在邊界上)

        (7)

        從式(3)、格林公式和式(2),可以得出[18]:

        Vj,k=υj(ξk)-υj(ξk+1)

        (8)

        通過格林公式和式(6)、式(7)可以推導(dǎo)出:

        (9)

        (10)

        (11)

        V=S·Δγ

        (12)

        式中,V為加權(quán)頻差數(shù)據(jù)矩陣,Δγ為所要求的成像矩陣,S為敏感矩陣,矩陣元素為:

        (13)

        其中,Sab表示激勵電流幅值為I時第a對激勵-測量電極對對應(yīng)的區(qū)域Ω當(dāng)中的第b個單元所對應(yīng)的敏感矩陣元素;和為阻抗分布為均勻分布時場域內(nèi)的電位分布。

        (14)

        (15)

        (16)

        通過式(5)可以求得加權(quán)頻差數(shù)據(jù)矩陣V。

        1.2 傳統(tǒng)加權(quán)頻差方法

        傳統(tǒng)加權(quán)頻差方法為:對于兩組頻率下的復(fù)電導(dǎo)率γω1和γω2,令γω2(x)為αγω2(x),那么在復(fù)電導(dǎo)率差為Δγ=αγω2(x)-γω1時,對應(yīng)的電壓差矩陣為V=Uω2-αUω1。

        改進(jìn)后的加權(quán)頻差方法,通過雙加權(quán)的方法處理的背景區(qū)域電導(dǎo)率的值變?yōu)?,只通過異常區(qū)域電導(dǎo)率的變化進(jìn)行成像,在理論上達(dá)到化背景區(qū)域電導(dǎo)率歸一化的效果。

        1.3 逆問題求解

        對于病態(tài)方程V=SΔγ,利用最小二乘正則化方法對Δγ進(jìn)行求解:

        Δγ=(STS+λR)-1·STV

        (17)

        式中,λ為正則化參數(shù),通過L曲線法選取[17]。本文中,對先驗矩陣R進(jìn)行改進(jìn)。R是一個包含某些關(guān)于被測場域電導(dǎo)率分布的先驗信息的調(diào)制矩陣,代表了各剖分單元間的互相關(guān)系,改進(jìn)后的構(gòu)造規(guī)則如下:假定有限元剖分單元數(shù)為H,則R為一個H×H的矩陣,其元素取值規(guī)則為:對每個單元進(jìn)行編號后,如果兩個單元擁有同一條三角邊,則對應(yīng)元素值為-1;如果單元有一條邊在邊界上,則其對應(yīng)元素值為2;如果單元任一邊都不在邊界上,則其對應(yīng)元素值為3。

        1.4 傳統(tǒng)先驗矩陣

        傳統(tǒng)的先驗信息矩陣R利用了敏感矩陣中的先驗信息,具體實現(xiàn)為:

        R=diag(STS)

        (18)

        敏感矩陣本身帶有區(qū)域內(nèi)部的先驗信息,利用敏感矩陣數(shù)據(jù)作為先驗信息雖然可以實現(xiàn)EIT成像,但是成像結(jié)果中存在較多偽影。本文直接將區(qū)域單元的位置作為先驗信息,并通過物理實驗進(jìn)行驗證比較兩種方法的優(yōu)越性。

        2 實驗結(jié)果

        本實驗采用課題組自主研發(fā)的MFEIT多頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實際測量中,激勵頻率選擇5 kHz和10 kHz,激勵電流為1 mA。物理模型內(nèi)壁等間距地安放16個電極,對胡蘿卜和黃瓜進(jìn)行成像研究。

        實驗通過單目標(biāo)和雙目標(biāo)兩種模型進(jìn)行物理實驗比較,結(jié)果如圖2~圖5所示,發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的加權(quán)頻差EIT算法相比于傳統(tǒng)加權(quán)頻差成像算法明顯地減少了很多偽影,成像效果更加清晰。

        圖2 單目標(biāo)傳統(tǒng)加權(quán)頻差成像結(jié)果

        圖3 單目標(biāo)改進(jìn)加權(quán)頻差成像結(jié)果

        圖4 雙目標(biāo)傳統(tǒng)加權(quán)頻差成像結(jié)果

        圖5 雙目標(biāo)改進(jìn)加權(quán)頻差成像結(jié)果

        3 結(jié)論

        本文對傳統(tǒng)的加權(quán)頻差EIT算法和改進(jìn)后的加權(quán)頻差EIT算法進(jìn)行物理模型實驗。從實驗結(jié)果可以看出,改進(jìn)后的加權(quán)頻差EIT算法相比于傳統(tǒng)加權(quán)頻差成像算法減少了很多偽影。因此,該算法是一種有效的QS-EIT算法。

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