人体肺功能生物电阻抗成像技术
人体肺功能生物电阻抗成像技术
为精确求解正问题 ,对均匀剖分网格所生成的 一组解中 ,选择后验误差较大的单元进行再细分 。
5期
陈晓艳等 :人体肺功能生物电阻抗成像技术
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图 2 自适应多重网格剖分图 Fig. 2 Adaptive multigrid refinement
EIT 的图像重建过程 ,实质上是利用边界测量 数据求解物体内部电导率分布函数σ[15] 。求解过程
是灵敏度矩阵或雅克比矩阵的非线性算子的求逆过
பைடு நூலகம்
Abstract: A new image reconstructed algorithm was presented for the medical electrical impedance tomography (EIT) . First the adaptive multi2grid algorithm was employed by which the sequence of computational grids was successively refined through the posterior error and the adaptive grids refinement , the lung ventilation was imaged considering the field as circle. Then the sensitivity matrix was solved by commercial simulation software COMSOL considering the structure and resistivity of lung , the prior information was adopted to reconstruct the lung conductivity distribution. On the lung ventilation imaging system , two steps were available to reconstruct the functional respiration process image in real2time. The images indicated that a higher accuracy solution of the forward equation and the higher spatial resolution of images could be achieved.
eit电阻抗成像
eit电阻抗成像
EIT（Electric Impedance Tomography）电阻抗成像是一种无损检测技术，用于测量物体内部的电阻抗分布。
它基于在物体表面施加电流，并通过测量电流与电压之间的关系来推断物体内部的电阻抗分布。
EIT电阻抗成像的原理类似于医学影像学中的CT（Computed Tomography）成像技术。
但是，与CT不同的是，EIT技术使用电流替代了X射线，而且没有辐射危险。
EIT技术可以应用于许多领域，如医学、工业、环境和生物科学等领域。
在EIT电阻抗成像中，电极阵列被放置在物体表面，并通过电源施加电流。
电流在物体内部传播时，由于物体内部的电阻性质不同，电流的流动受到阻碍，导致电势差的变化。
这些电势差可以通过电极阵列上的电压传感器测量得到。
通过测量电压和电流之间的关系，可以推断出物体内部的电阻抗分布。
EIT电阻抗成像有许多应用，如医学成像、工业检测、环境监测等。
在医学领域中，EIT被广泛应用于肺部成像、脑部成像等领域。
在工业领域中，EIT可以用于检测管道中的流体、材料内部的裂纹等。
在环境监测中，EIT可以用于监测土壤的含水量、地下水的流动情况等。
总之，EIT电阻抗成像是一种非侵入式的无损检测技术，可以应用于许多领域，
具有广泛的应用前景。
eit原理电阻抗层析成像
eit原理电阻抗层析成像EIT（电阻抗层析成像）是一种无创成像技术，通过测量电流在物体中传播时所引起的电压变化，来重建物体内部的电阻分布情况。
它可以实时获取物体内部的电阻信息，从而在医疗诊断、工业检测以及环境监测等领域发挥重要作用。
下面将详细介绍EIT的原理。
EIT的原理基于电导率差异的存在。
物体中的各种组织和介质具有不同的电导率，例如人体中的肌肉、骨骼和脂肪组织。
深度不同的组织对电流的传播具有不同的阻碍作用，从而对应的电压变化也不同。
通过测量这些电压变化，可以反推出物体内部的电导率分布情况。
在EIT成像过程中，首先通过一组多个电极将电流注入物体。
