軟場層析成像系統及軟場層析成像方法
2023-05-04 16:11:46 1
軟場層析成像系統及軟場層析成像方法
【專利摘要】本發明揭示一種軟場層析成像系統。該軟場層析成像系統包括：軟場層析裝置，用來向被測對象施加激勵，並獲得所述激勵所對應的測量響應，所述軟場層析裝置包括若干傳感元件，用來連接至所述被測對象；跟蹤裝置，連接於所述傳感元件，用來獲得所述傳感元件的位置信息；前向模塊，連接於所述跟蹤裝置，用來產生所述被測對象的對象網格及所述激勵的預測響應，所述對象網格包括所述傳感元件的位置信息；及重建模塊，連接於所述軟場層析裝置及前向模塊，用來根據所述對象網格、所述激勵、所述測量響應和所述預測響應重建所述被測對象的圖像。
【專利說明】軟場層析成像系統及軟場層析成像方法
【技術領域】
[0001]本發明有關一種軟場層析成像系統及軟場層析成像方法，尤其涉及一種軟場層析軟場層析成像系統及軟場層析成像方法。
【背景技術】
[0002]軟場層析成像(soft field tomography)是一種對被測對象外形及內部結構進行測量和成像的技術，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。軟場層析成像基於激勵(例如電流)和從被測對象外表面測得的響應(例如電壓)重建對象內部材料的特性(例如，導電性、介電常數、彈粘性、磁特性等)。軟場層析成像包括但不限於，電阻抗層析成像(electrical impedance tomography)、阻抗圖譜(electricalimpedance 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(magneticinduct1n tomography)。
[0003]圖像中的對象的外形誤差是影響圖像質量的因素之一。傳統地，對象的外形通過解剖成像方法獲得，例如，磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)、計算機斷層掃描(Computed Tomography, CT)。解剖成像方法獲得的外形用來產生網格,用於軟場層析成像中。然而，在某些監測應用中(例如，監測呼吸)，被測對象的外形會不時地變化。例如，在使用軟場層析成像方法重建人體肺部的外形的時候，由於呼吸等原因肺部的外形會不斷變化。然而，利用傳統的成像方法很難獲得被測對象的實時變化的外形圖像。
[0004]因此，有必要提供一種軟場層析成像系統及軟場層析成像方法來解決上面提及的技術問題。
【發明內容】
[0005]本發明的一個方面在於提供一種軟場層析成像系統。該軟場層析成像系統包括:軟場層析裝置，用來向被測對象施加激勵，並獲得所述激勵所對應的測量響應，所述軟場層析裝置包括若干傳感元件，用來連接至所述被測對象；跟蹤裝置，連接於所述傳感元件，用來獲得所述傳感元件的位置信息；前向模塊，連接於所述跟蹤裝置，用來產生所述被測對象的對象網格及所述激勵的預測響應，所述對象網格包括所述傳感元件的位置信息；及重建模塊，連接於所述軟場層析裝置及前向模塊，用來根據所述對象網格、所述激勵、所述測量響應和所述預測響應重建所述被測對象的圖像。
[0006]本發明的另一個方面在於提供一種軟場層析成像方法。該軟場層析成像方法包括以下步驟:給被測對象施加激勵；獲得所述激勵所對應的測量響應；獲得連接至所述被測對象的若干傳感元件的位置信息；產生所述被測對象的對象網格，所述對象網格包括所述傳感元件的位置信息；產生所述激勵的預測響應；及根據所述對象網格、所述激勵、所述測量響應和所述預測響應重建所述被測對象的圖像。
[0007]本發明的軟場層析成像系統及軟場層析成像方法利用傳感元件的位置信息可產生實時變化的被測對象的圖像。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]通過結合附圖對於本發明的實施方式進行描述，可以更好地理解本發明，在附圖中:
