一种电阻抗分辨多目标的成像方法与流程

【技术领域】

本发明属于电阻抗断层成像(electricalimpedancetomography，eit)领域，特别涉及一种电阻抗分辨多目标的成像方法。

背景技术：

电阻抗断层成像技术(electricalimpedancetomography，eit)通过安装在物体表面的电极对物体有规律地施加激励，若物体内部存在阻抗变化，则会引起表面测量电极电位的变化，基于测量电极电位变化，结合相应重建算法可以获得物体内部阻抗变化图像。中国专利申请(专利号：zl99115885.5)，公开了名称为一种电阻抗断层成像方法，对eit成像技术方案进行了详细披露。

eit技术的特点在于时间分辨率好，但是空间分辨率较低。当成像目标数目多于一个时，常存在弱目标受到强目标干扰而被掩盖，图像不能正确反映多个目标的问题。具体表现为两个方面：靠近电极的目标常常掩盖中心处的目标，空间临近的目标重建后可能仅能反应变化较大的目标(如图1和图2所示)。对于前者，eit技术中不论是临向激励还是对向激励，所测场域内部电流分布都不均匀，且越靠近场域内部电流密度越小。故在相同阻抗变化条件下，相比靠近中心的目标，靠近激励电极的目标引起的边界电位变化大，重建后目标色阶强，可能掩盖靠近中心位置的弱目标。对于后者，eit成像中目标会产生失真，产生扩散伪影。当成像目标空间临近时，强目标周围的扩散伪影会对弱目标产生影响，当扩散伪影的幅值强于临近目标时，弱目标可能会被掩盖。

基于上述分析，在多目标成像中，需要进一步改善eit对成像目标的分辨能力。

技术实现要素：

针对电阻抗多目标成像中，强目标会对弱目标产生干扰，导致eit对多目标分辨能力不足的问题，本发明的目的在于提供一种电阻抗分辨多目标的成像方法，该方法通过分步重建的方式来减小重建过程中强目标对弱目标的干扰，提高多目标重建图像的可靠性。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术解决方案：

一种电阻抗分辨多目标的成像方法，包括如下步骤：

步骤一，进行初始图像的重建，得到初始重建图像，再根据初始重建图像，设置探测基准；

步骤二，再进行图像的重建，得到重建图像，提取重建图像中感兴趣区域，重建图像中感兴趣区域为当前重建图像中的强目标；

步骤三，将步骤二得到的强目标与步骤一设置的探测基准进行对比，若比较结果为需要继续进行图像的重建，则保存重建图像并削弱重建图像中强目标对弱目标的掩盖，再将已削弱强目标对弱目标掩盖的重建图像重复进行步骤二至步骤三；

若比较结果为不需要继续进行图像的重建，则进行步骤四；

步骤四，通过将步骤三中保存的重建图像叠加到一幅图像中，形成最终图像。

步骤一中，通过基于阻尼最小二乘算法计算初始阻抗分布ρ⁰，ρ⁰＝(j^tj+λw^tw)^-1j^tf⁰，ρ⁰对应的图像为初始重建图像，j为敏感系数矩阵，w＝diag(j)为正则化矩阵，λ为正则化参数，f⁰为初始重建数据为。

步骤二中，进行图像的重建时，重建阻抗分布为ρⁿ，ρⁿ＝(j^tj+λw^tw)^-1j^tfⁿn＝1,2,3…，其中，fⁿ为当前重建数据，n＝1,2,3...为重建次数，ρⁿ对应的图像为每次图像重建对应的重建图像；基于重建结果ρⁿ，提取重建图像中感兴趣区域

