專利名稱：一種用于床旁圖像監(jiān)護的電阻抗斷層成像方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療器械或儀器，涉及一種可用于床旁圖像監(jiān)護的電阻抗斷層成像方法及其裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在臨床診斷和治療中有些發(fā)病率很高的疾病需要能用于床旁監(jiān)護的成像技術(shù)腦卒中、顱腦損傷亞急性病變、慢性顱內(nèi)出血，手術(shù)后腦部并發(fā)癥、新生兒顱內(nèi)出血、腹部臟器延遲性內(nèi)出血或局部缺血、器官移植等都需要床旁圖像監(jiān)護技術(shù)。
而現(xiàn)有的成像技術(shù)都不能用于床旁圖像監(jiān)護如現(xiàn)有的CT、MRI、PET、超聲等不僅需要龐大的設備和高昂的費用，操作復雜，對人體有一定損害，而且都不可能做到床旁動態(tài)、實時圖像監(jiān)護。在臨床應用領(lǐng)域，床旁圖像監(jiān)護仍是一個空白，致使不少病人在臨床診斷和治療中喪失最佳搶救時機。
電阻抗成像就是通過給人體施加安全電激勵、體外測量響應信號，來重建人體內(nèi)部的電阻率或其變化分布的圖像。
該技術(shù)在床旁功能圖像監(jiān)護方面的優(yōu)勢首先對功能變化的敏感性，它提取的是與組織功能變化相關(guān)的電特性，對那些影響電特性的因素，如血液的流動與分布，體液變化等非常敏感，形成的圖像是功能圖像，其次，不使用核素或射線，無毒無害，無損傷，能多次測量，重復使用，第三，設備小型，成本較低。
電阻抗成像技術(shù)是基于人體的不同組織有不同電阻抗這一物理原理，給人體施加安全的電流(電壓)，從體表測量電壓(電流)，利用體表測量信號重建出反映人體內(nèi)阻抗分布的圖像。在以人體阻抗分布的絕對值為成像目標的靜態(tài)成像方面，由于對系統(tǒng)要求苛刻，目前僅處于實驗室研究階段；在以人體阻抗分布的相對變化量為成像目標的動態(tài)成像方面，如今所報道的成像系統(tǒng)出自英國、美國、芬蘭、法國以及土耳其等國的幾十個研究組。他們在阻抗成像的臨床應用研究方面進行多方面的探索，在消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、腦、心臟、乳腺等功能成像有這對性地做了大量工作，但是由于阻抗圖像的分辨率還不夠高，不能達到目前CT、MRI的分辨率的水平，不能像CT、MRI一樣用做臨床病變得精確檢測，至今沒有取得突破。
國內(nèi)目前的阻抗成像技術(shù)研究是以申請人為主進行的，此外還有天津大學、重慶大學、河北工業(yè)大學等，目前還都在基礎研究階段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，充分發(fā)揮申請人在阻抗成像在功能圖像監(jiān)護研究方面的優(yōu)勢，把阻抗成像技術(shù)的臨床應用定位于其他成像技術(shù)難以實現(xiàn)的、臨床又很需要的功能圖像監(jiān)護。根據(jù)多年的研究結(jié)果，為臨床提供一種用于床旁圖像監(jiān)護的電阻抗斷層成像方法及其裝置，并提出了用于床旁監(jiān)護的阻抗成像的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像重構(gòu)算法以及相應的軟件設計。
實現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是用于床旁圖像監(jiān)護的電阻抗斷層成像方法，由整體的計算機控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和重構(gòu)圖像的算法，提供界面，控制圖像監(jiān)護的過程；其特點是，至少包括以下步驟1)采用多對電極，將激勵電流加到人體，并將人體的信號傳到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；2)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供交流恒流激勵、高精度信號檢測、驅(qū)動測量模式程控設置功能；3)根據(jù)采集到的電壓信號，由計算機內(nèi)設置的重構(gòu)圖像的算法計算體內(nèi)電阻率變化的分布，并顯示圖像。
