技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
电阻抗成像(EIT，Electrical Impedance Tomography)系统的设计方案，特别是涉及一种适用于运动状态下的电阻抗成像电极与系统。
背景技术
[0002] 电阻抗
层析成像技术(EIT)是具有功能成像，无损伤，无
辐射，低成本和成像速度快等优势的新兴医学成像技术。EIT可以利用功能成像体现出人体组织的生理，病理等信息。
生物电阻抗成像的概念最早在1978年由John G.Webster提出。David C.Barber和Brian H.Brown是最早开展将EIT应用在人体电导率分布检测。在此后的几十年中，EIT作为一种具有诱人应用前景的医学成像技术，已成为当前科学研究的热点领域之一。目前，EIT技术已在理论，
硬件设计,图像重建算大取得了较大的进展，已有不少研究针对明确的临床应用点：
肺部呼吸监测成像、腹部脏器功能成像，
乳腺癌检测成像,脑部检测成像。
[0003] 在目前面向人体器官的EIT技术的研究过程中，当前的研究工作主要集中在图像重建技术，器官生物电
信号的提取和分析技术，然而，电极作为整个系统的核心部件之一，在其产品化过程并最终被作为临床医疗器械应用的一个需要解决的关键问题，但是以往的科学研究中并没有获得电阻抗成像技术研究人员的足够的重视,相关研究尚不够深入.但是，开发和研究高性能的电极已经成为提高医用EIT技术的测试
精度的关键问题之一。
[0004] 目前在电阻抗层析成像技术在医学领域的应用研究中，大部分都采用Ag/AgCl电极作为激励和
测量电极。2015年，周伟等在《科学通报》第15期第1352-1360页发表的《生物医用电极制造技术及应用研究进展》介绍了一种典型的Ag/AgCl电极使用过程。首先，需要一个受过专业训练的人员根据每个电极安放的
位置来除去
角质层和清洁
皮肤，然后通过导电凝胶将电极黏贴在皮肤表面。而导电凝胶容易发生脱
水干燥，使得电极容易脱落，而且导电凝胶的电阻抗特性也会发生变化。这种类型的电极不适合长期使用，电极会与皮肤
接触不良，
电流分布不均匀，这些都会造成采集到的电阻抗信号容易出现异常的
波动，影响最终的图像结果。
[0005] 生物医用电极作为连接EIT
数据采集和处理平台与人体的关键
传感器件，通常需要多个电极来激励和测量生物
电信号。此外，与CT、
核磁共振等生物成像技术相比，EIT技术的无损伤，无辐射，低成本技术优势也使得其在于对生物体的长期监测的应用上更富有价值。因此，EIT所使用的电极也应该满足长时间佩戴和佩戴时候足够舒适，并且在测量过程中不需要患者保持固定不动的姿势。EIT通常需要多个电极来激励和测量
生物电信号，多个电极的使用会涉及电极如何分布的问题，以及如何克服测量过程中运动产生的干扰问题。今年来，一些围绕这方面的研究也正在展开，如：2018年Fiedler P等在《IEEE汇刊神经系统与康复工程》(IEEE Transactions on Neural Systems&Rehabilitation Engineering)第
99期第1-1章发表的《多针干式
脑电图电极的接触压
力和灵活性》(Contact pressure and flexibility of multipin dry eeg electrodes)提出一种多针的干电极来用于脑电监测，他们的研究结果发现测量信号的
质量取决于电极和皮肤之间稳定的接触。他们通过施加压力来研究压力与接触阻抗的关系，利用集成在电极上的
压力传感器来监测电极与皮肤的接触阻抗。这种电极的设计能够在一定程度上监测电极与生物体表面的接触情况，但是其结构相对复杂，功能较为单一。
发明内容
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提出一种基于柔性