步骤三中，削弱重建图像中强目标对弱目标的掩盖的过程如下：

基于步骤二中提取的强目标进行正向计算，得到强目标对应的数据从当前重建数据fⁿ中减去强目标对应的数据得到用于下一次重建的重建数据fⁿ⁺¹，

设置探测基准过程如下：

将初始重建图像中超过0.5倍ρ⁰最大值的区域划为感兴趣区域设探测基准为κn，其中，α为系数，表示感兴趣区域阻抗变化的均值。

步骤三中，将步骤二得到的强目标与步骤一设置的探测基准进行对比，其过程如下：

若强目标大于等于探测基准κn，则比较结果为需要继续进行图像的重建；

若强目标小于探测基准κn，则比较结果为不需要继续进行图像的重建。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的电阻抗分辨多目标的成像方法中，设置了探测基准，在进行图像的重建时，提取重建图像中感兴趣区域，重建图像中感兴趣区域为当前重建图像中的强目标，将提取的重建图像中感兴趣区域与探测基准进行对比，若比较结果为需要继续进行图像的重建，则保存重建图像并削弱重建图像中强目标对弱目标的掩盖，再将已削弱强目标对弱目标掩盖的重建图像重复进行图像重建，最后将保存的重建图像叠加到一幅图像中，形成了最终图像；因而本发明所提出的成像方法能够减小每次图像的重建过程中强目标对弱目标的干扰，准确地重建出测量数据中包含的多目标信息，提高了多目标重建图像的可靠性。该方法的关键点为：根据重建图像，可以掌握重建出的目标信息，而这些目标相对于被掩盖的目标阻抗变化较大，故可称为强目标。通过削弱重建图像中强目标对弱目标的掩盖，那么再使用更新得到的数据进行重建，弱目标就不会再受到强目标的干扰而不能正确重建。按照上述方法循环重建，即可以分步获取不同强弱等级的目标。因此，本发明克服了现有技术中弱目标可能受到强目标的掩盖而不能在图像中正确显示，而使得eit使用者对探测目标个数误判的缺陷。

进一步的，因为边界测量数据是由多个目标阻抗变化引起的，若这些目标之间相互独立，那么由eit的正向计算公式f＝jρ可以知道边界测量数据看成多个目标对应边界电位的叠加。基于此，在多目标成像中，我们首先计算出强目标对应的边界电位变化，然后将其从原来的数据中剔除，那么再使用更新得到的数据进行重建，弱目标就不会再受到强目标的干扰而不能正确重建。

【附图说明】

图1是现有技术中多目标重建中强目标对弱目标的干扰(靠近外周的目标重建后掩盖中心目标)示意图。

图2是现有技术中多目标重建中强目标对弱目标的干扰(临近目标重建强目标掩盖弱目标)示意图。

图3是本发明的方法流程图。

图4是传统算法多目标成像实施例1的重建效果图。

图5是传统算法多目标成像实施例2的重建效果图。

图6是传统算法多目标成像实施例3的重建效果图。

图7是传统算法多目标成像实施例4的重建效果图。

图8是本发明分步重建算法多目标成像仿真实施例1.0的重建效果图。

图9是本发明分步重建算法多目标成像仿真实施例2.0的重建效果图。

图10是本发明分步重建算法多目标成像仿真实施例3.0的重建效果图。

图11是本发明分步重建算法多目标成像仿真实施例4.0的重建效果图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例来对本发明作进一步的说明。

如图3所示，本发明电阻抗分辨多目标的成像方法采取如下技术方案：

步骤(1)，根据初始重建图像，设置本文算法探测基准：

设初始重建数据为f⁰，基于阻尼最小二乘算法计算初始阻抗分布ρ⁰，ρ⁰＝(j^tj+λw^tw)^-1j^tf⁰，ρ⁰对应的图像即为初始重建图像，j为敏感系数矩阵，w＝diag(j)为正则化矩阵，λ为正则化参数。将初始重建图像中超过0.5倍ρ⁰最大值的区域划为感兴趣区然后，设置探测基准为κn，其中α为系数，表示感兴趣区域阻抗变化的均值。在本文的实施例当中，依据经验，选取α＝0.1；

(2)循环重建，分步将目标图像重建出来：

设当前重建数据为fⁿ，n＝1,2,3...为重建次数。利用fⁿ进行图像重建，重建结果为ρⁿ＝(j^tj+λw^tw)^-1j^tfⁿn＝1,2,3...。基于重建结果ρⁿ，提取重建图像中感兴趣区域感兴趣区域即为当前重建图像中的强目标。