上述交流恒流激勵、高精度信號檢測、驅(qū)動測量模式程控設置功能分別為交流恒流激勵功能
采用模擬振蕩、鎖相環(huán)及直接數(shù)字合成技術(shù)，包括產(chǎn)生頻率在50KHz左右的正弦信號并實現(xiàn)恒流輸出，和產(chǎn)生與激勵信號同步的解調(diào)控制信號及A/D轉(zhuǎn)換的啟動控制信號；高精度信號檢測功能包括高精度信號放大、動態(tài)范圍調(diào)整、高精度解調(diào)及數(shù)據(jù)采集；驅(qū)動及測量模式程控設置功能包括①按需要的驅(qū)動模式將激勵信號加載到多對驅(qū)動電極中的一對電極上；②按需要的測量模式將多對個測量電極中的一對電極上的信號加載到信號放大電路的輸入端。
所述重構(gòu)圖像的算法是采用動態(tài)的等位線反投影法，該等位線反投影法基于對所成像目標所作的如下假設①被成像目標阻抗分布為二維；②區(qū)域邊界為圓；③電極在邊界上為等間隔分布；④目標區(qū)域內(nèi)電阻抗分布的擾動與阻抗分布的絕對值相比很小，從而使邊界電壓的擾動與阻抗分布擾動成近似線性關(guān)系；等電位線阻抗成像實際上是對目標區(qū)域阻抗分布擾動的成像若在阻抗分布為σ(x，y)的目標區(qū)域周圍加載一組驅(qū)動電流，得到一組響應電壓為V0，阻抗分布發(fā)生一個較小變化(擾動)后，σ(x，y)→σ(x，y)+Δσ(x，y)，測得響應電壓為V1，將兩組電壓差規(guī)則化后進行反投影，即可得到阻抗分布的擾動。
一種實現(xiàn)上述用于床旁圖像監(jiān)護的電阻抗斷層成像方法的裝置，包括一計算機，計算機和一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，其特征在于，計算機內(nèi)設置有控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序和重構(gòu)圖像的算法，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還設置有多對將激勵電流加到人體采集人體的信號的電極系統(tǒng)(目前采用心電或腦電電極)；上述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括一激勵源模塊，用于產(chǎn)生頻率在50KHz左右的正弦信號并實現(xiàn)恒流輸出，和產(chǎn)生與激勵信號同步的解調(diào)控制信號及A/D轉(zhuǎn)換的啟動控制信號；一信號檢測模塊，用于信號放大、動態(tài)范圍調(diào)整、高精度解調(diào)及數(shù)據(jù)采集；一D/A轉(zhuǎn)換模塊，用于D/A的選擇及波形發(fā)生電路的實現(xiàn)；一激勵模式設置模塊，用于按需要的驅(qū)動模式將激勵信號加載到多對驅(qū)動電極中的一對電極上；一測量模式設置模塊，用于按需要的測量模式將多對個測量電極中的一對電極上的信號加載到信號放大電路的輸入端。
上述所說的電極為32個。


圖1是本發(fā)明的電阻抗斷層成像裝置的總體框圖，其中a)是框圖，b)是裝置示意圖；圖2是32電極數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖；圖3是激勵源框圖；圖4是三運放結(jié)構(gòu)的壓控電流源電路圖；圖5是同相并聯(lián)差動放大器電路圖；圖6-1是32電極驅(qū)動時的鄰近測量信號大小示意圖；圖6-2是16級增益大小示意圖；圖6-3是經(jīng)PGA后輸出信號大小示意圖，(Max/Min＝2.40)單位mV；圖6-4是16級增益時輸出對輸入的延遲時間(μs)示意圖，信號頻率47KHz；圖7是具有相位校正及動態(tài)范圍調(diào)整的信號檢測模塊框圖；圖8是具有相位補償和直流PGA的信號檢測模塊電路圖；圖9是32電極硬件系統(tǒng)中信號波形及時序示意圖；圖10是MAX306多路開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖；圖11是測量模式設置原理圖；
