构造肿瘤拟合曲面的方法、电阻抗成像逆问题求解方法、检测系统

本发明属于医学成像这一，具体涉及构造肿瘤拟合曲面的方法、电阻抗成像逆问题求解方法、检测系统。

背景技术：

1、电阻抗检测技术是(eit)一种便携、无创、无辐射的检测技术，可以用于乳腺癌检测。但目前电阻抗检测技术的精度仍严重受限于逆问题的病态性。

2、针对逆问题的病态性，诸多学者大多从成像算法层面来解决该问题。文献1：“张吴凯,冼锦炽,王涛.电阻抗断层成像算法应用综述[j].中国医学物理学杂志.2023,7”，对eit逆问题进行了综述研究。在该文献中，将eit逆问题算法归类为三种：

3、1)直接重建算法。如lbp法、d-bar法、tsvd法。

4、2)迭代类重建算法。如newton-raphson法、cg法、greit法。

5、3)概率统计类成像算法。如map法。

6、对于乳腺检测而言，现有研究的不足主要体现在以下三方面：

7、(1)目前，尚缺乏乳腺多电极电阻抗检测系统和形状重建方法的相关研究。

8、(2)现有研究中电极数目有限，且电流注入模式有限，由边界电极获得的信息不足以决定目标内部的阻抗分布，使得问题病态性更加严重，成像质量不高。

9、(3)现有研究缺乏对于电阻抗形状重建方法的探索，而在临床中肿瘤的形状反应了丰富的病理信息，可以为医生临床诊断提供重要的参考依据。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，提供一种构造肿瘤拟合曲面的方法。

2、本发明的另一目的在于提供一种电阻抗成像逆问题求解方法。

3、本发明的又一目的在于提供一种检测系统。

4、一种肿瘤拟合曲面的方法，包括如下步骤：

5、s100，输入解空间矩阵x：

6、所述解空间矩阵由位置矩阵o和形状矩阵w组成，解空间矩阵x表示为：

7、x＝[o w]

8、其中，位置矩阵o用于表征肿瘤的位置，(球坐标表示)；

9、其中，形状矩阵w表征肿瘤的形状，w＝[w1 … wi … w14]；

10、s200，初始化设置：设置14组方向向量vdirection与超参数μ、λ、a、n；

11、s300，计算空间天顶角矩阵vθ、空间方位角矩阵空间方向矩阵vx；

12、xθ和共有n+1个元素，xθ和由如下公式得出：

13、

14、

15、空间天顶角矩阵vθ和空间方位角矩阵为一维列向量，共有(n+1)×(n+1)个元素；

16、其中，vθ的列元素：第1～n+1行元素均是第n+2～2n+2行元素均是………任意第(j-1)n+j～j(n+1)的行元素均为……第(n+1)2-n～(n+1)2的行元素均为

17、也即：

18、

19、其中，的列元素：第1～n+1行元素是：第n+2～2n+2行元素行元素是………任意第(j-1)n+j～j(n+1)的行元素均是：……第(n+1)2-n～(n+1)2的行元素是：

20、

21、也即：

22、

23、而空间方向矩阵vx为(n+1)×(n+1)行3列的矩阵，其表达为：

24、

25、其中，和分别表示vθ和的第j列元素；

26、s400，生成14组方向向量vdirection对应的球面高斯基函数点云；

27、s500，根据形状矩阵w得到初始肿瘤点云d0；

28、根据形状矩阵w，对各组基函数进行加权求和，可得初始肿瘤点云d0，用球坐标表示为

29、

30、其中，矩阵g为(n+1)2×1的矩阵，其任意第e个行元素ge的计算方法如下：

31、

32、其中，wj为第j个基函数曲面的权值，其从形状矩阵w得到；

33、s600，根据位置矩阵o得到最终肿瘤点云d；

34、肿瘤点云d用矩阵表示为：

35、

36、s700，将肿瘤点云d进行曲面填充，得到肿瘤曲面e。

37、进一步，所述步骤s200包括：

38、在三维笛卡尔坐标系下，定义14组球面高斯基函数的方向向量vdirection如下表：

39、

40、定义超参数：μ＝30、λ＝10、a＝2000、n＝50。

41、进一步，步骤s400包括以下子步骤：

42、s401，j＝1；

43、s402，计算第j组方向向量所对应的余弦值矩阵其为(n+1)2×1矩阵:的任意第e行元素采用下式如下：

44、

45、其中，为空间方向分布矩阵vx的第e行；

46、s403，生成第j组方向向量的球面高斯函数点云dj：

47、

48、vθ、表示空间天顶角矩阵、空间方位角矩阵；

49、其中，第j组方向向量的球面高斯基函数矩阵gj，其为(n+1)2×1矩阵，

50、对于任意第e个行元素其计算公式为：

51、

52、该函数为波瓣形，其中，a表示波瓣的大小，μ表示波瓣的中心方向，λ表示波瓣的胖瘦，已由s200定义；

53、s404，更新j：j赋值为j+1；

54、s405，若j小于等于14时，重复步骤s402～s405；否则，退出循环，进入步骤s500。

55、一种电阻抗成像逆问题求解方法，其包括如下步骤：

56、s100，读取输入信息：电压数据矩阵v、边界电压矩阵v0、灵敏度矩阵s、算法初始温度t1、最大迭代次数maxgen、解空间矩阵上限xub、解空间矩阵下限xlb；