电极位于物体表面，可以经过电导胶将其与物体电性连接。
然后，通过另一组电极，对电流进行监测，测量电流在物体中传输过程中的电压变化。
这组监测电极也位于物体表面，并且与物体电性接触良好。
测量的电压信号可以通过放大器进行放大和记录。
测量的电压信号可以通过数学模型进行处理和分析，从而推断物体内部的电导率分布。
常见的数学方法包括有限元法、解析法和统计法等。
在这些方法中，有限元法是最常用的方法。
它通过将物体划分为许多小的离散单元，建立电阻和电流之间的关系，并通过计算建立数值模型。
将实际测量的电压变化与数值模型的预测进行比较，可以得到物体内部的电导率分布情况。
EIT的成像过程需要解决的一个关键问题是“反问题”。
即如何根据物体表面的电压信号，推断出物体内部的电导率。
由于电极位于物体表面，只能通过表面电流和表面电压进行测量，而无法直接测量物体内部的电流和电压。
因此，需要先建立反问题的数学模型，并进行逆推。
EIT有广泛的应用。
在医学领域，EIT可以用于人体内部器官的成像，如肺部、脑部和乳房等。
通过监测电流在肺部或脑部中的传播，可以帮助医生诊断病情。
在工业领域，EIT可以用于传感器检测和质量控制等方面。
通过测量材料中的电导率变化，可以监测材料的变化和缺陷。
此外，EIT还可以应用于环境监测、地质勘探和非损伤检测等领域。
体验“人体成分分析仪”——生物电阻抗法
体验“人体成分分析仪”——生物电阻抗法生物电阻抗法(Bioelectrlcal Impedance Analysls)是一种通过电学方法测定人体水份的技术。
1、生物电阻抗法（BIA）基本原理人体的体液里有许多离子，因此人体的体液具有导电性。
将微弱的交流电流信号导入人体时，电流会在电阻小、传导性能较好的体液中传输。
在电学中，在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。
因此阻抗包括导体的电阻、电容的容抗和电感的感抗，简称电阻、容抗、感抗；其中容抗、感抗与所加的交流电频率有关，同样的电容、电感，交流电频率越高，容抗越小，而感抗越大；阻抗由电阻R、感抗X c和容抗X L三者组成，但不是三者简单相加，而是三者平方和的平方根。
阻抗常用Z表示，单位是“欧姆”。
体液是导电介质，因此人体相当于导体，具有电阻；细胞壁相当于电容，因为细胞内部和外部都是可以导电的体液，但被细胞壁隔开，因此具有电容效应；人体里面几乎不存在感抗。
如果将人体比作导体的话，那么人体中水分的多少，即反应人体电阻的大小；而容抗在大小则能反应细胞内外水分的比例。
人体总阻抗的大小是两者的平方和的平方根，但在固定频率测试中，人体的阻抗与电阻的相差不多，经常就用电阻R替代阻抗Z。
构成身体的人体成份可分为水(Body water)、蛋白质(Proteln)、体脂(Body Fat)、无机物(Mineral )四种。
这些成份在人体中虽然会因为性别与个人的不同存在着一些差异，但大致上为55:20:20:5的比例。
因此，在这些人体成份中，如果知道了人体水分含量和人体脂肪含量，就可以分别求出这四种成份各自的量。
人体的肌肉的主要成分是蛋白质和人体水份，它们之间存在着一定的比例关系，健康的肌肉是由约73%的水和27%的蛋白质组成。
人体中的无机物主要是人体骨骼的重量，骨的重量又与肌肉量有着密切的关系，即可以由身体水分含量求出蛋白质和无机物的含量。
因此，如果知道人体水分含量和脂肪含量，就可以分别确定人体四大成分并予以分类。
人体生物电阻抗的检测方法及其应用
人体生物电阻抗的检测方法及其应用1、引言在人体成分的研究中，测量人体生物电阻抗值可以得到水分、脂肪等与人体健康状况有关的信息，对人身体状况的监视、疾病的早期诊断有着重要的意义[1]。
人体组织的电阻抗特性比一般物体要复杂得多，最明显的特点是电阻抗的值会随着测量频率的变化而变化。
这是由于人体细胞内液体组织不是简单的表现为电阻的特性，细胞内水分与细胞膜的作用更多是以电容的特性存在。
图1 所示为人体皮肤电阻抗的等效电路模型[2]。
其中R1 为活性皮肤中的离子电阻；R2 是基于角质层中离子迁移率的电阻；CPE 是恒定相位角元件，RPOL、CPOL 为其两个参数，用来描述皮肤角质层中的介电弥散和损耗[3][4]。
图1 人体皮肤的等效电路模型该模型的总的导纳如（1）式所示：（1）其中：显然，CPE 环节的存在，使得人体的生物电阻抗原则上无法用简单的R、C 元件所组成的集总参数电路模型来描述。
传统的人体生物电阻抗检测采用单频法，即只在一个固定频率下，利用正弦波信号进行测量，一般只测量电阻抗的模，所以实现简单，很适合在便携仪器上推广。
但是，单频法无法将CPE 的影响表现出来，测量结果容易出现较大的误差。
