鬼佬大哥大
  • / 16
  • 下載費用:30 金幣  

軟場層析成像系統和方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201010612087.X

申請日:

2010.12.29

公開號:

CN102540276B

公開日:

2014.11.26

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效號牌文件類型代碼:1604號牌文件序號:101322512379IPC(主分類):G01V 11/00專利申請號:201010612087X申請日:20101229|||公開
IPC分類號: G01V11/00; G01N33/00; A61B5/053; A61B5/05; A61B5/00; A61B8/00 主分類號: G01V11/00
申請人: 通用電氣公司
發明人: 譚偉; 亞歷山大.S.羅斯; 維拉.V.L.R.蘭格巨; 牛冉; 吳之林; 高衛華
地址: 美國紐約州
優先權:
專利代理機構: 北京市柳沈律師事務所 11105 代理人: 周少杰
PDF完整版下載: PDF下載
法律狀態
申請(專利)號:

CN201010612087.X

授權公告號:

102540276B||||||

法律狀態公告日:

2014.11.26|||2012.09.05|||2012.07.04

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明揭示一種軟場層析成像系統和方法,該方法包括計算被測對象內一個或多個特性的分布,該計算被測對象內一個或多個特性分布的方法包括定義被測對象的第一網格,該網格包括若干個節點和單元。向被測對象施加激勵,計算被測對象對所施加的激勵的計算響應,取得一個對應于該激勵的參考響應,根據所述第一網格、計算響應和參考響應計算該被測對象內一個或多個特性的分布,更新所述第一網格里面的至少部分節點得到一個更新的網格,該更新的網格中節點的連接關系與第一網格中的相同。