纤维压阻材料的EIT系统的测试电极，并设计一套针对新型多功能复用电极的EIT改进测试系统，用于监测柔性电极发生形变与扭曲的测量，并将其与成像数据融合，以提高在生物体运动情况下的成像质量。
[0007] 一种适用于运动状态下的电阻抗成像电极与系统，包括测试电极模
块、信号选通器、测试信号发生器、
控制器、测试信号采集器，以及信息处理器；其中测试电极模块通过测试数据线连接信号选通器，信号选通器通过激励总线连接测试信号发生器，通过控制总线连接控制器，通过采集总线连接测试信号采集器，并且将总线信号分配到测试电极模块，测试信号采集器通过
数据总线连接信息处理器。
[0008] 所述的测试电极模块包括电极，所述电极为柔性压阻材料，电极采用紧密的排布方式。
[0009] 还包括电极间的弹性连接段，优选的，电极的长度与弹性连接带之间的长度比例大于3:1。
[0010] 电极连接方式为：包括导电体和数据测量线，所述导电体1电极，数据测量线与电极连接，数据测量线，包括用于测试压
阻变化信号的
激励信号线Ya、Xa，用于测试压阻变化信号的数据采集线Yb、Xb，测试场域电阻并用于EIT成像的阻抗信息的测试激励信号线A，测试场域电阻并用于EIT成像的阻抗信息的测试采集信号线B。
[0011] 各电极上的数据测量线均接入信号选通器，并由可编程控制器控制与测试信号源、信号采集器选通。其中信号选通器分为多路选通器Xa、多路选通器Xb、多路选通器Ya、多路选通器Yb、多路选通器A、多路选通器B六个模块，以上六个模块分别管理选通6个数据测试线的信号接通。其中多路选通器Xa、Ya分别由可编程控制器的CtrXa、CtrYa信号控制，在测试周期的不同测试时间里选通各电极的Xa，Ya信号线与测试信号源的压阻材料测试信号或接地(参考电平)。其中多路选通器Xb、Yb分别由可编程控制器的CtrXb、CtrYb信号控制，在测试周期的不同测试时间里选通各电极的Xb，Yb信号线与信号采集器的压阻材料采集模块或接地(参考电平)。其中多路选通器A、B分别受可编程控制器CtrA、CtrB信号控制，将各电极的A信号线与测试信号源的阻抗成像测量信号选通。B信号线与信号采集器的阻抗成像数据采集模块选通。
[0012] 一种基于压阻电极的电阻抗成像系统进行电阻抗成像的方法，包括如下步骤：
[0013] (1)输入测试电极数，并确定测试周期，启动测量；
[0014] (2)电极测试：系统进入第1个电极监测周期，在该周期里，控制器通过Ctr Xa、Ctr Ya控制多路选通器选通1Xa、1Ya与压阻信号测试源，通过Ctr Xb、Ctr Yb控制多路选通器选通1Xb、1Yb与压阻信号采集器，其他多路选通器的输入输出通道处于悬空状态；
[0015] (3)阻抗信息测量：系统进入第1个阻抗信息测量周期，在这个周期里，控制器通过Ctr Xa、Ctr Ya、Ctr Xb、Ctr Yb控制多路选通器选通2Xa、2Ya、2Xb、2Yb接地(选通参考电极)，通过Ctr A控制选通器选通1A与阻抗测试信号源，通过Ctr A控制选通器选通3B-numB通道的任意两个电极组合与阻抗信号采集器接通，其余通道悬空；
[0016] (4)电极测试：系统进入第i个电极监测周期后，得到i除以N的余数为number，N为测量电极数num和平滑周期数k的乘积，在该周期里，控制器通过Ctr Xa、Ctr Ya控制多路选通器选通numberXa、numberYa与测试信号源的压阻信号测试源，通过Ctr Xb、Ctr Yb控制多路选通器选通numberXb、numberYb与信号采集器的压阻信号采集器，其他多路选通器的输入输出通道处于悬空状态；
[0017] (5)阻抗信息测量：在系统进入第i个阻抗与EIT信息测量周期，得到i除以N的余数为number，在这个周期里，控制器通过Ctr Xa、Ctr Ya、Ctr Xb、Ctr Yb控制多路选通器选通(number+1)Xa、(number+1)Ya、(number+1)Xb、(number+1)Yb接地(选通参考电极)，通过Ctr A控制选通器选通1A与阻抗测试信号源，通过Ctr A控制选通器选通除(number)B与(number+1)B通道的任意两个电极组合与阻抗信号采集器接通，其余通道悬空。