为了能够更准确地得到人体生物电阻抗的信息，需要有一种可同时检测多个频率点电阻抗的方法。
脉冲式检测法是近几年发展起来的一种无损检测方法。
利用脉冲信号中所含有的多谐波频率成分，能够比正弦波信号激励提供更多的信息，并拥有更快的响应速度。
本文研制了一种以现场可编程门阵列（FPGA）为核心的脉冲式检测系统，利用该系统，对电阻抗的脉冲式检测方法的可行性进行了分析研究，在此基础上，对人体皮肤水分的脉冲式检测方法进行了实验分析。
2、电阻抗的脉冲式测量原理方波脉冲信号作为电阻抗测量的激励源，波形稳定，易于同数字电路结合实现，且具有较宽的频谱，在防止被测单元极化的同时，能够得到多频率点的信息。
图2 理想方波和实际方波的时域波形图3 理想方波和实际方波的频谱图图2、3 中的细实线为理想方波的时域波形及频谱，图2 中的粗实线、图3 中的虚线分别表示实际方波信号的时域波形及频谱。
生物电阻抗法测量原理
生物电阻抗法测量原理生物电阻抗法（Bioimpedance Analysis, BIA）是一种常用于测量人体组织中电流通过程度的方法，通过测量电阻和导电率的变化，可以获取到人体组织的生物电阻抗参数。
本文将介绍生物电阻抗法的测量原理及其应用。
一、生物电阻抗法的原理生物电阻抗法基于组织的生物电导，通过测量在人体组织中通过的微弱电流，来估计组织的电阻和导电率。
这些参数能够提供有关身体组织的生理和病理状态的信息。
1. 电流路径生物电阻抗法通过在人体中通入微弱电流来测量电阻和导电率，常用的电极位置包括手腕、脚踝、手指和脚趾。
电流的路径通常是通过身体的一侧，并沿一个称为“截面”的平面穿过身体，然后离开身体的另一侧。
2. 电极选择在生物电阻抗法中，电极的选择对测量结果至关重要。
电极应该能够与皮肤充分接触，并能稳定地传递电流。
通常使用的电极为粘贴式电极，选择良好的电极能够减小电流通过过程中的电极接触阻抗，提高测量的精确性。
3. 测量方法常用的生物电阻抗测量方法有两种：一种是多频段测量法，通过在不同频率下测量电阻和阻抗，来分析身体组织的特性；另一种是单频段测量法，只在一个频率下进行测量。
不同的方法有不同的适用范围和测量精度。
二、生物电阻抗法的应用生物电阻抗法具有非侵入性、简单易行、快速、经济等特点，广泛应用于医学领域、健康管理和运动康复等方面。
1. 医学领域生物电阻抗法在医学领域有着广泛的应用，特别是在脏器功能评估和疾病诊断方面。
通过对人体的生物电阻抗测量，可以判断体内的细胞、组织和器官的状态，提供临床医生进行疾病诊断和治疗的参考依据。
2. 健康管理生物电阻抗法在健康管理中也扮演着重要的角色。
通过测量人体的身体成分，如肌肉量、脂肪含量、水分百分比等，可以评估身体的健康状况，并提供制定合理的饮食和锻炼计划的依据。
3. 运动康复在运动康复中，生物电阻抗法可用于追踪患者的肌肉质量和水分状况的变化。
通过定期测量，可以评估康复效果，并根据测量结果进行调整和优化康复计划，帮助患者尽快恢复运动能力。
电阻抗断层成像技术在呼吸系统肺功能成像中的应用
•综述•电阻抗断层成像技术在呼吸系统肺功能 成像中的应用刘孟春 邢金燕DOI ：10.3877/ cma.j.issn.2096-1537.2019.04.015作者单位：266000 青岛大学附属医院重症医学科通信作者：邢金燕，Email ：xingjy-1@【摘要】 电阻抗断层成像技术（EIT ）作为一项新兴的功能性成像技术，具有无损伤、便携、图像监护等突出特点。
其中肺功能成像为目前EIT 最主要的应用领域，可以实现肺通气及血流灌注的实时动态监测。
本文介绍肺EIT 在呼吸系统常见疾病如急性呼吸窘迫综合征、慢性阻塞性肺疾病、肺栓塞等疾病中的基础及临床研究进展，为未来EIT 技术的进步及临床应用提供帮助。
【关键词】 电阻抗断层成像； 肺功能成像； 急性呼吸窘迫综合征Electrical impedance tomography in lung imaging of the respiratory system Liu Mengchun, Xing Jinyan. Department of Intensive Care Unit, Affiliated Hospital of Qingdao University, Qingdao 266000, China Corresponding author: Xing Jinyan, Email: xingjy-1@【Abstract 】 Electrical impedance tomography (EIT) is a new functional imaging technology, with the outstanding advantages