一种可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量结构及方法

摘要

本发明公开了一种可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量结构及方法，使用的是多对半圆组成可拆卸的叠层可转动圆形装置和多传感器协同组成测量结构，分别对上下叠层相对转动变化的模拟量和可伸缩杆的长短变化大小的模拟量进行测量读取，并根据线性关系计算出真实转动位置和伸缩杆的长度量；然后通过建立三维直角坐标系法计算出电极的坐标；最后通过电极坐标计算得出较准确的三维人体测量对象的轮廓，通过调节层叠电极的相对位置来提高重建轮廓的精度，从而大大提高图像重建的质量。

说明书

技术领域

本发明涉及三维电阻抗断层成像技术领域，尤其涉及一种可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量结构及方法。

背景技术

现代医学影像是医疗诊断中非常重要的组成部分，在医疗病理诊断方面是非常准确和直观的，随着技术的发展，三维成像在临床上的应用越来越广泛。据研究表明生物体的不同组织具有不同的阻抗，通过安装在人体待测区域表面的电极片对待测区域施加安全且规律的电流激励，由于内部存在阻抗变化，在待测区域表面便会引起电位的变化。基于待测区域表面电位的变化，辅以相应的成像算法，便可获得待测区域阻抗变化的图像，此种技术被称为电阻抗断层成像(Electrical ImpedaNce Tomography，EIT)技术。多款电阻抗断层成像产品在临床中得到了应用，有二维成像的，也有三维成像的，但仍需注意到其不足之处，三维成像场域模型的准确性和电极的位置坐标会对图像重建质量造成很大的影响，比如重建图像与实际测量人体组织存在着较大的位置偏离和造成重建图像存在伪影。

现有解决方案是直接将场域等效成圆形模型、通过学习人体模型得出重建的模型、将CT图像做为先验信息建立场域模型和固定电极角度的大小可变同心圆测量结构。然而，由于人体的体型存在着各异性和每次电极片安放的位置不同，上述等效模型存在较大差异；在三维电阻抗成像中电极安放的位置不同对应使用算法成像的效果也都不相同，目前，尚未见层叠之间可以相对转动(两层电极可以相对运动)的三维电阻抗边界测量结构的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量结构及方法，通过调节层叠电极的相对位置来提高重建轮廓的精度，从而大大提高图像重建的质量。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量方法，包括以下步骤：

基于多层半圆环形组件构建圆环叠层测量结构，并将所述圆环叠层测量结构与被测物进行连接后，获取电机和伸缩杆对应的转动量和变化量；

基于所述半圆环形组件的圆心建立三维空间直角坐标系，并计算每层所述半圆环形组件的初始坐标和电极坐标；

根据所述电极坐标使用插值法计算出对应的差值坐标，构建同心的等高单位圆柱，并根据所述电极坐标和所述差值坐标进行放大在所述等高单位圆柱上选取的点，连接可得三维轮廓。

其中，基于多层半圆环形组件构建圆环叠层测量结构，并将所述圆环叠层测量结构与被测物进行连接后，获取电机和伸缩杆对应的转动量和变化量，包括：

在半圆环中的多个安装孔中对应的安装伸缩杆，并将所述伸缩杆向着圆心的一侧安装电极，并通过连接卡扣将两个半圆环形组件进行卡合，得到圆环层；

通过对应的凸起和连接槽将任意两个所述圆环层进行连接，并通过所述转动齿进行角度调整，得到圆环叠层测量结构；

将所述圆环叠层测量结构与被测物进行连接，获取电机和伸缩杆对应的转动量和变化量。

其中，基于所述半圆环形组件的圆心建立三维空间直角坐标系，并计算每层所述半圆环形组件的初始坐标和电极坐标，包括：

基于所述圆环叠层测量结构的轴线，按照从下至上的顺序，将第一层所述圆环层作为直角坐标系中Z轴为零的平面，得到对应的三维空间直角坐标系；

基于所述三维直角坐标系计算出每层所述圆环层的电极初始坐标，并结合获取的每层电极与第一层电极在俯视图的所述三维空间直角坐标系中转动的相对角度，计算出对应的测量变化后的电极坐标。

其中，根据所述电极坐标使用插值法计算出对应的差值坐标，构建同心的等高单位圆柱，并根据所述电极坐标和所述差值坐标进行放大在所述等高单位圆柱上选取的点，连接可得三维轮廓，包括：

对相邻两层的所述圆环层进行旋转，利用插值法计算出插值点对应的差值坐标和对应插值点形成的层；

构建同心的等高单位圆柱，在等高单位圆柱上选取足够多的点，根据所述电极坐标和所述差值坐标进行放大在同心的等高单位圆柱上选取的点，并利用直线将放大到边界上的所有的点进行相邻点相连，得到对应的三维轮廓。

