肺部三維EIT模型構(gòu)建與圖像重建研究

陳曉艷 褚猛麗 常曉敏 章曉潔

（天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300222）

肺部三維EIT模型構(gòu)建與圖像重建研究

陳曉艷?褚猛麗 常曉敏 章曉潔

（天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300222）

肺部三維電阻抗圖像重建是電阻抗成像技術(shù)的重要應(yīng)用之一。利用3D光學(xué)云點(diǎn)技術(shù)對人體胸腔區(qū)域掃描，并融合X圖像提供的肺部結(jié)構(gòu)構(gòu)建肺部三維EIT仿真模型。根據(jù)肺部膨脹及收縮時的電導(dǎo)率先驗(yàn)知識，由COMSOL軟件求解獲得三維靈敏度矩陣，并在Matlab平臺下由共軛梯度迭代算法重建肺部EIT斷層圖像，進(jìn)行三維立體重構(gòu)，獲得3D EIT圖像。為研究電流敏感場均勻性，設(shè)置4組不同電極層間距進(jìn)行比較仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，對于33 cm胸腔區(qū)域，電極層間距為8 cm時，成像效果最佳，其最大相關(guān)系數(shù)為0.810 3，敏感場均勻性為1.869 6×103，結(jié)構(gòu)相似度為0.482 5，靈敏場的均勻性明顯改善，有利于圖像重建質(zhì)量的提高。

電阻抗成像；肺部三維；圖像重建；共軛梯度迭代；先驗(yàn)信息

引言

EIT是一種新穎的無損成像技術(shù)，它根據(jù)物體內(nèi)部組織電特性，對其表面施加安全電壓/電流激勵，通過測量物體邊界電信號，重建物體內(nèi)部電特性參數(shù)的分布及其變化情況［1-2］。電阻抗成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域［3］更為社會各界所關(guān)注，如在肺通氣監(jiān)測［4-5］、腦組織變化跟蹤［6］、胃排空與收縮狀態(tài)檢測［7］等方面。目前在國內(nèi)肺部三維EIT成像研究中，天津大學(xué)王化祥小組采用人體胸腔輪廓，但僅局限于二維圖像重建；河北工業(yè)大學(xué)徐桂芝小組利用4層電極在圓柱體邊界模型下進(jìn)行肺部成像，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)肺呼吸過程圖像重建［8］；國外的曼徹斯特大學(xué)EIT課題小組利用MR圖像構(gòu)建胸腔輪廓模型，并結(jié)合分割方法與信息相互計(jì)算進(jìn)行肺部三維圖像重建［9］。上述圖像重建模型各有優(yōu)點(diǎn)，但也各自存在缺陷，不斷探究更優(yōu)的圖像重建模型是三維EIT圖像重建的重要研究方向。

EIT 電極分布［10-11］影響三維圖像重建質(zhì)量［12］。電極層間距離越大，敏感場均勻性越差；但是層間距離越小，測量的范圍就受限制，不能真實(shí)地反映胸腔內(nèi)肺部的空間三維分布情況。本研究對不同電極層間距離進(jìn)行對比、仿真成像試驗(yàn)，采用相關(guān)系數(shù)、均勻場靈敏度性、結(jié)構(gòu)相似度3種評價指標(biāo)進(jìn)行電極層間距離的優(yōu)化。

1 方法

采用光學(xué)云點(diǎn)掃描構(gòu)建人體胸腔三維輪廓，并在胸腔模型中按真實(shí)人體肺臟構(gòu)建模型，以融合邊界結(jié)構(gòu)與肺臟部分布信息的方法提高三維EIT模型的準(zhǔn)確性。采用共軛梯度算法進(jìn)行三維圖像重建，在不同電極層間距條件下對圖像重建效果進(jìn)行評價判定。

1.1 模型構(gòu)建

1.1.1 胸腔輪廓提取

為構(gòu)建準(zhǔn)確的人體胸廓模型，采用3D CaMega光學(xué)云點(diǎn)數(shù)字化掃描系統(tǒng)，通過多方位、多角度拍攝掃描獲取三維云點(diǎn)數(shù)據(jù)，由反求軟件與三維云點(diǎn)處理軟件自動生成高精度的人體胸腔輪廓。