of noninvasiveness, portability, and medical image monitoring. The functional lung imaging is the main application field of EIT, which can achieve real-time dynamic data of pulmonary ventilation and perfusion. This paper reviews some progresses of its fundamental research and clinical application in the common diseases of respiratory system such as acute respiratory distress syndrome, chronic obstructive pulmonary disease, pulmonary embolism, to offer support for the technological progress and clinical application of EIT in the future.【Key words 】 Electrical impedance tomography; Functional lung imaging; Acute respiratory distress syndrome电阻抗断层成像技术（electrical impedancetomography ，EIT ）是利用生物组织的电特性，通过配置于生物体表面的电极阵列，施加安全的激励电流，测量其边界电压，经图像重构得到生物体内电阻率分布及变化的图像。
生物医学工程中的生物阻抗技术
生物医学工程中的生物阻抗技术生物医学工程是一门致力于通过技术手段改善人类生命质量的学科。
其中，生物阻抗技术是一种能够测量生物体内电阻抗的技术。
应用范围广泛，可以诊断心律失常、肺部疾病、水肿等多种疾病，还可以用来评估身体健康状况、监测药物疗效和预防疾病发生。
本文将就生物阻抗技术在生物医学工程中的应用进行探讨。
一、生物阻抗技术的原理和优势生物阻抗技术是指通过电流在生物体内的传输而测量体内电阻抗的技术。
它的原理是利用人体组织的导电性不同，通过输入一定频率、幅度的电流，并测量电压之间的相位差和幅值差，从而计算出生物体内的电阻抗值。
生物阻抗技术的优势在于：无创、快速、准确、安全、非放射性、低成本等，可以用于大量的临床和科研应用。
二、生物阻抗技术在心律失常诊断中的应用心律失常是一种常见的心脏疾病，通常需要通过心电图等检查来确定是否存在。
而生物阻抗技术可以通过测量人体的电阻抗值来评估心脏的电生理状态，可以更精确地检测心脏的电生理异常。
同时，生物阻抗技术可以实时监测心律失常发生的情况，可以作为治疗策略优化的依据，提高治疗效果。
三、生物阻抗技术在肺部疾病诊断中的应用肺部疾病是人类健康面临的重要问题之一。
利用生物阻抗技术可以监测人体的呼吸运动和肺部的通气情况，可以确定肺部疾病的类型和程度。
例如，肺气肿和哮喘患者的肺功能下降，其肺部通气能力也会降低，生物阻抗技术可以准确地评估肺部通气能力，为治疗提供依据。
四、生物阻抗技术在水肿评估中的应用水肿是许多疾病的症状之一，包括心脏、肝脏、肾脏等多种疾病。
水肿的存在对于疾病的诊断和治疗有很大的影响，而生物阻抗技术可以测量人体组织的电阻抗，可以排除其他原因导致的水肿，准确评估水肿的程度和可能的原因。
五、生物阻抗技术在药物疗效监测和预防中的应用生物阻抗技术还可以用于药物疗效监测和预防。
在生物医学工程中，许多药物疗效与电阻抗值之间存在一定的关联性，可以利用生物阻抗技术来评估药物的疗效和副作用。
人体生物电阻抗测量原理
人体生物电阻抗测量原理
人体生物电阻抗测量原理
人体生物电阻抗测量(BIA)，是一种利用人体组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术。
它通常是借助置于体表的电极系统向人体送入一微小的交流测量信号，检测相应的电阻抗及其变化，然后根据不同的应用目的，获取相关的生理和病理信息。
它具有无创、无害，廉价、操作简单和功能信息丰富等特点。
以电阻抗断层成像技术(E T)为发展方向的新一代生物阻抗技术正吸引着越来越多的研究者。
人体组织的电阻抗特性比一般物体要复杂得多，最明显的特点是电阻抗的值会随着测量频率的变化而变化。
这是由于人体细胞内液体组织不是简单的表现为电阻，而是融合电阻、电容等复杂特性的网络。
传统的人体生物电阻抗检测采用单频法，即只在一个固定频率下，利用正弦波信号进行测量，一般只测量电阻抗的模，实现简单，单频法测量结果容易出现较大的误差。