權利要求書

1: 一種軟場層析成像方法, 該方法包括計算被測對象內一個或多個特性的分布, 該計 算被測對象內一個或多個特性分布的方法包括 : 定義被測對象的第一網格, 該網格包括若干個節點和單元 ; 向被測對象施加激勵 ; 計算被測對象對所施加的激勵的計算響應 ; 取得一個對應于該激勵的參考響應 ; 根據所述第一網格、 計算響應和參考響應計算該被測對象內一個或多個特性的分布 ; 以及 更新所述第一網格里面的至少部分節點得到一個更新的網格, 該更新的網格中節點的 連接關系與第一網格中的相同。
2: 如權利要求 1 所述的軟場層析成像方法, 其中所述計算被測對象對所施加的激勵的 計算響應包括根據所施加的激勵和一個網格來得到該計算響應。
3: 如權利要求 2 所述的軟場層析成像方法, 其中根據所施加的激勵和一個網格來得到 該計算響應所用的網格可是所述第一網格或另一不同的網格。
4: 如權利要求 1 所述的軟場層析成像方法, 其中所述計算被測對象對所施加的激勵的 計算響應包括根據所施加的激勵和一個分析模型來得到該計算響應。
5: 如權利要求 1 所述的軟場層析成像方法, 其中所述激勵包括一個或多個電信號、 光 信號、 熱源、 機械激勵、 聲信號和磁場, 而所述參考響應包括一個或多個電信號、 光信號、 熱 響應、 機械響應、 聲信號響應和磁場響應。
6: 如權利要求 5 所述的軟場層析成像方法, 其中所述向被測對象施加激勵包括通過耦 合到被測對象的傳感元件向該被測對象施加激勵。
7: 如權利要求 1 所述的軟場層析成像方法, 其中得到參考響應包括測量耦合到被測對 象的傳感元件上的響應。
8: 如權利要求 1 所述的軟場層析成像方法, 其中所述得到參考響應包括模擬或從一個 參考數據庫中取得該參考響應。
9: 如權利要求 1 所述的軟場層析成像方法, 其中定義第一網格包括定義一個包括若干 二維單元的二維網格 ; 或者定義一個包括若干三維單元的三維網格。
10: 如權利要求 1 所述的軟場層析成像方法, 進一步包括根據計算的被測對象內的特 性分布確定至少一個特定區域, 根據該至少一個特定區域更新網格。
11: 如權利要求 10 所述的軟場層析成像方法, 其中所述更新所述第一網格里面的至少 部分節點包括將該部分節點向著所述特定區域移動一定的距離。
12: 如權利要求 11 所述的軟場層析成像方法, 其中所述將該部分節點向著所述特定區 域移動一定的距離, 該移動的距離與相應的節點與特定區域的距離的 N 次方成反比。
13: 如權利要求 12 所述的軟場層析成像方法, 其中所述將該部分節點向著所述特定區 域移動一定的距離, 該移動的距離與相應的節點與特定區域的距離的平方或立方成反比。
14: 如權利要求 12 所述的軟場層析成像方法, 其中所述節點與特定區域的距離包括該 節點到特定區域內的某一點或者該特定區域的邊界的距離。
15: 如權利要求 11 所述的軟場層析成像方法, 其中所述節點的移動距離受到特定的限 制。 2
16: 如權利要求 1 至 15 中任何一個所述的軟場層析成像方法, 進一步包括 : 向被測對象施加一個新的激勵 ; 計算被測對象對所施加的新的激勵的新的計算響應 ; 根據更新的網格、 新的計算響應和參考響應計算該被測對象內一個或多個特性的新的 分布。
17: 如權利要求 16 所述的軟場層析成像方法, 其中所述向被測對象施加一個新的激勵 包括向被測對象施加一個與前次相同或不同的激勵。
18: 一種軟場層析成像系統包括 : 若干個耦合到被測對象的傳感元件 ; 耦合到傳感元件的激勵驅動器, 用以經傳所述傳感元件向被測對象施加激勵 ; 以及 耦合到激勵驅動器的運算元件, 該運算元件用以 : 定義被測對象的第一網格, 該網格包括若干個節點和單元 ; 向被測對象施加激勵 ; 計算被測對象對所施加的激勵的計算響應 ; 取得一個對應于該激勵的參考響應 ; 根據所述第一網格、 計算響應和參考響應計算該被測對象內一個或多個特性的分布 ; 根據所述計算的被測對象內一個或多個特性的分布確定至少一個特定區域 ; 以及 更新所述第一網格里面的至少部分節點得到一個更新的網格, 該更新的網格中節點的 連接關系與第一網格中的相同。
19: 如權利要求 18 所述的軟場層析成像系統, 進一步包括耦合到傳感元件的響應探測 器, 用以檢測傳感元件上對應于所施加的響應的參考響應, 并將該參考響應傳送給運算元 件。
20: 如權利要求 18 所述的軟場層析成像系統, 其中所述運算元件建立更新的網格包括 將所述至少部分節點向特定區域移動。
21: 如權利要求 18 所述的軟場層析成像系統, 其中所述運算元件計算節點移動的距 離, 且該移動的距離與相應結點與特定區域的距離的 N 次方成反比。
22: 如權利要求 18 所述的軟場層析成像系統, 其中所述運算元件根據更新的網格計算 被測對象內更新的特性分布, 并根據該新的特性分布建構被測對象內的圖像, 且其中所述 系統進一步包括顯示設備來顯示所生成的圖像。