[0018] (6)判断测试周期数是否是N＝num*k的整数倍，如果是则将压阻信号与阻抗测量信号输入信息处理器,并将采集器的数据进行融合成像,如果否则进入下一个电极监测周期与阻抗信息测量周期。
[0019] 还包括步骤(7)：信息处理器中的状态分类器将采集到的压阻信号进行分类，调用对应位置的灵敏度矩阵，并与EIT测试信息矩阵形成显示成像结果的灵敏度矩阵。
[0020] 由状态分类器监测电极脱落失效信号，对相应的电极序号发出警示信息，否则继续进入测量周期的循环。
[0021] 所述的步骤(1)之前，还包括针对待测场域边界的情况，将测试电极均匀布置在待测场域周围；之后开始进入测试的过程。
[0022]
信号处理器通过测试输入的压阻信号，经状态分类器进行分类后，并根据灵敏度矩阵的数据集得到得到灵敏度矩阵，通过测试输入的EIT测试信号获得EIT测试信息矩阵，通过灵敏度矩阵与EIT测试信息矩阵获得显示成像结果的弧度矩阵。
[0023] 其中状态分类器在上位机的仿真计算中，通过不同电极位置的压阻信号的主成分权重分析，并根据加权的多电极压阻信号与不同电极摆放位置压阻信号的
聚类分析获得；
[0024] 灵敏度矩阵的数据集是在上位机的仿真计算中，通过电极的不同位置的有限仿真计算获得。
[0026] 一般的ET技术的电极采用的是普通的良导体材料(如医用电极的Ag-AgCl)，本发明采用了柔性纤维压阻材料作为电极的制备材料。所采用柔性纤维压阻材料不仅具有一般良导体的导电特性，除此之外，其阻值还能够随着对其的压力、扭曲程度变化而改变，通过监测其电阻值的变化，可以监测由其制备的电极的位置等状态的变化情况，易于制备、
导电性较好、适应压力，扭曲变化的灵敏度较高。在测试中监测其阻值变化，据此判断电极的扭曲变化。本发明同时设计了一套时序测量流程，用于在EIT系统中同时实现EIT技术所需要的待测场域阻抗信息的采集与补充的电极扭曲状态信息的采集。通过对柔性压阻电极的导电性的测量，量化柔性电极的扭曲状态信息，并将其补充到成像
算法中，提高了成像质量。
附图说明：
[0027] 图1为本发明适用于运动状态下的电阻抗成像电极与系统的示意图；
[0028] 图2为本发明基于柔性压阻材料制备的一种电极形状示意图；
[0029] 图3为本发明EIT测试系统的电极排布方式示意图；
[0030] 图4为本发明信号选通器、测试信号发生与采集器与信息处理器示意图；
[0031] 图5为本发明信息处理器的功能结构图。
[0032] 图6为本发明EIT测试系统的测试
流程图。
具体实施方式
[0033] 以下结合实例对本发明做进一步阐述，但本发明并不局限于具体
实施例。
[0034] 如图1所示，本发明的适用于运动状态下的电阻抗成像电极与系统，为一种基于柔性压阻电极的电阻抗成像测试系统，包括测试电极模块、信号选通器、测试信号发生器、控制器、测试信号采集器，以及信息处理器。其中测试电极模块通过测试数据线连接信号选通器。信号选通器通过激励总线连接测试信号发生器，通过控制总线连接控制器，通过采集总线连接测试信号采集器，并且将总线信号分配到测试电极模块。测试信号采集器通过数据总线连接信息处理器。
[0035] 下面就各个模块进行详细说明。
[0036] 在测试电极模块，本发明采用柔性压阻材料制备的电极如图2所示，图中1为导电体，2为柔性压阻材料制备的电极，其中导电体1缝制在压阻材料2上，其目的是为了更好的与压阻材料接触，敏感随着柔性电极的变化而变化的电阻信号，3为一系列的数据测量线，其中，Ya、Xa为用于测试压阻变化信号的激励信号线，Yb、Xb为用于测试压阻变化信号的数据采集线，A为测试场域电阻并用于EIT成像的阻抗信息的测试激励信号线，B为测试场域电阻并用于EIT成像的阻抗信息的测试采集信号线。