[0009]圖1所示為本發明軟場層析成像系統的一個實施例的模塊圖。
[0010]圖2所示為本發明傳感元件附著在被測對象上的一個實施例的示意圖。
[0011]圖3所示為本發明被測對象的初始網格的一個實施例的示意圖。
[0012]圖4所示為本發明傳感元件的位置信息的一個實施例的示意圖。
[0013]圖5所示為本發明被測對象的對象網格的一個實施例的示意圖。
[0014]圖6所示為本發明軟場層析成像方法的一個實施例的流程圖。
[0015]圖7所示為本發明軟場層析成像方法的另一個實施例的流程圖。
[0016]圖8所示為本發明軟場層析成像方法的另一個實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0017]本發明的若干個實施方式有關軟場層析成像(soft field tomography)系統和方法，其通過測量被測對象外形和內部結構的特性分布來再現和顯示該被測對象的外形和內部結構。在本文中，「軟場層析成像」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和外形。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。軟場層析成像的例子包括但不限於，電阻抗成像(electrical impedance tomography) >電阻抗圖譜(electrical impedance spectroscopy)、散射光層析成像(diffuse opticaltomography)、彈性成像(elastography)、熱敏成像(thermography)和近紅外光譜(nearinfrared spectroscopy)。
[0018]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體、軟體和/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採用各種集成電路元件，如存儲元件、數位訊號處理元件、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。
[0019]除非另作定義，此處使用的技術術語或者科學術語應當為本發明所屬領域內具有一般技能的人士所理解的通常意義。本發明專利申請說明書以及權利要求書中使用的「第一」「第二」 以及類似的詞語並不表示任何順序、數量或者重要性，而只是用來區分不同的組成部分。同樣，「一個」或者「一」等類似詞語也不表示數量限制，而是表示存在至少一個。除非另行指出，「前部」 「後部」 「下部」和/或「上部」等類似詞語只是為了便於說明，而並非限於一個位置或者一種空間定向。「包括」或者「包含」等類似的詞語意指出現在「包括」或者「包含」前面的元件或者物件涵蓋出現在「包括」或者「包含」後面列舉的元件或者物件及其等同，並不排除其他元件或者物件。「連接」或者「相連」等類似的詞語並非限定於物理的或者機械的連接，而是可以包括電性的連接，不管是直接的還是間接的。「圖像」等類似的詞語並非限定於可視圖像，而是可以包括用於圖像顯示的數據。
[0020]圖1所示為本發明軟場層析成像系統100的一個實施例的模塊圖。軟場層析成像系統100包括軟場層析裝置11、跟蹤裝置13、前向模塊15、重建模塊17和處理器19。軟場層析裝置11用來向被測對象21 (例如患者)施加激勵並從被測對象21獲得激勵所對應的測量響應。