說明書


軟場層析成像系統和方法

    【技術領域】
     本發明有關成像或測量系統及方法。背景技術 軟場層析成像 (soft field tomography, 下稱 “SFT” ) 是一種對待測對象內部 結構進行測量或成像的技術, 比如通過計算人體一個部位的內部特性的分布來成像該部 位。軟場層析成像包括但不限于, 電阻抗層析成像 (electrical impedance tomography)、 阻抗圖譜 (electrical impedance spectroscopy)、 散射光層析成像 (diffuse optical tomography)、 微波層析成像 (microwave tomography)、 彈性成像 (elastography) 和磁感 應層析成像 (magnetic induction tomography)。
     一個典型 SFT 系統包括若干安放在被測對象外表面的傳感元件。向傳感元件的全 部或者部分施加激勵, 使用測量裝置測量的傳感元件對該激勵的響應。所述激勵和響應經 過處理, 以創建被測對象內部二維或三維的特性分布。以 EIT 為例, 傳感元件為若干傳導電 流的電極。施加于電極的激勵可以是電流, 測得的相應的響應可以是電壓。決定被測對象 內部結構特性分布的特性可能是電阻抗、 電容率或電導率的分布。
     計算所述內部結構特性分布的方法之一是采用有限元分析 (FEM) 的方法, 將所述 被測對象的內部離散成有限單元。例如, 根據施加在電極上的電流或電壓以及測得的電極 上的電壓或電流, 可以運用逆向求解來求得這些單元的特性, 計算該被測對象的內部電特 性的分布, 從而可以得到該內部結構的二維或三維圖像。
     使用 SFT 系統獲得的圖像分辨率通常受限于可用的獨立的測量單元的數量, 或換 言之, 受限于使用的傳感元件數量。一般來說, 有限元分析中可用的有限單元越多, 獲得的 圖像分辨率越好。對于一個給定的傳感元件的數量, 可用變量的數目是有限的。一種改進 測量分辨率的方法是增加施加到被測對象上的傳感元件的數量。但是, 對于一個固定的激 勵系統和固定的精度, 信噪比隨著傳感元件的數量增加而下降。 此外, 大量傳感元件使得系 統體積龐大、 價格昂貴。
     因此, 有必要提供一種改良的軟場層析成像系統和方法, 在沒有增加施加到測量 對象上的傳感元件數量的情況下, 改進被測對象內一個或多個特定區域的分辨率。
     發明內容 本發明的一個方面在于提供一種軟場層析成像方法, 該方法包括計算被測對象內 一個或多個特性的分布, 該計算被測對象內一個或多個特性分布的方法包括定義被測對象 的第一網格, 該網格包括若干個節點和單元。 向被測對象施加激勵, 計算被測對象對所施加 的激勵的計算響應, 取得一個對應于該激勵的參考響應, 根據所述第一網格、 計算響應和參 考響應計算該被測對象內一個或多個特性的分布, 更新所述第一網格里面的至少部分節點 該更新的網格中節點的連接關系與第一網格中的相同。 得到一個更新的網格,
     本發明的另一個方面在于提供一種軟場層析成像系統, 該系統包括若干個耦合到
     被測對象的傳感元件, 耦合到傳感元件的激勵驅動器, 用以經傳所述傳感元件向被測對象 施加激勵, 以及耦合到激勵驅動器的運算元件。 所述運算元件定義被測對象的第一網格, 該 網格包括若干個節點和單元, 向被測對象施加激勵, 計算被測對象對所施加的激勵的計算 響應, 取得一個對應于該激勵的參考響應, 根據所述第一網格、 計算響應和參考響應計算該 被測對象內一個或多個特性的分布, 根據所述計算的被測對象內一個或多個特性的分布確 定至少一個特定區域, 以及更新所述第一網格里面的至少部分節點得到一個更新的網格, 該更新的網格中節點的連接關系與第一網格中的相同。 附圖說明
     通過結合附圖對于本發明的實施例進行描述, 可以更好地理解本發明, 在附圖 中:
     圖 1 所示本發明軟場層析成像系統一個實施例的示意圖。
     圖 2 所示為根據本發明軟場層析成像方法一個實施例的流程圖。
     圖 3 所示運用本發明軟場層析成像方法的過程中定義的第一網格的一個實施例 的示意圖。