为了能够更准确地得到人体生物电阻抗的信息，同时检测多个频率点电阻抗是最佳方式，但这种方式一般都用在专业检测仪器上。
日本公司百利达在家用最高端产品上采用了双频测量技术，售价超过千元。
但市场上还有一些滥竽充数的产品，采用二电极直流测量或者假四电极直流测量。
二电极和四电极消费者都很容易判断，直接看秤面是四个金属片还是两个金属片。
假四电极直流测量的一般消费者很难判断，这里小编介绍几个简单的方法，如果每隔几分钟测量一次，测量结果误差很大；或者脚底干或者湿测量差别大；或者脚放在左右各一个电极上（一般都是靠近上边的左右两个）也能测试出结果。
EIT技术的应用领域及研究现状
EIT技术的应用领域及研究现状EIT（Electrical Impedance Tomography，电阻抗断层成像技术）是一种无创、无辐射的医学成像技术，广泛应用于医学诊断、生物学研究、材料检测等领域。
EIT通过测量电流注入对象并测量电压响应来推导出对象内部的电阻抗分布，从而获得对象内部的电阻抗图像。
在医学诊断方面，EIT技术可以用于肺部图像重建，可以监测呼吸机患者的气体分布情况，并可以诊断肺炎、肺水肿等肺部疾病。
此外，EIT还可以用于心脏电阻抗成骑及脑电阻抗成像，可以通过监测心脏和脑部电阻抗变化来诊断心脏疾病和脑部疾病。
在生物学研究中，EIT可以用于研究动植物器官的生理活动，如观察植物根系的水分吸收情况、监测动物心脏的电阻抗变化等。
此外，EIT还可以用于研究细胞培养中的生长和变化情况，对于细胞生物学研究具有重要意义。
在材料检测中，EIT可以用于检测材料中的缺陷、裂纹和内部结构等。
利用EIT技术可以对材料进行非破坏性检测，并能够检测出微小的结构变化，对于材料科学研究和工业生产具有重要意义。
目前，EIT技术在医学、生物学和材料检测等领域的应用研究已经取得了一些进展。
在医学领域，EIT技术已经应用于肺部图像重建和心脏电阻抗成像等方面，并在一些临床中得到了初步的验证。
在生物学研究领域，EIT技术已经被用于观察植物的根系水分吸收、动物心脏电阻抗成像等方面，并且对细胞生长和变化的研究也取得了一些成果。
在材料检测领域，EIT技术已经被应用于金属材料、陶瓷材料以及复合材料等的检测中，并且有相关的商业产品问世。
尽管EIT技术在上述领域有一定的应用，但还存在许多挑战和问题需要克服。
首先，EIT技术的成像分辨率还有待提高，特别是对于复杂的生物组织和材料结构，如肺部和大脑等。
其次，EIT技术需要解决电流注入和电极位置对成像结果的影响问题，以提高成像精度和可重复性。
此外，EIT技术在临床应用中还需要进一步的验证和严格的临床试验，以确保其安全性和准确性。
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为精确求解正问题 ,对均匀剖分网格所生成的 一组解中 ,选择后验误差较大的单元进行再细分 。
格法的混合算法 ,提高了正问题解的精确度及计算 效率 。
图 1 V 循环多重网格 Fig. 1 V cycle multigrid algorithm
基于自适应的多重网格法剖分 ,在第三次加密 剖分 时 得 到 957 个 节 点 和 1868 个 单 元 , 如 图 2 所示 。 112 正则化的高斯2牛顿法
Key words :medical electrical impedance tomography ( EIT) ; inverse problem ; image reconstruct ; lung functional imaging ; prior information 中图分类号 R318 文献标识码 A 文章编号 025828021 (2008) 0520663206
收稿日期 : 2008201220 , 修回日期 : 2008206220 。 基金项目 : (国家自然科学基金重点项目 (50337020) ;国家科技支撑计划 (2006BAI03A00) 。 3 通讯作者 。 E2mail : hxwang @tju. edu. cn
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中 国 生 物 医 学 工 程 学 报
9< 9 n+
-
9< 9 n-
ds
k = 1 ,2 , …, m
(2)
式中 , n 是内部单元边界法线方向 。
将
ξ k
与λk
的线性组合作为最终后验误差估计
算子 ,确定需要进一步细分的区域。无论是均匀网
格剖分还是自适应网格细分 ,均需要求解离散化后
的大型线性代数方程组 ,即
Ax = b
(3)
式中 , A 为线性化系统矩阵 (Jacobian 矩阵) ,即灵敏