圖12是實時成像系統(tǒng)電極分布示意圖；圖13是反投影區(qū)示意圖，其中D1為等效電偶極子，陰影部分為反投影區(qū)，P為投影區(qū)內(nèi)一像素；圖14是反投影權(quán)值的求取圖示；圖15是反投影過程示意圖；圖16是成像系統(tǒng)工作流程圖；圖17是軟件系統(tǒng)基本功能圖；圖18是軟件的初始化流程圖；圖19是軟件的參考數(shù)據(jù)幀采集流程圖；圖20是軟件的成像數(shù)據(jù)幀采集流程圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和發(fā)明人依本技術(shù)方案完成的實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
1、總體結(jié)構(gòu)本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中a)是框圖，b)是裝置示意圖。
整體的計算機控制控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和重構(gòu)圖像的算法，給使用者提供界面，使工作人員能夠控制圖像監(jiān)護的過程。
電極采用心電電極或腦電電極，將激勵電流加到人體，并將人體的信號傳到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供交流恒流激勵、高精度信號檢測、驅(qū)動測量模式程控設置等功能。
圖像重構(gòu)的算法根據(jù)采集到的電壓信號，計算體內(nèi)電阻率變化的分布，并顯示圖像。
2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及整體的計算機控制2.1.1激勵源模塊(圖2中1)
一個完整的采用DDS技術(shù)的激勵源模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
1)本模塊完成的功能a)產(chǎn)生頻率在50KHz左右的正弦信號；b)實現(xiàn)恒流輸出；c)產(chǎn)生與激勵信號同步的解調(diào)控制信號及A/D轉(zhuǎn)換的啟動控制信號；2)電路結(jié)構(gòu)選取a)正弦波形發(fā)生電路產(chǎn)生頻率已知的正弦信號，在電路上可以采用模擬振蕩、鎖相環(huán)及直接數(shù)字合成(DDS)等技術(shù)。首選DDS技術(shù)。為減小DDS電路輸出波形的諧波分量，EPROM中每周期波形點數(shù)設計為128點，理論計算表明每周期128點正弦數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到的階梯正弦波形中，2次諧波分量為0.52％，3次諧波分量為0.29％。為進一步減小輸出信號諧波分量，在D/A輸出之后設計一級帶通濾波器，將其輸出作為恒流電路的輸入信號。
b)恒流電路其輸入信號是交流電壓信號，輸出信號是交流恒流信號，因此選用三運放結(jié)構(gòu)的壓控電流源電路(VCCS)，如圖4所示。
c)控制信號產(chǎn)生電路選用高速譯碼電路，對DDS中正弦信號的特定時序進行譯碼，以產(chǎn)生與激勵信號精確同步的解調(diào)控制信號和A/D轉(zhuǎn)換啟動信號。
3)主要器件的選擇及功能電路實現(xiàn)a)D/A的選擇及波形發(fā)生電路的實現(xiàn)選用12位D/A。按設計要求，激勵頻率在50KHz附近，因每周期中有128點數(shù)據(jù)要經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，所以其轉(zhuǎn)換速率應大于50KHz×128＝6.4MHz，即D/A的轉(zhuǎn)換時間應小于160ns。考慮到將來激勵頻率可能會更高，選擇了AD模擬器件公司的高精度12位AD9713為DDS中的D/A，其轉(zhuǎn)換時間小于30ns，滿足目前激勵頻率的需要。
在電路實現(xiàn)中，選用12MHz晶振作為時鐘，經(jīng)2分頻后頻率為6MHz，由其控制循環(huán)讀取EPROM中的128點正弦數(shù)據(jù)，經(jīng)AD9713D/A轉(zhuǎn)換后，輸出信號的實際頻率為6000/128≈47KHz，周期為21.33μs。
圖9中A、B、C分別為時鐘、D/A輸出波形、經(jīng)中心頻率47KHz的帶通濾波器后的輸出波形。
對激勵電流大小的控制，采用段址譯碼的方法讀出EPROM中不同段址處預先存放的數(shù)據(jù)，使D/A輸出不同幅值的正弦電壓信號，經(jīng)壓控電流源后產(chǎn)生幅值不同的恒流激勵信號。