57、s200，初始化设定：

58、设置当前迭代次数i＝1、温度下降率α＝0.95、最优目标函数取值最优解空间矩阵xbest和最优电导率分布矩阵为空矩阵；

59、随机生成初始解空间矩阵x0，令第1次迭代的解空间矩阵x1＝x0；

60、s300，根据当前解空间矩阵xi构造肿瘤拟合曲面ei；

61、s400，提取所构造的拟合曲面ei所包围的有限元网格节点，获得电导率变化矩阵

62、s500，计算边界电压矩阵和目标函数值

63、其中，边界电压矩阵采用下式计算：

64、其中，目标函数值采用下式计算：

65、

66、s600，计算下一轮迭代的当前解空间xi+1：

67、若则xi+1＝xi、最优解空间矩阵xbest＝xi，最优电导率分布矩阵

68、若按metropolis准则计算xi+1：

69、

70、其中，rand(0,1)表示在[0,1]之间的随机数；

71、其中，ti表示当前温度，

72、s700，对xi+1的任意一个维度进行扰动；

73、s800，计算ti+1：ti+1＝αti；

74、s900，对i值进行更新：i+1赋值给i；

75、s1000，判断：

76、当i≤maxgen时，重复步骤s300～s1000；

77、当i＞maxgen时，进入步骤s1100；

78、s1100，输出

79、输出xbest与即可得肿瘤的位置obest和肿瘤的形状wbest，以及电导率变化矩阵

80、进一步，所述提取所构造的拟合曲面ei所包围的有限元网格节点，读取电导率变化矩阵的方法是：

81、电导率变化矩阵中的第j个节点的电导率变化为：

82、

83、其中，pj为第j个节点的坐标，ei为拟合曲面所包围的节点坐标的集合。

84、进一步，s700中对xi+1的任意一个维度进行扰动的方法是：

85、对xi+1的任意一个维度进行扰动，得到进入下一轮迭代的xi+1，扰动公式如下：

86、

87、其中，n为xi+1的列数，new表示所扰动的维度，randi(1,n)表示[1,n]内的随机整数，表示内的随机数，为xlb第new列的元素；为xub第new列的元素。

88、一种检测系统，包括：传感器、多路复用模块、恒流源模块、放大滤波模块、fpga模块、stm32模块、成像模块；

89、其中，传感器用于实现激励并采集乳房表面的响应信号；

90、其中，多路复用模块用于切换传感器上的激励与采集电极，实现循环激励与采集；

91、其中，恒流源模块将fpga模块发送的激励电压转化为恒定的激励电流；

92、其中，放大滤波模块将采集到的微小模拟电压信号经过滤波去噪后放大传输至fpga模块；

93、其中，fpga模块用于与stm32模块通讯，当stm32模块返回开始激励或开始采集信号时，由fpga模块完成激励与采集功能，并将采集到的电压数据通过tcp/ip通讯传输至成像模块；

94、其中，stm32模块用于向多路复用模块发送通道切换指令，并在完成通道切换后向fpga发送开始激励或开始采集信号；

95、其中，成像模块用于接受fpga模块传送的电压数据，进行数据处理并成像。

96、进一步，所述传感器与所述多路复用模块双向连通，fpga模块与所述stm32模块、所述成像模块双向连通，fpga模块、恒流源模块、多路复用模块、传感器顺序连通，传感器、多路复用模块、放大滤波模块、fpga模块顺序连通；所述stm32模块与多路复用模块的通道控制端连接。

97、进一步，fpga模块包括：usart通讯模块、tcp/ip通讯模块、信号发生模块、数据采集模块、ad/da模块；

98、所述usart通讯模块与所述stm32模块双向连通；

99、所述tcp/ip通讯模块用于与所述成像模块双向连通；

100、所述信号发生模块的输出端与ad/da模块的输入端连接，

101、所述信号发生模块的输出端与ad/da模块的dac输入端连接；

102、所述ad/da模块的dac输出端与恒流源模块的输入端连接；

103、所述恒流源模块的输出端与所述多路复用模块的输入端连接；

104、所述放大滤波模块的输出端与ad/da模块的adc输入端连接；

105、所述ad/da模块的adc输出端与数据采集模块的输入端连接；

106、所述数据采集模块的输出端与tcp/ip通讯模块的输入端连接；

107、所述usart通讯模块用于与所述stm32模块通讯，接收stm32模块所传送的切换完成信号，并在激励或采集完成时发送完成信号给stm32模块；

108、所述tcp/ip通讯模块502用于与所述成像模块通讯，成像模块发送系统开始工作信号，并在系统工作完成后向其传输所采集的电压数据；

109、信号发生模块用于产生可控制的、稳定的交流信号；

110、数据采集模块用于采集响应电压数据；

111、ad/da模块将采集到的模拟电压信号转换为数字电压信号。

112、本发明技术方案的优点主要体现在：

113、第一，本技术的第一个基础构思在于：提出了基于肿瘤形状表达方法的高精度电阻抗成像逆问题求解方法。具体而言，利用球面高斯基函数的线性组合来表达乳腺肿瘤的形状，通过肿瘤拟合曲面提取有限元点集，利用智能优化算法优化曲面基函数的初始位置和组合权重，进而优化肿瘤位置矩阵和形状矩阵，实现电阻抗成像逆问题的求解。

114、第二，本技术的第二个基础构思在于：利用stm32与fpga进行通讯，拓展了fpga的gpio，从而实现了多电极eit系统的激励与采集。

115、第三，本技术提出的一种肿瘤形状表达方法、电阻抗成像逆问题求解方法、电阻抗检测系统，能够有效的提高如脑部、胸部、乳腺等组织的肿瘤三维成像精度。