第二方面，本发明提供了一种可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量结构，适用于如权第一方面所述的一种可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量方法，所述可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量结构包括多个圆环层，多个所述圆环层沿轴线阵列，多个所述圆环层均包括两个半圆环形组件、多个伸缩杆、转动齿和电极，两个半圆环形组件均具有连接卡扣、连接卡座、凸起、连接槽和多个安装孔；

多个所述安装孔贯穿所述半圆环形组件，通过与所述伸缩杆上的可滑动的变阻器固定连接，安装所述伸缩杆，所述伸缩杆指向圆心；

所述连接卡扣与另一个所述半圆环形组件的所述连接卡座卡合；

所述连接卡座与另一个所述半圆环形组件的所述连接卡扣卡合；

所述凸起与上一层所述圆环层的所述连接槽卡合；

所述连接槽与下一层所述圆环层的所述凸起卡合；

多个所述伸缩杆与所述半圆环形组件滑动连接，并置于所述安装孔内；

所述转动齿与所述半圆环形组件背离圆心的一侧固定连接；

多个所述电极分别与多个所述伸缩杆朝向圆心的一侧固定连接。

其中，所述可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量结构还包括多个电机和多个传感器，多个所述电机与所述转动齿背离圆心的一侧卡合，多个所述传感器与所述电机固定连接。

本发明的一种可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量结构及方法，使用的是多对半圆组成可拆卸的叠层可转动圆形装置和多传感器协同组成测量结构，分别对上下叠层相对转动变化的模拟量和可伸缩杆的长短变化大小的模拟量进行测量读取，并根据线性关系计算出真实转动位置和伸缩杆的长度量；然后通过建立三维直角坐标系法计算出电极的坐标；最后通过电极坐标计算得出较准确的三维人体测量对象的轮廓，通过调节层叠电极的相对位置来提高重建轮廓的精度，从而大大提高图像重建的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量方法的步骤示意图。

图2是本发明提供的一种可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量方法的流程示意图。

图3是本发明提供的三维轮廓重建流程图。

图4是本发明提供的半圆环结构图。

图5是本发明提供的可拆卸的圆环结构图。

图6是本发明提供的可旋转的圆环叠层测量结构。

图7是本发明提供的每层八电极不错位的二维直角坐标图。

图8是本发明提供的由结构测得的重构人体胸部三维轮廓模型。

图9是本发明提供的每层八电极不错位测得某个横截面的剖面模型。

图10是本发明提供的两层八电极等差错位计算得某个横截面的剖面模型。

1-圆环层、2-半圆环形组件、3-伸缩杆、4-转动齿、5-电极、6-连接卡扣、7-连接卡座、8-凸起、9-连接槽、10-安装孔、11-电机、12-传感器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1至图10，本发明提供一种可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量方法，包括以下步骤：

S101、基于多层半圆环形组件2构建圆环叠层测量结构，并将所述圆环叠层测量结构与被测物进行连接后，获取电机11和伸缩杆3对应的转动量和变化量。

具体的，主体结构主要由多对半圆结构安装组成的多层可拆卸可相对转动的圆环叠层测量结构，半圆结构主要由伸缩杆3安装孔10、与下层连接的连接槽9、与上层连接的凸起8结构、电机11、电机11转动测量传感器12和外围的转动齿4等构成。其中电机11转动测量传感器12主要为了测量相邻两层的相对移动角度。在主体结构的伸缩杆3安装孔10中安装伸缩杆3，伸缩杆3向着圆心一处用于安装电极5，该伸缩杆3初始化时位于收缩最大的状态，并与主体结构扣紧，对测量对象测量时再进行释放。两个半圆环形组件2通过连接卡扣6和连接卡座7进行卡合，组成一个圆环层1，多个所述圆环层1基于所述圆环层1轴线进行阵列，通过所述凸起8和所述连接槽9之间的卡合进行阵列，得到圆环叠层测量结构。

基于测试需要，将所述圆环叠层测量结构安装在被测物体上，然后，启动电机11，通过所述转动齿4调节所述电极5的层与层之间的相对位置，接着，释放所述伸缩杆3，使其与被测物体接触，通过对应的传感器12，采集伸缩杆3的伸缩量和各层电机11的转动量。

S102、基于所述半圆环形组件2的圆心建立三维空间直角坐标系，并计算每层所述半圆环形组件2的初始坐标和电极5坐标。

具体的，圆环叠层测量结构可由m对半径为r的半圆环形组件2构成m层可旋转的圆环测量结构，半圆环形组件2对的个数越多和层叠间的距离越小测量场域的重建边界轮廓精度会越高；伸缩杆3有n个且相邻伸缩杆3成的角度相等，层与层之间的高度为h，伸缩杆3伸缩到最小时到圆环上的距离为l，电极5厚度为e。为了方便计算建立三维空间直角坐标系，令第一层电极5围成的平面为z轴为零的平面，根据以上建立的直角坐标系可计算出以下信息：