[0021]在一些實施例中，被測對象21為人體部位，例如頭、胸、腿等，其內部的氣體、血液、肌肉、脂肪和其他組織具有不同的導電性。軟場層析成像系統100測量被測對象21的外形和內部材料的特性，通過測量人體部位的內部特性輔助疾病的診斷分析，例如出血、腫瘤、肺功能等的檢測。本發明被測對象21並不局限於人體，本發明也可適用於動物等。
[0022]軟場層析裝置11包括若干傳感元件23、激勵驅動器25和響應探測器27。傳感元件23用來連接至被測對象21。傳感元件23 (例如電極)放置在或靠近被測對象21，在醫療應用中(例如，患者監測或組織特性檢測)將傳感元件23附著於患者的皮膚表面。例如，傳感元件23可放置在被測對象21的外表面(例如電極、超聲探頭)，可靠近被測對象21的外表面(例如射頻天線)，或者刺入被測對象21 (例如針電極)。如此傳感元件23可是不同的形式，例如表面接觸電極、對峙電極、電容耦合電極、導電線圈、天線等。
[0023]在一些實施例中，傳感元件23由任意合適的材料製成。例如，傳感元件23的類型可以基於特定應用，以使相應的傳感元件類型(例如，電極、天線等)用來生產軟場激勵(例如，電磁場)並接收對象對該激勵的響應，以用於特定應用。在一些實施例中，導電物質可用來建立電流。例如，可以從諸如銅、金、鉬、鋼、銀及其合金的一種或多種金屬形成傳感元件23。其他用於形成傳感元件23的物質包括導電的非金屬，諸如與微電路一起使用的矽基物質。另外，傳感元件23可以是各種不同的形狀和/或尺寸，例如，棒狀、平板狀或針狀結構。在一些實施例中，傳感元件23是彼此絕緣的。在其他實施例中，傳感元件23可以定位為與被測對象21直接歐姆接觸或電容耦合至被測對象21。
[0024]在操作中，全部傳感元件23或部分傳感元件23可以用於傳輸信號(例如，傳遞或調製信號)，例如，連續地傳遞電流或傳遞時變信號，以使激勵可以在暫時的或變化的頻率範圍上(例如，IkHz到IMHz)施加至被測對象21以在被測對象21內生成電磁場。
[0025]激勵驅動器25連接於傳感元件23，用來提供激勵給傳感元件23。激勵驅動器25可以由控制器(未圖示)控制，根據控制器發出的指令驅動傳感元件23。激勵驅動器25可以與全部傳感元件23或部分傳感元件23連接。激勵驅動器25可以基於激勵模式提供激勵電流或激勵電壓給傳感元件23。
[0026]響應探測器27連接於傳感元件23，用來測量傳感元件23上的測量響應。響應探測器27可以測量傳感元件23上被測對象21對激勵電流(或激勵電壓)的響應電壓(或響應電流)。響應探測器27可以與全部的傳感元件23或者部分傳感元件23連接。在一些實施例中，響應探測器27可包括一個或多個模擬信號調節器(未圖示)，用來放大和/或濾波響應電壓或電流。
[0027]在一實施例中，激勵驅動器25和響應探測器27可以是物理上分離的裝置。在另一實施例中，激勵驅動器25和響應探測器27可以物理上集成為一個裝置。激勵驅動器25提供給傳感元件23的激勵和響應探測器27探測到的測量響應均是電信號，例如電流、電壓。在其他實施例中，激勵可包括電信號、光信號、熱源、機械激勵、聲信號和磁信號中的一個或多個。測量響應可包括電信號、光信號、熱響應、機械響應、聲學響應和磁場響應中的一個或多個。
[0028]跟蹤裝置13連接於傳感元件23，用來獲得傳感元件23的位置信息。在一實施例中，跟蹤裝置13可包括磁跟蹤裝置(未圖示)，利用電磁原理跟蹤傳感元件23的位置。在另一個實施例中，跟蹤裝置13可包括若干連接於傳感元件23的位置傳感器(未圖示)，用來獲得傳感元件23的位置信息。跟蹤裝置13並非限制為磁跟蹤裝置和位置傳感器，其他能夠跟蹤傳感元件23的跟蹤系統也可使用。
[0029]前向模塊15連接於跟蹤裝置13，用來產生被測對象21的對象網格及激勵的預測響應。前向模塊15基於激勵和對象網格通過解前向方程計算預測響應(例如，電壓或電流)。對象網格包括傳感元件23的位置信息。對象網格具有若干節點和單元。前向模塊15用來根據傳感元件23的位置信息實時更新對象網格。對象網格可動態更新，如此在監測過程中可產生被測對象21的實時變化的外形結構。