     圖 4 所示為圖 3 所示第一網格中三個節點以及該三個結點所定義的一個單元的示意圖。 圖 5 所示為軟場層析成像方法中在更新的網格一個例子的示意圖。
     圖 6 所示為兩個節點從圖 3 中第一網格的位置及其在圖 5 中更新網格的相應位置 的示意圖。
     具體實施方式
     本發明的若干個實施方式有關軟場層析成像 (soft field tomography, 下稱 “SFT” ) 系統和方法, 其通過測量被測對象內部結構的特性分布來再現和顯示該被測對象 的內部結構。在本文中, “SFT” 是指在某激勵場中, 例如電場、 磁場、 聲學激勵、 機械激勵、 熱場或其他可選擇的激勵場的環境下, 生成測量對象內部的特性分布。在某些實施例中, 每一個激勵、 測量值和分布的特性可能是真實的、 假想的或是二者相結合的。SFT 的例子包 括但不限于, 電阻抗成像 (electrical impedance tomography)、 電阻抗圖譜 (electrical impedance spectroscopy)、散 射 光 層 析 成 像 (diffuse optical tomography)、彈 性 成 像 (elastography)、 熱 敏 成 像 (thermography) 和 近 紅 外 光 譜 (near infrared spectroscopy)。
     本發明的實施例可依照功能和 / 或模塊及各種程序步驟來進行描述, 此類模塊可 被任何硬件、 軟件和 / 或模塊配置來執行特定功能。例如, 本發明的一個實施例可以采用各 種集成電路元件, 如存儲元件、 數字信號處理元件、 邏輯元件、 查表等等, 這些可以是由一個 或多個微處理器或其它控制裝置控制下進行。此外, 本發明的實施例可與任何數據傳輸協 議聯接執行, 而以下僅僅描述了本發明的一個實施例。
     參考圖 1 所述, 本發明一個軟場層析成像系統 10( 下稱 “系統 10” ) 通過測量被測 對象 12 內的特性分布來將對內部結構成像。在所述的實施例中, 系統 10 包括多個耦合到 被測對象 12 的傳感元件 14、 耦合到傳感元件 14 上的激勵驅動器 16 和響應探測器 18、 以及與激勵驅動器 16 和響應探測器 18 電耦合的運算元件 20。在圖 1 所示的實施例中, 系統 10 還進一步包括顯示器 21 來顯示系統生成的被測對象 12 內的圖像。
     在圖 1 所示的實施例中, 一個激勵驅動器 16 施加到傳感元件 14 上的激勵和通過 響應探測器 18 測得的響應都是電信號, 例如一個電流或一個電壓。在其他的實施例中, 激 勵驅動器 16 的激勵可包括一個或多個電信號、 光信號、 熱源、 機械激勵、 聲頻信號和磁場 ; 參考響應可包括一個或多個電信號、 光信號、 熱響應、 機械響應、 聲頻響應和磁場響應。 在所 示的實施例中, 運算元件 20 通過一模數轉換器 (DAC)22 向激勵驅動器 16 發出信號。在所 述的實施例中, 運算元件 20 通過數據采集元件 24 從響應探測器 18 接收響應。模數轉換器 和數據采集元件可以是任何可以執行相應功能的裝置。 在一個實施例中, 激勵驅動器 16、 響 應探測器 18、 DAC 22、 DAQ 24 及運算元件 20 是相互獨立的元件。在其他實施例中, 這些元 件中的任何兩個或多個可以集成為一個元件。
     被測對象 12 包括但不限于人體的部位、 管道或容器、 以及地質區域。每一個被測 對象 12 可能包含或顯示不同的特性, 包括但不限于導電性、 電阻、 電導率、 熱性質、 彈性、 光 吸收度、 光散射或聲音反射性能等等。根據本發明的若干實施例, 軟場層析成像系統 10 可 在多種應用中生成圖像, 包括涉及血液、 空氣和人體組織混合的人體部位成像, 涉及包括石 油和水的混流的管道成像, 以及涉及土壤和液體例如水和石油混合的地下成像等等。