程 ,由于其病态性 ,边界电压的微小扰动将导致解产 生很大改变 ,使重建图像严重失真 ,通常采取正则化 处理以减少矩阵的病态性 。
正则化高斯2牛顿算法是 EIT 图像重建问题的 一种迭代算法[16] 。利用自适应多重网格的正则化 , 高斯2牛顿法进行了人体肺呼吸过程的图像重建 。 该算法根据下式获得电阻率的分布 ρ,使 ψ(ρ) 最 小 ,有
电阻抗图像重构即为逆问题求解 。本研究在研 究了 EIT 技术正问题和逆问题[10] 的基础上 ,提出改 进重建图像质量的方法 :
(1) 自适应多重网格法 ,即在正问题求解过程 中 ,根据后验误差的估计 ,利用自适应网格剖分信息 加速线性方程组的求解 ,提高成像过程的收敛性和 鲁棒性 ;
(2) 充分挖掘并融合先验知识 ,利用 COMSOL 软 件求解雅克比矩阵 ,并采用改进的共轭梯度法重建 场域内部电阻率分布 。人体肺呼吸过程的实验结果 表明 ,通过精确求解正问题 ,可实现呼吸过程的实时 功能性成像 ,改善图像质量 。
[
J
T i
(
U
-
U (ρi ) )
- α2 L T L (ρi - ρ3 ) ]
(5)
Δ
∫ Rk = | r | 2 dΩ k = 1 ,2 , …, m
(6)
基于电阻率梯度的自适应网格剖分算法重构场
域内部电阻率分布的过程分为两步 :第一步 , 以每 个单元的中点电导率近似对应网格单元的电阻率 ; 第二步 ,利关[5] 。通常 ,肺内空气量同局部胸部 阻抗有良好的线性关系 ,而且正常个体和肺部疾病 患者的阻抗图有显著差异 ,用 E1T 可以检测出肺部 组织液体异常变化的肺部病变[6] 。研究结果[729] 表 明 ,EIT 技术作为 CT 和 MRI 影像方法的补充手段 , 对连续监护和肺部疾病普查是一种有效的监测技 术 。但是 ,EIT 成像的分辨率和图像质量仍是学者 们研究的热点 。
引言
电阻抗层析成像技术 ( EIT) 通过配置于人体体 表的一组阵列电极 ,施加一定频率的低幅值交变电 流或电压激励 (安全电流小于 5mA) ,并通过扫描阵 列电极获取一组电压数据 ,提取与人体生理 、病理状 态相关的组织或器官的电特性 (阻抗 、导纳 、介电常 数等) 信息 ,经数据采集单元并行处理后送至重构计
1 (天津大学电气与自动化工程学院 ,天津 300072)
2 (天津科技大学电子信息与自动化学院 ,天津 300222)
摘 要 : 研究的目的在于改进生物电阻抗 ( EIT) 重建图像质量方法 。首先 ,采用自适应多重网格法 ,依据后验误差 的估计 ,基于自适应网格剖分加速线性方程组的求解 ,并根据多重网格算法细分相关场域 ,获得圆形场域的人体呼 吸过程图像 ;然后 ,研究结合先验知识的图像重建算法 ,根据肺部组织结构及阻抗特性 ,采用有限元仿真软件 COMSOL 求解正问题 ,获取融合先验知识的灵敏度系数矩阵 。人体肺呼吸功能实时成像结果表明 ,即使采用较少的 网格单元 ,仍可获得较高精度的正问题解 ,具有较高的图像质量 。
1 ( School of Electrical and Engineering &Automation , Tianjin University , Tianjin 300072) 2 ( School of Electrical Information and Automation , Tianjin University of Science and Technology , Tianjin 300222)
27 卷 5 期 2008 年 10 月
中 国 生 物 医 学 工 程 学 报 Chinese Journal of Biomedical Engineering
Vol. 27 No. 5 October 2008
人体肺功能生物电阻抗成像技术
陈晓艳1 ,2 王化祥1 3 石小累1 范文茹1
算机 ,运用求解被测物场电磁逆问题的图像重建算 法 ,在屏幕上再现被测组织或器官的断层二维Π三维 分布图像[1 - 3] 。
目前 ,EIT 技术用于呼吸系统的基础临床研究 主要包括两方面 :一方面是肺部充盈障碍 ,如肺气阻 的检测研究 ;另一方面是肺血管床病变 ,如肺气肿和 肺动脉高血压的 EIT 诊断的可行性研究[4] 。由于肺 组织膨胀和收缩时阻抗变化大 ,肺吸入空气量同阻
最后 ,基于式 (6) 可得电阻率梯度的估计值 ,由 此决定被细分的场域范围 。
2 基于先验知识的图像重建
显然 ,先验知识的引入将有利于提高系统的稳 定性和适定性 。当正则化矩阵取不同的差分算子矩