b)電壓電流變換電路的實現(xiàn)優(yōu)選低噪聲、高開環(huán)增益運算放大器AD829作為恒流輸出放大器，并精密匹配外圍電阻，使匹配誤差小于0.01％；2.1.2信號檢測模塊的設計與實現(xiàn)(圖2中4)1)本模塊的主要功能因此為滿足高精度測量的需要，本模塊主要功能有如下三個a)高精度信號放大；b)動態(tài)范圍調(diào)整；c)高精度解調(diào)及數(shù)據(jù)采集；2)放大電路能滿足高精度、高共模抑制比要求的電壓放大器主要有兩類由三運放組成的同相并聯(lián)差動放大器(如圖5所示)和單片儀表放大器(Instrumentation Amplifier，IA)。
因此，選擇儀表放大器作為測量模塊的前置放大器，以高精度的為考慮的主要依據(jù)，選擇低噪聲、低失調(diào)及低失調(diào)漂移的AD624作為前置放大器。
3)動態(tài)范圍調(diào)整電路的設計與實現(xiàn)為了既能調(diào)整信號動態(tài)范圍，又不給信號附加相移，在進一步分析本模塊信號特點的基礎上，設計了結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示的信號檢測模塊。
設計原理及實現(xiàn)方法如下a)前置固定增益放大對測量電極上的信號，先進行固定增益高精度放大，放大器選用AD624，其內(nèi)部固定增益設為100，它對f＝47KHz的被測信號產(chǎn)生1.76μs的延遲。
b)帶通濾波及相移補償為補償前置放大器固定增益對信號產(chǎn)生的固定延遲，并進一步提高信噪比，在前置放大器后面設置了中心頻率為47KHz、Q＝4的二階無限增益帶通濾波器。利用該濾波器的移相特性，補償前置放大器對輸入信號的延遲。
c)同步解調(diào)濾波器輸出信號經(jīng)同步解調(diào)電路后，其輸出為直流信號。
d)直流程控增益放大對解調(diào)電路輸出的直流信號，采用直流程控增益放大器調(diào)整信號的動態(tài)范圍。對程控增益放大器的要求是單端輸入、低噪、低輸出漂移、低線性誤差及較高的直流精度。選用AD526 PGA，由程序依信號大小輸出不同的控制字，設置其增益為1、2、4、8或16，從而能將輸入信號的動態(tài)范圍從40dB降低到16dB。
這種電路結(jié)構(gòu)形式，既降低了信號動態(tài)范圍，又消除了放大器對信號相移的影響。實驗證明這是阻抗成像硬件系統(tǒng)中性能全面、精度較高的信號放大及處理模塊。其電路原理圖如圖8所示。
4)解調(diào)電路及數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)a)解調(diào)電路的實現(xiàn)表1 相移及解調(diào)脈寬不同時，采樣時刻與保持時刻的信號變化(mV)s(2Vp-p周期為21.3μs的正弦信號) 從圖9E，F(xiàn)及表1都可看出，解調(diào)輸出中的瞬變峰值與解調(diào)脈寬及信號的相移都有關(guān)系，相移在
區(qū)間上時，瞬變峰值隨相移增大而增大；相移一定時，瞬變峰值隨解調(diào)脈寬增大而增大。因此，除了采用上面的相移補償電路外，還應當選擇窄脈寬解調(diào)電路。選擇了AD模擬器件公司的高精度、高速度采樣保持器AD783。它的特性如下精度達到滿量程0.01％時捕捉時間為250ns，0.02μV/μS的低泄放率，孔徑抖動時間50ps，非線性誤差為滿量程的±0.005％，內(nèi)部設置保持電容。另外它還采用自校準專利工藝，以精確保持采保控制脈沖下降沿時刻的輸入信號值，并減小溫度對保持值的影響。解調(diào)控制脈沖由激勵源DDS電路中對輸出信號的峰值時刻同步譯碼、整形、脈寬微調(diào)及光耦隔離后得到，目前脈寬取600ns，解調(diào)輸出信號中的保持時刻到采樣時刻的瞬變峰值小于50mV。
b)數(shù)據(jù)采集方法解調(diào)出的直流信號經(jīng)直流程控增益放大器調(diào)整動態(tài)范圍后，由12位信號采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換。為防止A/D偶然將信號中的瞬變尖峰采集到，采用DMA外觸發(fā)方式，對信號進行精確定時同步采樣。圖9G為啟動A/D采樣的控制脈沖，它與解調(diào)控制脈沖間固定延遲為5μs，使A/D轉(zhuǎn)換始終在解調(diào)電路的保持穩(wěn)定期內(nèi)進行，有效避免了解調(diào)輸出中采樣、保持時刻的瞬變尖峰對轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響，提高了測量精度。