     在圖 1 所示的實施例中, 若干傳感元件 14 固定在被測對象 12 的外圓周面上, 在其 他實施方式中, 傳感元件 14 可以是棒狀、 針狀或管狀, 可以是部分或全部插入、 延伸到被測 對象 12 內。在所示的實施例中, 傳感元件 14 可包括任何導電材料, 用于在被測對象 12 和 系統 10 之間建立電流。所述傳感元件材料可能包括金屬或合金, 如銅、 黃金、 白金、 鋼、 銀或 其中兩個或多個的合金。其他可供選擇的材料可能包括有導電性的非金屬, 如在微電路連 接中使用的硅材料。在一個用于人體部位 ( 如被測對象 12) 成像的實施例中, 傳感元件 14 包括銀 - 氯化銀。在某些實施例中, 傳感元件 14 可能是桿狀、 平板狀或針形結構。在某些 實施例中, 傳感元件 14 被用來傳送連續的電流或傳送脈沖電流。傳感元件 14 相互電絕緣。 在某些實施例中, 傳感元件 14 可以與被測對象 12 直接電接觸或與被測對象 12 電容耦合。
     在某些實施例中, 激勵驅動器 16 施加激勵到各個傳感元件 14。在一個實施例中, 激勵驅動器 16 包括一個電源 ( 未顯示 ) 和一個一到多路開關用于傳送電流到多個傳感元 件 14。在另一個實施例中, 激勵驅動器 16 包括多個電源, 將電流傳送到其相應的傳感元件 14。激勵驅動器 16 可施加直流電、 交流電或一個直流和交流結合的電流到各個傳感元件 14。 在一個人體部位成像的實施例中, 施加到傳感元件 14 的電流以 50kHz 的頻率在 0 至 0.1 毫安之間。在一個實施例中, 激勵驅動器 16 包括至少一個施加電壓到各個傳感元件 14。
     在某些實施例中, 響應探測器 18 測量各傳感元件 14 對施加到傳感元件 14 上的激 勵產生的相應響應信號。在一個實施例中, 響應探測器 18 包括一個電壓傳感器或電流傳感 器來測量傳感元件 14 對激勵驅動器 16 施加的電流或電壓產生的響應電壓或響應電流。在 一個實施例中, 響應探測器 18 還包括一個多通道模擬信號調節電路用于放大和 / 或過濾測 量到的響應電壓或電流。在其它實施例中, 運算元件 20 包括一個信號調節電路用于放大和 / 或過濾從響應探測器 18 收到的響應電壓或響應電流。 在一個實施例中, 響應探測器 18 將 測量的數據實時發送到運算元件 20 和 / 或數據采集 24。換句話說, 響應探測器 18 發送響 應電壓或電流到運算元件 20, 除了用于處理數據的時間外沒有不必要的延誤。在其它實施例中, 響應探測器 18 在一個確定的時間間隔與運算元件 20 和 / 或數據采集 24 進行通信。
     在某些實施例中, 生成被測對象 12 內部結構圖像的方法包括運算元件 20 定義一 個被測對象 12 的第一網格, 所述第一網格包括多個節點和單元。激勵驅動器 16 施加一個 激勵到被測對象 12, 運算元件 20 計算被測對象 12 對所施加的激勵的響應 (“計算響應” )。 運算元件 20 獲得一個對于施加激勵的參考響應, 并使用計算響應、 參考響應和第一網格計 算被測對象 12 內的特性分布。 運算元件 20 進一步更新第一網格至少部分節點, 形成一個更 新的網格。更新的網格的節點連接關系與第一網格節點連接關系相同。在某些實施例中, 激勵驅動器 16 施加一個更新的激勵到被測對象 12。 然后運算元件 20 計算一個對于該更新 激勵的更新響應, 并使用更新的計算響應、 參考響應和更新的網格計算更新的特性分布。
     參考圖 2 并結合圖 1, 如其中的實施例所示, 本發明一個實施例的軟場層析成像方 法是一個生成被測對象 12 內部結構圖像的迭代法。在一個實施例中, 本發明軟場層析成像 的方法是通過計算機如運算元件 20 執行的軟件。在另一個實施例中, 本發明的軟場層析成 像的方法是由多個硬件來執行。 所述迭代法包括在步驟 28 中, 運算元件 20 定義一個被測對 象 12 的第一網格。在步驟 32 中, 激勵驅動器 16 施加一個激勵到被測對象 12。在步驟 34 中, 運算元件 20 計算被測對象 12 對所施加的激勵的響應。在步驟 36, 運算元件 20 用計算 所得響應 ( 下稱 “計算響應” ) 和參考響應計算被測對象 12 內的一個或多個特性分布。在 步驟 38, 在圖示的實施例中, 運算元件 20 決定該成像過程結束或繼續到步驟 40。在一個實 施例中, 如果所述計算的特性分布與上一次迭代計算所得的特性分布之間的誤差小于設定 的值, 則過程結束 ; 否則繼續步驟 40, 運算元件 20 更新全部或部分第一網格的節點, 形成一 個更新的網格。在某些實施例中, 更新的網格中節點的數量以及節點連接關系與第一網格 的相同。在某些實施例中, 成像方法重復步驟 28-40, 直到步驟 38 中決定的誤差足夠小。