圖1為本研究中健康男性志愿者胸腔輪廓掃描實(shí)景，右側(cè)為掃描實(shí)物，左側(cè)為上位機(jī)顯示界面。

圖1 3D光學(xué)掃描人體胸部實(shí)景Fig.1 Optical scanning human chest system

圖2為上述系統(tǒng)掃描所得的初步模型。然后，利用三維軟件SolidWorks對其進(jìn)行適當(dāng)修正，以便降低后期圖像重建時逆問題的求解難度。

圖2 3D光學(xué)掃描系統(tǒng)所得胸部初始模型Fig.2 The initial model by Optical scanning system

1.1.2 肺臟模型

由圖3（a）可見，人體兩片肺葉自上而下呈擴(kuò)張趨勢，心臟的存在導(dǎo)致左側(cè)肺葉面積要小于右側(cè)肺葉面積，且左右肺間距自上而下逐漸變大。

通過X片可以獲取直觀有效的肺部生理結(jié)構(gòu)信息，并參考相關(guān)文獻(xiàn)、3D肺部圖片等信息，按照胸腔的尺寸，以一定的比例，利用3D軟件SolidWorks，構(gòu)建出橢圓形肺臟模型，分別為正視圖、側(cè)視圖、俯視圖，如圖3（b）所示。

在呼吸過程中，肺組織輪廓存在較大差異。在吸氣末時，肺器官組織處于擴(kuò)張充盈狀態(tài)，更便于觀察其內(nèi)部生理結(jié)構(gòu)信息。本研究選取吸氣末狀態(tài)，作為研究肺部三維EIT圖像重建的胸腔模型。

圖3 肺X片與仿真模型三視圖。（a）肺X圖片；（b）肺模型三視圖Fig.3 Lung X-ray images and simulation model.（a）Lung X-ray images；（b）Three view of lung simulation model

1.1.3 胸肺組合模型

將兩片肺葉模型按實(shí)際人體肺器臟狀態(tài)填充至胸腔模型內(nèi)部，形成胸肺組合模型。然后，將此胸肺組合模型導(dǎo)入有限元仿真軟件COMSOL 3.5a，在模型輪廓外邊界，均勻設(shè)置上下兩層各16個半徑為2.5 cm的圓形電極，如圖4所示。模型尺寸比例為掃描系統(tǒng)自適應(yīng)設(shè)置的最佳模式，模型縱向高33 cm，上部左右最寬為38 cm，下部左右最寬為22 cm。

圖4 胸腔組合仿真模型Fig.4 Chest combination simulation model

1.2 重建算法

在邊界不規(guī)則、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下，三維逆問題求解時系統(tǒng)矩陣維數(shù)增大，求解難度顯著增加。由于共軛梯度迭代（conjugate gradient，CG）算法［13］是通過每次迭代產(chǎn)生一個新的解，趨向逼近于真實(shí)解，無需進(jìn)行系統(tǒng)矩陣的分解，因此迭代時間較短，所以本研究采用CG算法進(jìn)行圖像重建。

1.3 評價參數(shù)

1）相關(guān)系數(shù)R［14］。該值靈敏地反映重建電導(dǎo)率和真實(shí)電導(dǎo)率之間相關(guān)關(guān)系的密切程度，它的取值范圍為［0，1］，其值越大，逆問題求解質(zhì)量越好。

2）敏感場靈敏度均勻性參數(shù)P［15］。在電學(xué)成像系統(tǒng)中，敏感場分布通常是不均勻的。P為評價敏感場分布參數(shù)，其值越小，敏感場的分布越理想。

3）結(jié)構(gòu)相似度SSIM［16］。該值表示重建圖像的非線性改變程度，主要考慮了圖像的亮度和對比度。SSIM的取值范圍為，值越大，圖像重建質(zhì)量越好。

1.4 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真平臺參數(shù)如下：COMSOL3.5a，Matlab R2010b，Intel（R）Core i7 3.50GHz，8.00GB RAM。

理論上的分析認(rèn)為，電極層數(shù)多，能更精準(zhǔn)反映三維的分布情況，圖像重建質(zhì)量會更好。但是，增加電極層數(shù)意味著圖像重建時間加長，計(jì)算的成本會呈指數(shù)型增長，對于仿真平臺的要求也會提高，在實(shí)現(xiàn)上存在一定的局限性。