2.1.3激勵及測量模式設置模塊參見圖2中2(1)、2(2)。模塊主要實現(xiàn)如下兩個功能1)按需要的驅(qū)動模式將激勵信號加載到32個驅(qū)動電極中的一對電極上，見圖2中2(1)；2)按需要的測量模式將32個測量電極中的一對電極上的信號加載到信號放大電路的輸入端，見圖2中2(2)。
無論是激勵還是測量模式，該模塊加載的信號均為交流低電流(小于10mA)信號，因此考慮采用多路高速電子開關(guān)器件。選擇了MAXIM公司的MAX306 16選1 CMOS多路開關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。它作為DG406、DG407、DG506A和DG507A等16選1多路開關(guān)的升級產(chǎn)品，其導通電阻小于100Ω，通道間匹配誤差小于5Ω，通道串擾小于-92dB，COM端泄漏電流小于20nA，開關(guān)時間小于400nS。其性能滿足的設計要求。
圖11為設計的32選2任意測量模式設置模塊原理圖，利用MAX306的EN控制端，將兩片MAX306級聯(lián)，組成一個32選1的多路開關(guān)，如圖11中的SW1(1-16)和SW1(17-32)所示。兩組32選1的開關(guān)并聯(lián)便實現(xiàn)了32選2任意模式設置功能。驅(qū)動模式設置模塊的原理圖與圖11相似，它們間的區(qū)別是信號流程相反。
3、實時成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集接口要求及實現(xiàn)3.1概述申請人提出了一種通過編寫Windows95虛擬設備驅(qū)動程序(VirtualDevice Driver，VxD)完成對硬件操作的方法，從而解決了實時成像系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)采集的問題。
3.1.1基于32位Windows平臺的實時數(shù)據(jù)采集接口(圖2中5)在成像系統(tǒng)的ADC采用12位AC1220數(shù)據(jù)采集卡，采樣頻率200kHz。為滿足實時成像數(shù)據(jù)采集速度的要求，AD可以工作在中斷方式或DMA方式，但出于對系統(tǒng)并行化及可擴展性考慮，采用DMA方式進行數(shù)據(jù)采集。
盡管DMA控制器是PC的標準設備之一，32位的Windows也為其提供了虛擬設備驅(qū)動程序，但由于目前市場上絕大多數(shù)AD板都不是32位Windows的PnP(即插即用)器件，因而操作系統(tǒng)提供的DMA虛擬設備驅(qū)動程序并不能針對現(xiàn)有的AD板使用，而必須編寫自己的ADDMA虛擬設備驅(qū)動程序。
為AC1220編寫32位Windows虛擬設備驅(qū)動程序另一個技術(shù)障礙是DMA的內(nèi)存映射(Mapping)，也就是說為了完成直接內(nèi)存存取，需要在主內(nèi)存中保留一段物理地址上連續(xù)的內(nèi)存區(qū)，并將其地址寫入AD板上的地址寄存器，以便將采樣結(jié)果順序存入這段主內(nèi)存中，進而完成后續(xù)處理。由于應用程序能訪問的地址為線性地址，而硬件設備能識別的只能是物理地址，因而必須在申請內(nèi)存之后分別將物理地址和線性地址傳遞給AD板和應用程序。這里采用DDK提供的_PageAllocate功能調(diào)用(匯編或C格式)申請主內(nèi)存中一段物理地址連續(xù)的內(nèi)存區(qū)，并用_MapPhysToLinear調(diào)用(匯編格式)將物理地址轉(zhuǎn)換為線性地址，保存在回調(diào)函數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。由于AC1220地址寄存器只支持24位尋址——即最大物理地址為16M，因而在申請DMA映射區(qū)時必須將其限制在16M以下。