     在某些實施例中, 在方法開始時, 運算元件 20 定義了一個被測對象 12 的幾何結 構。在某些實施例中, 運算元件 20 設定所述幾何結構的形狀等假設, 并生成一個關于被測 對象 12 內特性分布的假設。 例如, 如欲測量一個被測對象 12 內部結構的三維結構或生成其 內部的三維圖像, 運算元件 20 設定一個由傳感元件 14 環繞的被測對象 12 的三維空間的幾 何結構。類似的, 如果欲欲測量一個被測對象 12 內部結構的二維結構或生成其內部結構的 二維圖像, 運算元件 20 產生一個由至少部分傳感元件 14 環繞的二維區域的幾何結構。在 一個實施例中, 運算元件 20 假設被測對象 12 的內部結構特性是均勻分布的。在一個實施 例中, 運算元件 20 假設被測對象 12 的幾何結構是對稱的或經分析后有清晰邊界。
     圖 3 中所示為步驟 28 所定義的第一網格 42 一個實施例的示意圖。圖示的第一網 格 42 是一個三角形網格, 其包括若干個單元 44, 每個單元 44 由三個節點 46 及節點之間的 連線形成。所述被測對象 12 外圍的傳感元件 14 形成該第一網格 42 的外部邊界, 每個單元 44 的每兩個節點 46 之間的連線定義對應單元 44 的內部邊界。在某些實施例中, 單元 44 的 數量與由激勵驅動器 16 施加到幾何結構的激勵數量相匹配。在二維幾何結構的實施例中, 第一網格 42 是一個二維網格, 單元 44 也是二維的。在三維幾何結構的實施例中, 第一網格 42 和第一網格中的單元 44 均是三維的, 且獲得的重建是被測對象 12 的內部結構的三維圖 像。在其它實施例中, 網格 42 可以是任何其他支持有限元計算的網格, 如包括多個矩形單 元的矩形網格或任何其他包括多個四面單元的四面體網格。在某些實施例中, 第一網格 42 可通過自動網格化軟件生成。回到圖 2, 在步驟 32, 激勵驅動器 16 施加給被測對象 12 或所述幾何結構一個或若 干個激勵。在一個實施例中, 激勵驅動器 16 施加電流到多個傳感元件 14。在另一實施例 中, 激勵驅動器 16 施加電壓到傳感元件 14。在一個實施例中, 所述激勵是正弦電流或一定 振幅和最優信噪比的電壓。在一個實施例中, 所述激勵并行施加到所述傳感元件上 14 或通 過一到多路開關同時施加到多個傳感元件 14。在另一實施例中, 所述激勵是相繼施加到多 個傳感元件 14。在某些實施例中, 施加到每個傳感元件 14 的激勵可以是相同或不同的。在 某些實施例中, 激勵驅動器 16 連續施加至少兩組電流或電壓到每個傳感元件 14。因此, 施 加到傳感元件 14 的激勵總數將由被測對象 12 的多個傳感元件 14 的若干倍。
     在步驟 34, 在圖示的實施例中, 運算元件 20 計算被測對象 12 對所施加的激勵的 響應。在一個實施例中, 運算元件 20 使用分析方程組來計算所述響應。在另一實施例中, 運算元件 20 在施加于幾何結構的激勵、 相應計算響應以及所述第一網格 42 之間建立關系。 在所示以電流作為激勵的實施例中, 計算響應或傳感元件所測得電位 (UE) 可根據下面的方 程式 1 獲得 :
     方程式 1其中 “A” 是一個由被測對象 12 內電導率分布確定的矩陣 ; “U” 是不能直接測量被 測對象 12 的電位分布 ; “UE” 是在計算所得的傳感元件 14 上的電位 ; 和 “Id” 是施加到傳感 元件 14 的激勵或電流。因此, 對于一個給定的施加到傳感元件 14 的激勵或電流 (Id), 被測 對象 12 的響應或電位 (U) 以及傳感元件 14 上的計算響應或電位 (UE), 可通過方程式 1 求 解。在一個實施例中, 計算的響應 (UE) 包括多個分別相應的傳感元件 14 對于施加的電激 勵或電流的計算出的電位。 在一個計算響應電位的實施例中, 運算元件 20 設有根據步驟 30 定義的第一網格 42 的有限元模型 (FEM)。 因為這個有限元模型假設所述幾何結構內沒有內 部電源, 所以幾何結構內的電場可根據基爾霍夫定律 (Kirchoff’ slaw, 方程式 2) 的連續形 式描述 :