[0030]在一些實施例中，前向模塊15用來產生被測對象21的初始網格並根據初始網格和傳感元件23的位置信息產生對象網格。初始網格也具有若干節點和單元。在一實施例中，前向模塊15用來產生被測對象21的預計算外形並根據預計算外形產生初始網格。在一些實施例中，被測對象21的預計算外形可以是近似於被測對象21的實際外形的通用幾何形狀(例如，球體、圓柱體)。例如，當被測對象21為患者的頭時，頭的預計算外形可以是近似於頭的形狀的球體。在一些實施例中，被測對象21的預計算外形可以從被測對象21的實際的幾何模型集中篩選出來。例如，當被測對象21為患者的頭時，頭的預計算外形可以是從頭的實際的幾何模型集中篩選出的近似於該患者的頭的形狀的模型，該實際的幾何模型集可以是包含各種患者的頭的形狀的集合。初始網格通過離散預計算外形獲得。在另一實施例中，初始網格可以從網格集中篩選獲得。在再一實施例中，初始網格可以通過解剖成像方法(例如，磁共振成像方法(MRI )、計算機斷層掃描成像方法(CT)或其他成像方法)獲得的被測對象21的外形產生。
[0031]處理器19連接於前向模塊15、軟場層析裝置11及重建模塊17，用來計算激勵。處理器19根據被測對象21的外形和傳感元件23的形狀計算提供給被測對象21的激勵，並提供激勵給激勵驅動器25、前向模塊15和重建模塊17。在一實施例中，根據被測對象21的預計算外形計算激勵。在另一個實施例中，根據實時更新的對象網格實時計算激勵，如此激勵可以根據實時更新的對象網格進行實時更新，從而可以提供較優的激勵給傳感元件23。
[0032]重建模塊17連接於軟場層析裝置11及前向模塊15，用來根據對象網格、激勵、測量響應和預測響應重建被測對象的圖像。重建模塊17連接於響應探測器27來接收被測對象21的測量響應。重建模塊17從前向模塊15接收預測響應和對象網格。重建模塊17也連接於處理器19來接收激勵。重建模塊17可以是任意類型的執行軟場圖像重建的處理器件或計算裝置。重建模塊17可以是硬體、軟體或兩者的結合。
[0033]被測對象21的圖像包括根據對象網格重建的被測對象21的外形和根據激勵、測量響應和預測響應重建的被測對象21的內部特性分布。利用一個或多個適當的軟場層析重建方法重建被測對象21的外形和內部電特性分布。例如，利用牛頓一步錯誤再現法或迭代法(高斯-牛頓迭代法)正演模擬響應以及利用測量響應和預測響應的誤差項收斂獲得。
[0034]圖1所示的若干元器件可以物理上獨立或組合在一起。例如，跟蹤裝置13和軟場層析裝置11可以是物理上相互獨立的裝置或兩者整合為一個元件；前向模塊15可以與處理器19結合。圖1所示的若干元器件可以是硬體、軟體或兩者的結合，例如，重建模塊17、前向模塊15等。
[0035]圖2所示為傳感元件23附著在被測對象21上的一個實施例的示意圖。在圖示實施例中，傳感元件23分散地排布在被測對象21的表面，來提供激勵給被測對象21並獲得來自被測對象21的響應。傳感元件23的數目和排布方式可影響被測對象21的圖像。
[0036]圖3所示為一個實施例的被測對象的初始網格31的示意圖。初始網格31包括節點33和單元35。圖4所示為一個實施例的傳感元件的位置信息41的示意圖。傳感元件連接於圖3所對應的被測對象上。位置信息41可以通過圖1所示的跟蹤裝置13獲得。圖5所示為被測對象的對象網格51的一個實施例的示意圖。結合圖3所示的初始網格31和圖4所示的位置信息41產生對象網格51。對象網格51包括傳感元件的位置信息41。