[0037] 如图3所示，以八电极的EIT测试系统为例，本发明电极的排布包括电极和电极间的弹性连接段，其中电极采用紧密的排布方式，电极的长度与弹性连接带之间的长度比例在3:1以上，电极在紧束状态下能够充分感受到电极在两个方向因位置发生一定变化时受到的力。
[0038] 如图4所示，本发明以一种8电极的EIT系统为例，各个电极上的6根数据线均接入了信号选通器，并由可编程控制器控制与测试信号源、信号采集器选通。其中信号选通器分为多路选通器Xa、多路选通器Xb、多路选通器Ya、多路选通器Yb、多路选通器A、多路选通器B六个模块，以上六个模块分别管理选通6个数据测试线的信号接通。其中多路选通器Xa、Ya分别由可编程控制器的CtrXa、CtrYa指令信号控制，在测试周期的不同测试时间里选通8个电极的Xa，Ya信号线与测试信号源的压阻材料测试信号或接地(参考电平)。其中多路选通器Xb、Yb分别由可编程控制器的CtrXb、CtrYb指令信号控制，在测试周期的不同测试时间里选通8个电极的Xb，Yb信号线与信号采集器的压阻材料采集模块或接地(参考电平)。其中多路选通器A、B分别受可编程控制器CtrA、CtrB信号控制，将8个电极的A信号线与测试信号源的阻抗成像测量信号选通。B信号线与信号采集器的阻抗成像数据采集模块选通。
[0039] 如图5和图6的测试流程图所示，本系统的具体成像方式如下：
[0040] 首先，针对待测场域边界的情况，将测试电极均匀布置在待测场域周围。之后开始进入测试的过程。
[0041] 第一步，输入测试电极数，并确定测试周期，启动测量；
[0042] 第二步，系统进入第1个电极监测周期，在这个周期里，控制器通过Ctr Xa、Ctr Ya控制多路选通器选通1Xa、1Ya与压阻信号测试源，通过Ctr Xb、Ctr Yb控制多路选通器选通1Xb、1Yb与压阻信号采集器，其他多路选通器的输入输出通道处于悬空状态。且系统进入第i个电极监测周期后，设number是i除以N的余数，在这个周期里，控制器通过Ctr Xa、Ctr Ya控制多路选通器选通numberXa、numberYa与测试信号源的压阻信号测试源，通过Ctr Xb、Ctr Yb控制多路选通器选通numberXb、numberYb与信号采集器的压阻信号采集器，其他多路选通器的输入输出通道处于悬空状态。
[0043] 第三步，系统进入第1个阻抗信息测量周期，在这个周期里，控制器通过Ctr Xa、Ctr Ya、Ctr Xb、Ctr Yb控制多路选通器选通2Xa、2Ya、2Xb、2Yb接地(选通参考电极)，通过Ctr A控制选通器选通1A与阻抗测试信号源，通过Ctr A控制选通器选通3B-8B通道的任意两个电极组合与阻抗信号采集器接通，其余通道悬空。且在系统进入第i个阻抗信息测量周期，设number是i除以N的余数，在这个周期里，控制器通过Ctr Xa、Ctr Ya、Ctr Xb、Ctr Yb控制多路选通器选通(number+1)Xa、(number+1)Ya、(number+1)Xb、(number+1)Yb接地(选通参考电极)，通过Ctr A控制选通器选通1A与阻抗测试信号源，通过Ctr A控制选通器选通除(number)B与(number+1)B通道的任意两个电极组合与阻抗信号采集器接通，其余通道悬空。
[0044] 第四步，判断测试周期数是否是电极数的整数倍，如果是，将采集器的数据进行融合成像，如果否，进入下一个电极监测周期与阻抗信息测量周期。
[0045] 第五步，判断测量次数是否达到预设平滑周期值k，是将压阻信号与阻抗测量信号输入信息处理器。
[0046] 第六步，信息处理器中的状态分类器将采集到的压阻信号进行分类，调用对应位置的灵敏度矩阵参与当前得到的阻抗信息矩阵的成像过程当中。并且由状态分类器监测电极脱落失效信号，对相应的电极序号发出警示信息，否则继续进入测量周期的循环。