     方程式 2其 中, 是 拉 普 拉 斯 算 子, “u”是 網 格 某 一 點 的 電 位, “σ”是 電 導 率, 和 是散度算子。傳感元件 14 包括的幾何結構外部邊界情況在數學上由高斯定理 (Gauss‘Theorem, 方程式 3) 確定 :
     方程式 3其中 “s” 是一個外部邊界的邊界表面, “ “r” 是一個與邊界表面 (s) 垂直的向量, “I” 是傳感元件 14 的電流向量。幾何結構的內邊界如方程式 4 :
     方程式 4因此, 在步驟 34, 運算元件 20 收到估計的電導率 (σ), 并根據施加的激勵計算得 到所述計算響應 (UE)。用有限元法, 將方程式 2-4 適用到第一網格 42 中的各個單元 44。方 程式 1 中的系統矩陣 (A) 包括被測對象 12 的幾何結構和估計的電導率 (σ), 其可以通過方 程式 2-4 求解。
     在一個實施例中, 運算元件 20 假定在外部邊界之內, 在確定的第一網格 42 的每個單元 44 都有均勻的電導率 (σi)。外部邊界內的電位分布 (U) 是一個位置的連續函數。
     在某些實施例中, 每個單元 44 內的電位 (u) 是近似為一組基函數的線性組合, 加 權每個單元節點的電位 (unode_i)。在某些實施例中, 運算元件 20 計算每個單元 44 的本地矩 陣 (Ae)。 在某些實施例中, 電導率 (σi) 和以一組基函數的內差值替換的電位 (u) 與本地矩 陣 (Ae) 相結合。 每個節點的電位 (unode_i) 為二維三角單元形成一個矢量 u = [u1 u2 u3]’ , 如圖 4 所示。在一個單元中的每個節點的電位 (unode_i) 為三維四面單元形成一個矢量 u = [u1 u2 u3 u4]’ ( 未圖示 )。施加的激勵或電流形成另一個矢量 (b)。因此, 方程式 2-4 可 為每個單元簡化為下面的本地系統方程式 5 :
     Ae*u = b. 方程式 5
     在某些實施例中, 運算元件目根據各個單元 44 之間的聯接關系將所述本地矩陣 (Ae) 合并進系統矩陣 (A), 則方程 5 中的本地系統方程可以用來涵蓋被測對象 12 的整個幾 何結構。在傳感元件 14 上的的計算響應 (UE) 可以根據下面的方程 6 得到 :
     [uE] = UE(σ, I) = J(ρ)I, 方程 6
     其中, “I” 矩陣形式的電流或激勵 ; “ρ” 是阻抗率, 其是電導率 (σ) 的倒數 ; “U” 矩陣形式的電位或響應 ; “J” 是雅可比矩陣。從而, 所述計算響應 (UE) 可以通過求解方程 6 得到。 仍舊參照圖 2 所示, 在步驟 36, 運算元件 20 用所述計算響應和參考響應來計算被 測對象 12 或其幾何結構內的一個或多個特性的分布。在一個實施例中, 所述參考響應是由 響應探測器 18 在傳感元件 14 上測得的響應。在其他的實施例中, 所述參考響應可以是用 模擬或從其他相關的數據庫中得到的參考數據。在一個實施例中, 運算元件 20 比較所述計 算響應和相應的參考響應。在一個實施例中, 所述運算單元 20 運算得到一組特性分布, 該 組特性分布使得下面方程式 7 的最小 :
     min{|Um-UE(σ)||2+α||Pσ||2}, 方程式 7
     其中 “P” 是正則化矩陣 ; “α” 是邊界條件, 且α>0; “Um” 是測得電位 ( 參考響 應); “UE” 中計算所得的電位 ( 計算響應 )。在一個實施例中, 方程式 7 是根據高斯牛頓定 律用迭代法求解。在每一步迭代中, 運算元件 20 根據下面的方程式 8 計算阻抗率 (ρi) 的 修正值 (Δρi) :
     Δρi = (JTJ+αPTP)-1(JT(Um-Ufwd(ρi))-αPTPρi), 方程式 8
     其中, “J” 是方程式 6 中的雅可比矩陣。從而, 每一步迭代都生成被測對象 20 或 其幾何結構內的新的特性分布。
     在步驟 38, 在所示實施例中, 如果運算元件 20 判斷該的新電導率和計算所得電導 率的誤差是否足夠小。如果是, 該過程停止 ; 如果否, 繼續步驟 40。