3.1.2 ADDMA.VxD描述虛擬設備驅(qū)動程序ADDMA.VxD提供了4個功能調(diào)用①DMA數(shù)據(jù)采樣；②AD狀態(tài)查詢；③DMA狀態(tài)查詢；④DMA緩沖區(qū)釋放。功能①主要完成申請DMA緩沖區(qū)、DMA控制器設置、AD端口設置等功能。DMA緩沖區(qū)為一連續(xù)內(nèi)存塊，在得到這一緩沖區(qū)的同時必須為VxD返回緩沖區(qū)的物理地址，為應用程序返回其線性地址，其中物理地址用于寫DMA控制器地址寄存器，線性地址用于讀取所采集數(shù)據(jù)。功能②及③主要控制DMA及AD的結(jié)束；功能④釋放DMA緩沖區(qū)。
虛擬設備驅(qū)動程序可以通過靜態(tài)加載，也可以通過Win95 SDK提供的CreateFile()函數(shù)動態(tài)加載。在實時成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用動態(tài)加載，VxD的各個功能調(diào)用通過DeviceIoControl()函數(shù)實現(xiàn)，有關(guān)CreateFile()和DeviceIoControl()兩函數(shù)的調(diào)用詳細介紹請參閱Microsoft提供的Win32SDK有關(guān)API文檔。
采樣參數(shù)通過如下結(jié)構(gòu)由應用程序傳遞給虛擬設備驅(qū)動程序typedef struct DmaParameters{USHORT uAdTime；//采樣間隔USHORT uAdLength；//采樣長度DWORD lpDmaAdr；//DMA緩沖區(qū)物理地址USHORT uAdChEnd；//AD結(jié)束通道號USHORT uDmaCh；//DMA通道號USHORT uTriger；//采樣啟動觸發(fā)標志}AdDmaIoP；具體調(diào)用過程的實現(xiàn)通過DeviceIoControl()函數(shù)完成。
源程序由 Masm6.11、Visual C++(5.0)、Win95 DDK共同編譯、鏈接生成VxD。
4、實時成像系統(tǒng)阻抗重構(gòu)成像算法由于從邊界電壓、電流關(guān)系計算目標電阻抗分布是一個典型的偏微分方程逆問題，采用解析法求解這一問題非常困難，在實際應用中阻抗重構(gòu)主要采用迭代和近似線性化方法，由于靜態(tài)的迭代算法(如N-R重構(gòu)算法)占用時間較長，目前不適合用于實時成像系統(tǒng)，因而的實時成像系統(tǒng)中，采用了動態(tài)的等位線反投影法。
等位線反投影法基于對所成像目標所作的如下假設①被成像目標阻抗分布為二維；②區(qū)域邊界為圓；③電極在邊界上為等間隔分布；④目標區(qū)域內(nèi)電阻抗分布的擾動與阻抗分布的絕對值相比很小，從而使邊界電壓的擾動與阻抗分布擾動成近似線性關(guān)系；等電位線阻抗成像實際上是對目標區(qū)域阻抗分布擾動的成像若在阻抗分布為σ(x，y)的目標區(qū)域周圍加載一組驅(qū)動電流，得到一組響應電壓為v0，阻抗分布發(fā)生一個較小變化(擾動)后，σ(x，y)→σ(x，y)+Δσ(x，y)，測得響應電壓為V1，將兩組電壓差規(guī)則化后進行反投影，即可得到阻抗分布的擾動。
4.1反投影等電位線法是一種近似線性化的阻抗重構(gòu)方法，其主要思想來源于早期的X線CT成像技術(shù)。每一對驅(qū)動電極加載驅(qū)動電流后在目標區(qū)域形成一個特定的電場分布，將兩驅(qū)動電極形成的這樣一個電場等效為一個電偶極子產(chǎn)生的電場，電偶極子位于兩電極中心，這樣由電偶極子到各測量電極存在一系列等電位線，相鄰等電位線之間的區(qū)域即為反投影區(qū)，將阻抗擾動前后測得的電壓差迭加到這個區(qū)域即可，將所有投影的電壓差反投影回對應投影區(qū)后，便得到了區(qū)域電阻抗分布的擾動(變化)。圖13描述了反投影過程。
反投影區(qū)的計算是一個電場計算的正向問題，采用有限元法(FiniteElement Method，F(xiàn)EM)計算電位分布，得到反投影區(qū)。
4.2加權(quán)電阻抗成像中由于測量和驅(qū)動都是在目標區(qū)域邊界進行，因而造成了得到的信息對邊界區(qū)域電阻抗變化敏感，而對中心區(qū)域的變化不敏感，這種差別會帶來成像中的誤差。為此在反投影時位于中心區(qū)域和邊緣區(qū)域的像素點應該有大小不同的權(quán)重。采用如下方法求取反投影的權(quán)值。
如圖14所示P為一像素，與圓心距離為d，與等效驅(qū)動電偶極子距離為r，則P點的權(quán)值為