θ为相邻节点间的角度(如附图7中1

i为直角坐标系中的电极5节点标号，θ

x

y

x

所以第一层初始的坐标为(x

根据采集信息计算测量时的电极5坐标。把结构安装在被测物体上之后，调节电机11转动使其电极5到达想要到达的位置，调节好后释放伸缩杆3使其紧贴人体皮肤上，读取每层电极5与第一层电极5在俯视图的直角坐标系中转动的相对角度β

θ

x

y

θ

S103、根据所述电极坐标使用插值法计算出对应的差值坐标，构建同心的等高单位圆柱，并根据所述电极坐标和所述差值坐标进行放大在所述等高单位圆柱上选取的点，连接可得三维轮廓。

具体的，重建人体轮廓。单纯从重建轮廓精度角度出发，层与层的电极5形成一定的错位角重建的轮廓精度较高，如附图9与附图10可知，两层没有电极5错位的两层16电极5测量结构重建的轮廓没有两层没有电极5错位的两层16电极5测量结构重建的轮廓的精度高。根据人体的构造情况特别是胸部在竖直方向变化较小时横剖面半径变化是非常小的，可使用线性拟合或者曲线拟合的方法根据另一层差错的电极5坐标得出本层电极5对应的坐标，然后连接上下两层的节点得出人体轮廓，从而错位的叠层方式提高了重建轮廓的精度，也电极5的安放方式提供了更多的选择。重建主要流程如图3所示。

以下将两层结构进行计算说明明，上层的电极5旋转到下层的两个电极5的中间处，设此时上下层的电极5坐标分别为(x

(x

θ

g

g

t1

t2

v

X

Y

(x

请参阅图4至图10，本发明提供一种可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量结构，适用于如权第一方面所述的一种可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量方法，所述可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量结构包括多个圆环层1，多个所述圆环层1沿轴线阵列，多个所述圆环层1均包括两个半圆环形组件2、多个伸缩杆3、转动齿4和电极5，两个半圆环形组件2均具有连接卡扣6、连接卡座7、凸起8、连接槽9和多个安装孔10；

多个所述安装孔10贯穿所述半圆环形组件2，通过与所述伸缩杆3上的可滑动的变阻器固定连接，安装所述伸缩杆3，所述伸缩杆3指向圆心；

所述连接卡扣6与另一个所述半圆环形组件2的所述连接卡座7卡合；

所述连接卡座7与另一个所述半圆环形组件2的所述连接卡扣6卡合；

所述凸起8与上一层所述圆环层1的所述连接槽9卡合；

所述连接槽9与下一层所述圆环层1的所述凸起8卡合；

多个所述伸缩杆3与所述半圆环形组件2滑动连接，并置于所述安装孔10内；

所述转动齿4与所述半圆环形组件2背离圆心的一侧固定连接；

多个所述电极5分别与多个所述伸缩杆3朝向圆心的一侧固定连接；

所述可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量结构还包括多个电机11和多个传感器12，多个所述电机11与所述转动齿4背离圆心的一侧卡合，多个所述传感器12与所述电机11固定连接。

在本实施方式中，主体结构主要由多对半圆结构安装组成的多层可拆卸可相对转动的圆环叠层测量结构，半圆结构主要由伸缩杆3安装孔10、与下层连接的连接槽9、与上层连接的凸起8结构、电机11、电机11转动测量传感器12和外围的转动齿4等构成。其中电机11转动测量传感器12主要为了测量相邻两层的相对移动角度。在主体结构的伸缩杆3安装孔10中安装伸缩杆3，伸缩杆3向着圆心一处用于安装电极5，该伸缩杆3初始化时位于收缩最大的状态，并与主体结构扣紧，对测量对象测量时再进行释放。两个半圆环形组件2通过连接卡扣6和连接卡座7进行卡合，组成一个圆环层1，多个所述圆环层1基于所述圆环层1轴线进行阵列，通过所述凸起8和所述连接槽9之间的卡合进行阵列，得到圆环叠层测量结构。

基于测试需要，将所述圆环叠层测量结构安装在被测物体上，然后，启动电机11，通过所述转动齿4调节所述电极5的层与层之间的相对位置，接着，释放所述伸缩杆3，使其与被测物体接触，通过对应的传感器12，采集伸缩杆3的伸缩量和各层电机11的转动量。于一种可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量结构的具体限定可以参见上文中对于一种可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量方法的限定，在此不再赘述。上述一种可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量结构中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

本发明的一种可旋转电阻抗断层成像的三维边界测量结构及方法，使用的是多对半圆组成可拆卸的叠层可转动圆形装置和多传感器12协同组成测量结构，分别对上下叠层相对转动的模拟量和可伸缩杆3的长短变化大小的模拟量进行测量读取，并根据线性关系计算出真实转动位置和伸缩杆3的长度量；然后通过建立三维直角坐标系法计算出电极5的坐标；最后通过电极5坐标计算得出较准确的三维人体测量对象的轮廓，通过调节层叠电极5的相对位置来提高重建轮廓的精度，从而大大提高图像重建的质量。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。