[0037]圖6所示為軟場層析成像方法600的一個實施例的流程圖。軟場層析成像方法600包括功能模塊601至606中的動作。在功能模塊601中，給被測對象施加激勵。激勵可通過圖1所示的激勵驅動器25和傳感元件23提供。在功能模塊602中，獲得激勵所對應的測量響應。測量響應可以通過圖1所示的響應探測器27測得。
[0038]在功能模塊603中，獲得連接至被測對象的若干傳感元件的位置信息。在監測等應用中(例如，呼吸監測)，傳感元件的位置信息實時變化。傳感元件可以通過圖1所示的跟蹤裝置13被實時跟蹤。在功能模塊604中，產生被測對象的對象網格。對象網格包括傳感元件的位置信息。對象網格根據傳感元件的位置信息進行實時更新。對象網格可以由圖1所示的前向模塊15產生。在功能模塊605中，產生激勵的預測響應。根據激勵和對象網格計算預測響應。
[0039]在功能模塊606中，根據對象網格、激勵、測量響應和預測響應重建被測對象的圖像。被測對象21的圖像包括根據對象網格重建的被測對象21的外形和根據激勵、測量響應和預測響應重建的被測對象21的內部特性分布。被測對象的外形圖像根據對象網格實時更新，因此可以獲得實時更新的被測對象的圖像。在一些實施例中，軟場層析成像方法600的第一分支607可以與第二分支609同時進行。
[0040]圖7所示為另一個實施例的軟場層析成像方法700的流程圖。相比於圖6所示的軟場層析成像方法600，軟場層析成像方法700進一步包括功能模塊701、704和705中的動作。在功能模塊704中，產生被測對象的預計算外形。預計算外形可以是通用的幾何圖形(例如，球體、圓柱體)或從實際形狀模型集中篩選出來的形狀。在功能模塊705中，根據預計算外形產生初始網格。初始網格通過離散預計算外形產生。在一些實施例中，初始網格從網格集中篩選獲得，或根據其他成像方法獲得的外形圖像產生。
[0041]圖7所示的功能模塊706中的動作類似於圖6所示的功能模塊603中的動作。在一些實施例中，在功能模塊706中的動作可以與功能模塊704和/或705中的動作同時進行。在功能模塊707中，根據初始網格和傳感元件的位置信息產生對象網格。在功能模塊701中，計算提供給被測對象的激勵。至少根據被測對象的預計算外形計算激勵。在一些實施例中，功能模塊701中的動作可與功能模塊705、706和/或707中的動作同時進行。功能模塊702中的動作類似於圖6所示的功能模塊601中的動作。功能模塊703中的動作類似於圖6所示的功能模塊602中的動作。功能模塊708中的動作類似於圖6所示的功能模塊605中的動作。功能模塊709中的動作類似於圖6所示的功能模塊606中的動作。
[0042]圖8所示為另一個實施例的軟場層析成像方法800的流程圖。軟場層析方法800類似於圖7所示的軟場層析成像方法700。相比於圖7所示的軟場層析成像方法700，圖8所示的軟場層析成像方法800的功能模塊801中，根據實時更新的對象網格實時計算激勵。對象網格根據傳感元件的位置信息實時更新，因此激勵可以實時進行更新，從而可實時提供較優的激勵給被測對象。功能模塊802至809中的動作分別類似於圖7中對應的功能模塊702至709中的動作。
[0043]軟場層析成像方法600、700和800的動作以功能模塊的形式圖示，圖6、7和8所示的功能模塊的先後順序和功能模塊中動作的劃分並非限於圖示的實施例。例如，功能模塊可以按照不同的順序進行；一個功能模塊中的動作可以與另一個或多個功能模塊中的動作組合，或拆分為多個功能模塊。
[0044]雖然結合特定的實施方式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於涵蓋在本發明真正構思和範圍內的所有這些修改和變型。
【權利要求】