[0047] 本发明同时提供了一种通过测试输入的压阻信号和测试输入的EIT测试信号进行成像的方法，如图5所示，其中g为大小为N的(N＝a*b)的灰度成像矩阵，λ表示EIT系统的测试信息的M阶一维向量(M是一个测试周期所测试的电极组合的总数)，该向量根据每次的EIT的测试信号的测量结果不断更新。S为预置的标准场域的归一化灵敏度矩阵，其大小为(M*N)，其反映了每一个
像素点上的单位电导率变化可以引起的电势的变化，S的计算公式为：
[0048]
[0049] 式中，i,j表示测量电极序号，x,y表示成像的图片的像素点的位置，Si,j(x,y)表示i,j测量电极信息对成像点x,y的映射，p表示成像形状的关于像素点位置x,y函数，E表示在电极测到的
电压，I表示在电极的激励电流。
[0050] 则g、S与λ的关联关系如下：
[0051] λ＝S·g
[0052] 本发明中，灵敏度矩阵S的生成方法是利用有限元仿真方法获得，所得到的灵敏度矩阵与电极的位置有直接的关系。同时将不同电极位置对应的压阻信号矩阵与具体的运动动作产生的压阻信号进行聚类分析，判断各个位置信号的压阻信号的具体形式，建立关联集合，输入状态分类器。在测试过程中，状态分类器将采集到的压阻信号进行电极位置分类，并调用相应的灵敏度矩阵的数据集参与成像。
[0053] 为了提高聚类分析的质量，防止测试过程中的噪声信息对分类产生影响。对信号的主成分分析
降维，对信号的主成分分析降维的步骤如下：
[0054] 1.测试几种典型的医用电极环境下的贴附在生物体表面的电极输出的压阻信息信号，共测取n个样本，每个样本由p＝num*2维(num为测试的电极数)的电压测试信号，一起组成如下形式的矩阵X：
[0055]
[0056] 对上述式子进行标准化
数据处理，标准化处理公式如下：
[0057]
[0058] 其中 是Xj的算术平均值， 是Xj的标准差。并记Z＝(zij)n*p为标准化之后的数据矩阵。
[0059] 2.计算标准化数据的协方差矩阵
[0060] 变量X＝[X1X2…Xp]中，两变量的相关系数计算公式为：
[0061]
[0062] 由于Z中的变量已经是标准化的变量，此时Z的列变量的协方差矩阵就是相关系数矩阵。
[0064]
[0065] 相关矩阵R的特征方程为|R-λI|＝0，利用特征方程可以求出矩阵R的特征根λi(j＝1,2,…p),将特征根从小到大进行排列，再求出相应的特征向量Υi＝(Υi1,Υi2,…Υip)′，以特征向量的分量值为权数，将标准化的指标进行加权得到主成分加权。
[0066] 4.计算权值与主成分的方差贡献率
[0067] 相关矩阵R的特征根的大小反映了第i个主成分包含信息的比重，其贡献率为：
[0068]
[0069] 5.设累计贡献率 表示对ak进行了从大到小的排列，选取Ak达到90％的主成分分析的分量，确定相应的电极目标m个。
[0070] 其中对信号进行聚类分析的步骤如下：
[0071] 1、测试集合的数据
[0072] 根据前面的主成分分析，对进入主成分的电极集合的位置进行相应的枚举设计，每一种组合记为Yi,Yi＝[y1,y2,…ym],由此构成聚类Y＝{Y1,Y2…Yt),如在主成分分析中进行的分析集合，取几种典型动作的压阻信号集合X作为待分类的集合。
[0073] 2、信号相似性的分类相似性测度判据
[0074]
[0075] x(n)为实际的信号的具体维数的信号分量，y(n)为设置的电极位置的压阻信号。根据ρij判断Yi与X的相似度，设置ρij的
阈值，统计相似度高于ρij的X分量的数量q，作为Yi的可用性判据
[0076] 3、设置可用性判据Q，取用q>Q的电极位置作为灵敏度矩阵仿真对象。
[0077] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的
专利范围，凡是利用本发明
说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