w=1-d2r2]]>在實際成像中，先計算好各反投影區(qū)內(nèi)各像素或FEM單元的權(quán)值，在反投影時先將測得的電壓擾動與該像素或單元的權(quán)值相乘再反投影回該像素或單元。
4.3算法的程序?qū)崿F(xiàn)設計實現(xiàn)了成像系統(tǒng)軟件，該軟件基于32位的Windows(Windows95/Windows 98/Windows NT)平臺，編程采用Visual C++，代碼具有較好的可移植性和可擴展性。該系統(tǒng)使用方便靈活，從而為EIT系統(tǒng)實驗研究提供了一個很好的軟件環(huán)境。
5.工作過程5.1成像系統(tǒng)工作流程參見圖16，開機后，計算機開始運行圖像監(jiān)護軟件系統(tǒng)，此時安放電極系統(tǒng)，待系統(tǒng)初始化、定標后，就可以調(diào)用圖像監(jiān)護用戶界面，還可以選擇連續(xù)成像或單幀成像，進行文檔操作或管理；無論是選擇單幀成像還是選擇連續(xù)成像，計算機程序自動進行測量參考數(shù)據(jù)幀、測量成像數(shù)據(jù)幀、圖像重構(gòu)、圖像顯示、處理，直至成像完成。
5.2軟件系統(tǒng)基本功能參見圖17，頁面顯示的軟件系統(tǒng)基本功能包括程序流程、系統(tǒng)初始化、硬件系統(tǒng)檢測、軟件環(huán)境檢測、用戶界面、選擇成像模式、輸入相關(guān)信息、采集參考數(shù)據(jù)幀、采集成像數(shù)據(jù)幀、重構(gòu)圖像、圖像后處理、圖像顯示、打印、存儲、監(jiān)護狀態(tài)提示、報告等。
5.3硬件系統(tǒng)工作流程5.3.1初始化參見圖18，初始化的主要目的是進行電流設置、頻率設置、增益設置、DAQ設置、系統(tǒng)定標及其電極狀態(tài)檢測，完成上述各項后，即可開始測量。
5.3.2參考數(shù)據(jù)幀采集參見圖19，參考數(shù)據(jù)幀采集時，首先進行數(shù)據(jù)測量，進行驅(qū)動電極設置，經(jīng)延時后進行測量電極設置，再延時，隨后進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，若當前激勵下的測量結(jié)束，則返回，若繼續(xù)測量，返回至測量電極設置；回到驅(qū)動電極設置。
5.3.3成像數(shù)據(jù)幀采集參見圖20，成像數(shù)據(jù)幀采集流程與參考數(shù)據(jù)幀采集類似。
權(quán)利要求
1.一種用于床旁圖像監(jiān)護的電阻抗斷層成像方法，由整體的計算機控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和重構(gòu)圖像的算法，提供界面，控制圖像監(jiān)護的過程；其特征在于，至少包括以下步驟1)采用多對電極放在人體需要監(jiān)護的部位的外周，將激勵電流加到人體，并將人體的信號傳到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；2)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供交流恒流激勵、高精度信號檢測、驅(qū)動測量模式程控設置功能；3)根據(jù)采集到的電壓信號，由計算機內(nèi)設置的重構(gòu)圖像的算法計算體內(nèi)電阻率變化的分布，并顯示圖像。
2.如權(quán)利要求所述的用于床旁圖像監(jiān)護的電阻抗斷層成像方法，其特征在于，所述交流恒流激勵、高精度信號檢測、驅(qū)動測量模式程控設置功能分別為交流恒流激勵功能采用模擬振蕩、鎖相環(huán)及直接數(shù)字合成技術(shù)，包括產(chǎn)生頻率在50KHz左右的正弦信號并實現(xiàn)恒流輸出，和產(chǎn)生與激勵信號同步的解調(diào)控制信號及A/D轉(zhuǎn)換的啟動控制信號；高精度信號檢測功能包括高精度信號放大、動態(tài)范圍調(diào)整、高精度解調(diào)及數(shù)據(jù)采集；驅(qū)動及測量模式程控設置功能包括①按需要的驅(qū)動模式將激勵信號加載到多對電極中的一對驅(qū)動電極上；②按需要的測量模式將多對測量電極中的一對電極上的信號加載到信號放大電路的輸入端。