阵时 ,其引入的先验知识不同 。L = I 减小病态问 题的条件数 ,提高系统适定性 ;当 L = D1 , L = D2 时 ( D1 和 D2 分别为一阶和二阶差分算子矩阵) ,在减 少问题的病态性同时 ,引入了不同程度解的平滑特 性作为先验知识[17] 。EIT 系统应用到医学成像领 域 ,引入内部物体特性的先验知识主要包括内部组 织的结构特性以及该组织的电导率信息 。 211 基于 COMSOL 的自适应剖分
5期
陈晓艳等 :人体肺功能生物电阻抗成像技术
665
图 2 自适应多重网格剖分图 Fig. 2 Adaptive multigrid refinement
EIT 的图像重建过程 ,实质上是利用边界测量 数据求解物体内部电导率分布函数σ[15] 。求解过程
是灵敏度矩阵或雅克比矩阵的非线性算子的求逆过
关键词 : 生物电阻抗成像 ; 肺功能成像 ; 图像重建 ; 多重网格法 ; 先验知识
Lung Functional Imaging Based on Medical Electrical Impedance Tomography
CHEN Xiao2Yan1 ,2 WANG Hua2Xiang1 3 SHI Xiao2Lei1 FAN Wen2Ru1
1 自适应多重网格法
结合自适应网格图像重建算法 ,可得到高分辨 率的重建图像 。根据区域的几何形状 、边界条件 ,选 择初始网格 ,求解正问题 ,分析运算误差 。误差大于 预设值 ,则进一步优化网格 ,求解逆问题 ,获得重建 图像 。然后 ,细分阻抗值梯度变化大的区域 ,重复上 述过程 ,直至获得满意的重建图像[11] 。国外学者对 网格的剖分方法进行了深入研究 ,如 Molinari 在正 问题和逆问题中采用自适应网格算法[12] , Soleimani and Powell 采用了代数多重网格法来提高正问题解 的精度[13] 。理论研究表明 ,当有限元网格逐渐加密 时 ,有限元的解可收敛到原连续方程的准确解 ,但是 网格的加密导致计算负荷的急剧增加 。本研究结合 自适应网格法和多重网格法 ,在正问题求解过程中 , 参考后验误差的估计值 ,有选择地加密剖分有限元 网格 ,减少雅克比矩阵的计算复杂度 ,节约内存空 间 ,直至满足预设精度要求 。 111 正问题中的自适应多重网格法
度系数矩阵 ; b 为测量数据 ; x 为内部场域的电学特
性变化值 。
图 1 所示为 V 循环多重网格法 ,残差 r = b - Ax 被用于网格剖分 ,同时通过简单循环迭代求解 ,计算 修正值 。用插值方式将修正值插入粗网格的细分计
算中 ,当达到最大剖分倍数时 ,根据 x + d x →x ,向 量解 x 被 x + d x 替代 ,直到残差满足 ‖r ‖≤ε,其 中ε为设定误差限 。结合自适应网格法和多重网
Abstract: A new image reconstructed algorithm was presented for the medical electrical impedance tomography (EIT) . First the adaptive multi2grid algorithm was employed by which the sequence of computational grids was successively refined through the posterior error and the adaptive grids refinement , the lung ventilation was imaged considering the field as circle. Then the sensitivity matrix was solved by commercial simulation software COMSOL considering the structure and resistivity of lung , the prior information was adopted to reconstruct the lung conductivity distribution. On the lung ventilation imaging system , two steps were available to reconstruct the functional respiration process image in real2time. The images indicated that a higher accuracy solution of the forward equation and the higher spatial resolution of images could be achieved.