通过感兴趣区域与探测基准κn判断是否循环重建图像：

将强目标与探测基准κn进行对比，若强目标大于等于κn，则比较结果为需要继续进行图像的重建，那么保存重建图像并削弱重建图像中强目标对弱目标的掩盖，削弱重建图像中强目标对弱目标的掩盖的过程为：基于提取的强目标进行正向计算，得到强目标对应的数据从当前重建数据fⁿ中减去强目标对应的数据更新得到用于下一次重建的数据fⁿ⁺¹，剔除强目标之后，基于下一次重建的数据fⁿ⁺¹重建被掩盖的弱目标，然后再对数据fⁿ⁺¹进行循环重建；

若强目标小于κn，则认为数据中不再包含目标，比较结果为不需要继续进行图像的重建，则进行步骤(3)；

步骤(3)，获得最终图像：

将步骤(2)中循环重建中保存的重建图像叠加到一幅图像中，形成最终图像。

实施例

结合图3，本实施例给出一种电阻抗多目标分辨的成像方法，该方法的核心是将重建出的强目标从原来数据中剔除，以此削弱其对弱目标的影响来凸显弱目标，按照上述方法循环重建可分次得到多个目标，最终将多个目标叠加到一幅图像中显示，该方法可以改善电阻抗多目标成像的图像质量与可靠性。

在仿真实施例中，按照如下步骤实施：

(1)建立圆域仿真模型，基于vs2010平台对圆域进行有限元剖分，得到电阻抗成像仿真模型，模型中所含剖分单元个数为512，背景电阻率为1ω·m。

(2)目标设置，生成测试数据，为了较好的测试算法性能，本实施例选取了4种具有代表性的测试目标，如图4至图7中左侧的预设目标；图4至图7中，测试目标中的斜线方向代表阻抗变化的方向，其中，斜线从左向右下斜表示阻抗降低，上斜表示阻抗升高。

(3)计算重构矩阵：根据重建模型可以计算出敏感系数矩阵j，然后计算重建矩阵：(j^tj+λw^tw)^-1j^t其中w＝diag(j)，λ＝0.001。将计算结果存储于计算机内存，后续的循环重建中只需从内存中读取，不需重复计算。

(4)使用传统重建方法对(2)中生成的测试数据进行图像重构，重构公式为ρ＝(j^tj+λw^tw)^-1j^tf，重建结果如图4到图7中右侧的重建后的结果所示。

(5)使用本文所提方法对(2)中测试目标进行重建，重建结果如图8到图11所示，图8至图11中，测试目标中的斜线方向代表的阻抗变化方向，其中，斜线从左向右下斜表示阻抗降低，上斜表示阻抗升高。

如图4至图11所示，是原来算法与本发明重建算法多目标成像仿真实施例的重建效果对比图：

实施例1.0

本实施例中，背景电阻率为1ω·m，目标电阻率为0.8ω·m；

实施例2.0

本实施例中，背景电阻率为1ω·m，左侧目标电阻率为0.6ω·m，右侧目标电阻率为1.2ω·m；

实施例3.0

本实施例中，背景电阻率为1ω·m，上侧左目标电阻率为0.6ω·m，上侧右目标电阻率为1.2ω·m，下侧目标电阻率为0.8ω·m；

实施例4.0

本实施例中，背景电阻率为1ω·m，所有目标电阻率为0.8ω·m；

由图4至图11看出，通过本发明的分步重建的方式能够减小重建过程中强目标对弱目标的干扰，提高了多目标重建图像的可靠性；

当靠近边界与靠近中心目标同时存在时，能够提高eit分辨靠近中心目标的能力；当多目标空间临近时，能够提高eit分辨较弱目标的能力。

需要说明的是，以上的实施例仅用于本领域的技术人员进一步理解本发明，本发明并不限于该实施例，凡是由本领域技术人员根据发明的技术方案做出的等效替换和增加，同样属于本发明保护的范围。