3.如權(quán)利要求所述的用于床旁圖像監(jiān)護的電阻抗斷層成像方法，其特征在于，所述重構(gòu)圖像的算法是采用動態(tài)的等位線反投影法，該等位線反投影法基于對所成像目標所作的如下假設①被成像目標阻抗分布為二維；②區(qū)域邊界為圓；③電極在邊界上為等間隔分布；④目標區(qū)域內(nèi)電阻抗分布的擾動與阻抗分布的絕對值相比很小，從而使邊界電壓的擾動與阻抗分布擾動成近似線性關(guān)系；等電位線阻抗成像實際上是對目標區(qū)域阻抗分布擾動的成像若在阻抗分布為σ(x，y)的目標區(qū)域周圍加載一組驅(qū)動電流，得到一組響應電壓為V0，阻抗分布發(fā)生一個較小變化(擾動)后，σ(x，y)→σ(x，y)+Δσ(x，y)，測得響應電壓為V1，將兩組電壓差規(guī)則化后進行反投影，即可得到阻抗分布的擾動。
4.一種用于床旁圖像監(jiān)護的電阻抗斷層成像裝置，包括一計算機，計算機和一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，其特征在于，計算機內(nèi)設置有控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序和重構(gòu)圖像的算法，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還設置將激勵電流加到人體采集人體的信號的電極的控制模塊；上述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括一激勵源模塊1，用于產(chǎn)生頻率在50KHz左右的正弦信號并實現(xiàn)恒流輸出，和產(chǎn)生與激勵信號同步的解調(diào)控制信號及A/D轉(zhuǎn)換的啟動控制信號；一信號檢測模塊4，用于信號放大、動態(tài)范圍調(diào)整、高精度解調(diào)及數(shù)據(jù)采集；一D/A轉(zhuǎn)換模塊5，用于D/A的選擇及波形發(fā)生電路的實現(xiàn)；一激勵模式設置模塊2(1)，用于按需要的驅(qū)動模式將激勵信號加載到多對驅(qū)動電極中的一對電極上；一測量模式設置模塊2(2)，用于按需要的測量模式將多對個測量電極中的一對電極上的信號加載到信號放大電路的輸入端。
5.如權(quán)利要求4所述的用于床旁圖像監(jiān)護的電阻抗斷層成像裝置，其特征在于，所述的多對電極為16對，共32個。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于床旁圖像監(jiān)護的電阻抗斷層成像方法及其裝置，由整體的計算機控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和重構(gòu)圖像的算法，提供界面，控制圖像監(jiān)護的過程；裝置包括一計算機，計算機和一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，計算機內(nèi)設置有控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序和重構(gòu)圖像的算法，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還設置將激勵電流加到人體采集人體的信號的電極的控制模塊；本發(fā)明的突出的特點是，1)采用多對電極放在人體需要監(jiān)護的部位的外周，將激勵電流加到人體，并將人體的信號傳到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；2)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供交流恒流激勵、高精度信號檢測、驅(qū)動測量模式程控設置功能；3)根據(jù)采集到的電壓信號，由計算機內(nèi)設置的重構(gòu)圖像的算法計算體內(nèi)電阻率變化的分布，并顯示圖像。
文檔編號A61B5/053GK1526358SQ03134598
公開日2004年9月8日 申請日期2003年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月23日
發(fā)明者董秀珍, 付峰, 尤富生, 劉銳崗, 史學濤 申請人:中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學