1.一種軟場層析成像系統，其特徵在於:所述軟場層析成像系統包括: 軟場層析裝置，用來向被測對象施加激勵，並獲得所述激勵所對應的測量響應，所述軟場層析裝置包括若干傳感元件，用來連接至所述被測對象； 跟蹤裝置，連接於所述傳感元件，用來獲得所述傳感元件的位置信息； 前向模塊，連接於所述跟蹤裝置，用來產生所述被測對象的對象網格及所述激勵的預測響應，所述對象網格包括所述傳感元件的位置信息；及 重建模塊，連接於所述軟場層析裝置及前向模塊，用來根據所述對象網格、所述激勵、所述測量響應和所述預測響應重建所述被測對象的圖像。
2.如權利要求1所述的軟場層析成像系統，其特徵在於:所述前向模塊用來產生所述被測對象的初始網格並根據所述初始網格和所述傳感元件的所述位置信息產生所述對象網格。
3.如權利要求2所述的軟場層析成像系統，其特徵在於:所述前向模塊用來產生所述被測對象的預計算外形並根據所述預計算外形產生所述初始網格。
4.如權利要求3所述的軟場層析成像系統，其特徵在於:所述軟場層析成像系統進一步包括與所述前向模塊、所述軟場層析裝置及所述重建模塊連接的處理器，用來根據所述被測對象的所述預計算外形計算所述激勵。
5.如權利要求1所述的軟場層析成像系統，其特徵在於:所述前向模塊用來根據所述傳感元件的所述位置信息 實時更新所述對象網格。
6.如權利要求5所述的軟場層析成像系統，其特徵在於:所述軟場層析成像系統進一步包括與所述前向模塊、所述軟場層析裝置及所述重建模塊連接的處理器，用來根據實時更新的所述對象網格實時計算所述激勵。
7.如權利要求1所述的軟場層析成像系統，其特徵在於:所述軟場層析裝置包括: 激勵驅動器，連接於所述傳感元件，用來提供所述激勵給所述傳感元件；及 響應探測器，連接於所述傳感元件，用來測量所述傳感元件上的所述測量響應。
8.如權利要求1所述的軟場層析成像系統，其特徵在於:所述被測對象的圖像包括根據所述對象網格重建的所述被測對象的外形。
9.如權利要求1所述的軟場層析成像系統，其特徵在於:所述跟蹤裝置包括若干連接於所述傳感元件的位置傳感器，用來獲得所述傳感元件的所述位置信息。
10.一種軟場層析成像方法，其特徵在於:所述軟場層析成像方法包括以下步驟: 給被測對象施加激勵； 獲得所述激勵所對應的測量響應； 獲得連接至所述被測對象的若干傳感元件的位置信息； 產生所述被測對象的對象網格，所述對象網格包括所述傳感元件的位置信息； 產生所述激勵的預測響應；及 根據所述對象網格、所述激勵、所述測量響應和所述預測響應重建所述被測對象的圖像。
11.如權利要求10所述的軟場層析成像方法，其特徵在於:所述產生所述被測對象的對象網格的步驟包括產生所述被測對象的初始網格並根據所述初始網格和所述傳感元件的所述位置信息產生所述對象網格。
12.如權利要求11所述的軟場層析成像方法，其特徵在於:所述產生所述被測對象的初始網格的步驟包括產生所述被測對象的預計算外形並根據所述預計算外形產生所述初始網格。
13.如權利要求12所述的軟場層析成像方法，其特徵在於:所述軟場層析成像方法進一步包括根據所述被測對象的所述預計算外形計算所述激勵。
14.如權利要求10所述的軟場層析成像方法，其特徵在於:所述產生所述被測對象的對象網格的步驟包括根據所述傳感元件的所述位置信息實時更新所述對象網格。
15.如權利要求14所述的軟場層析成像方法，其特徵在於:所述軟場層析成像方法進一步包括根據實時更新的所述對象網格實時計算所述激勵。
16.如權利要求10所述的軟場層析成像方法，其特徵在於:所述重建所述被測對象的圖像的步驟包括 根據所述對象網格重建所述被測對象的外形。
【文檔編號】A61B5/00GK104068854SQ201310108991
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年3月29日 優先權日:2013年3月29日
【發明者】牛冉, 亞歷山大.S.羅斯, 布魯斯.C.C.安穆, 高子仁, 譚偉 申請人:通用電氣公司