     在某些實施例中, 運算元件 20 在步驟 40 更新網格中的至少部分節點, 以形成一個 更新的網格, 該更新的網格中, 節點的連接關系與之前網格中的節點連接關系一致。 換句話 說, 在更新前后的網格內, 每個單元的邊界是由相同的兩個節點連接形成的。在某些實施 例中, 節點的數量在網格更新前后不變。在某些實施, 運算元件 20 更新所述對被測對象 12 幾何結構的假設, 可以根據測量數據、 計算數據、 來自運算元件 20 存儲的數據、 或者從其指 令。
     在某些實施例中, 運算元件 20 確定一個或多個特定區域 45, 并在形成更新的網格
     過程中進一步細化在所述特定區域 45 的單元。在某些實施例中, 被測對象 12 電導率或阻 抗率位于某一特定范圍內的位置相對于其他的位置需要更高的測量精度或圖像分辨率, 該 位置即被定義為特定區域 45。在一個實施例中, 運算元件 20 在步驟 40 中確定至少一個特 定區域 45, 并在更新網格的過程中, 使得該特定區域 45 附近的節點 46 向該特定區域 45 移 動。因此, 更新后網格中, 在特定區域 45 處的單元空間面積或體積變小, 從而用本發明方法 得到的圖像或測量結果在特定區域 45 處有更高的精度或圖像分辨率。
     在一個實施例中, 圖 3 中第一網格 42 中的每個節點 46 朝著特定區域 45 移動, 從 而形成圖 5 所示的更新的網格 48。在一個實施例中, 每個節點 46 的移動距離是該節點到 特定區域 45 內一個確定的點、 一個中心、 或者其邊緣的距離 (d) 的函數。圖 6 示意兩個節 點 (N1, N2) 從第一網格 42 中的位置朝著特定區域 45 移動, 進而移到更新的網格 48 中相應 的位置 (N1’ , N2’ )。在圖 6 所示的實施例中, 從 N1 到 N1′的移動距離 (Δd) 與距離 (Δd) 的 N 次方成反比, 如方程式 9 所示的平方成反比 :
     方程式 9其中 “K” 是一個系數。因此, 更新的網格中, 特定區域 45 處的單元更密集, 每一個 迭代均取得比前一次迭代更高的空間分辨率和計算精度。而每次迭代過程中, 網格單元數 量、 其及在網格中和矩陣元素中的對應關系在更新前后不變。
     在某些實施例中, 節點的變動不僅取決于節點與特定區域 45 之間的距離, 而且受 限于比如場分布強度、 以及物理位置限制等其他條件的限制。 在一個實施例中, 電流密度隨 著節點與電極之間距離的增加而減小。 電極附近節點的一個較小的運動距離可以取得一個 遠離電極的節點的較大移動距離類似的效果。因此, 可以通過設定節點移動的比例參數來 彌補這一限制, 例如根據方程式 10 :
     其中的 “R” 是該節點到任一電極 14 的最短距離。
     在某些實施例中, 節點的運動是受被測對象 12 的幾何結構或特定區域 45 的邊界 的物理限制。節點的位置和傳感元件的大小需要與傳感元件邊界相對應。被測對象 12 邊 界上的節點, 其更新受邊界的限制。在某些實施, 被測對象 12 有不設置任何節點的空白區 域, 網格更新過程中, 節點的運動亦應受到限制, 以防止移動到該空白區域內。
     雖然結合特定的實施例對本發明進行了說明, 但本領域的技術人員可以理解, 對 本發明可以作出許多修改和變型。 因此, 要認識到, 權利要求書的意圖在于覆蓋在本發明真 正構思和范圍內的所有這些修改和變型。
    

關 鍵 詞:
層析 成像 系統 方法
  專利查詢網所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網友學習交流,未經上傳用戶書面授權,請勿作他用。
關于本文
本文標題:軟場層析成像系統和方法.pdf
鏈接地址:http://www.wwszu.club/p-6418680.html
關于我們 - 網站聲明 - 網站地圖 - 資源地圖 - 友情鏈接 - 網站客服客服 - 聯系我們

[email protected] 2017-2018 zhuanlichaxun.net網站版權所有
經營許可證編號:粵ICP備17046363號-1 
 


收起
展開
鬼佬大哥大