在本研究中，取電極層距離分別為6、7、8、9 cm，進(jìn)行4組仿真試驗(yàn)，采用評價參數(shù)R、P和SSIM對成像結(jié)果對比分析。在有限元軟件COMSOL中，對構(gòu)建的空場模型（肺呼氣末狀態(tài)）與滿場模型（肺吸氣末狀態(tài)）分別施加大小為5 mA的直流電流激勵，考慮肺部電導(dǎo)率先驗(yàn)信息［17］的情況，空場下胸腔體與肺器官電導(dǎo)率均為0.037 s/m，滿場下胸腔體電導(dǎo)率與空場一致，肺部電導(dǎo)率設(shè)為0.138 s/m，采用對角激勵-相鄰測量模式采集成像數(shù)據(jù)［18-19］。

2 結(jié)果

2.1 流線圖對比

在EIT測量中，電場的分布狀態(tài)對場域內(nèi)電流密度分布、場強(qiáng)大小及均勻性有著直接的影響。電流流線圖可以反映電流在場域內(nèi)方向、電流密度以及分布狀態(tài)。在本研究中，以不同電極層距離的（a）～（d）等4組試驗(yàn)的電流流線分布情況，探究其對成像效果的影響。為便于觀察，取每組仿真的一對激勵所得電流流線分布作為研究對象，4組流線分布狀態(tài)的仿真結(jié)果如圖5所示。由圖可見，每對激勵的電流流線均由電流輸入端到達(dá)電流的流出端。但是，在（a）、（b）和（d）中，有一部分電流線并不能到達(dá)流出端，表明電場分布不均勻；（c）的電流流線在整個場域內(nèi)各個部位的分布相對均勻，提示其電場分布較其他組均勻，與其相應(yīng)的靈敏度矩陣準(zhǔn)確度較高。

2.2 圖像重建

為了充分體現(xiàn)三維斷層成像效果，更好展示三維胸腔內(nèi)部不同斷層的生理結(jié)構(gòu)信息差異，模型自上而下取距最底部為25、22、17、15、11、8 cm 的 6 處位置斷層成像，對應(yīng)圖5中從（a）到（d）的順序，分別進(jìn)行圖像重建，成像結(jié)果如圖6（b）～（e）所示，（a）為仿真模型中6處位置的斷層圖像結(jié)果。由于仿真結(jié)果在迭代次數(shù)達(dá)150左右時均取得較好成像質(zhì)量，再增加迭代次數(shù)差別很小，因此在圖6中圖像統(tǒng)一取迭代次數(shù)為150。

圖5 不同電極層間距時電場分布狀態(tài)仿真。（a）6 cm；（b）7 cm；（c）8 cm；（d）9 cmFig.5 The distribution of electric field under different electrode layer intervals.（a）6 cm；（b）7 cm；（c）8 cm；（d）9 cm

圖6中每組成像結(jié)果均可體現(xiàn)胸腔內(nèi)肺葉自上而下的形狀變化、大小差異、位置距離改變等信息，說明成像結(jié)果在一定程度上可以反映實(shí)際人體模型肺部構(gòu)造。比較不同電極間隔距離的4組仿真成像效果，可見（d）組成像偽影少，目標(biāo)物位置準(zhǔn)確，邊界較清晰，成像質(zhì)量相對更好。

表1為（b）～（e）4組仿真圖像的R、P和 SSIM參數(shù)評價結(jié)果，可見結(jié)果相差很小。但相對而言，（d）組的敏感場均勻性及結(jié)構(gòu)相似度較其他組更優(yōu)，這定量驗(yàn)證了對圖6結(jié)果的觀察結(jié)論。

表1 不同電極層間距的參數(shù)評價結(jié)果Tab.1 The evaluation indices of different electrode layer interval

2.3 三維立體重建

將上述6幅EIT斷層EIT圖像在Matlab軟件中進(jìn)行三維圖像構(gòu)建。首先，對EIT圖像進(jìn)行灰度化處理，提取邊界信息及感興趣區(qū)的輪廓曲線；其次，將預(yù)處理好的6幅EIT圖像導(dǎo)入Matlab，使用cat函數(shù)構(gòu)建三維矩陣D，經(jīng)smooth等函數(shù)對圖像進(jìn)行平滑、邊緣銳化及偽彩色增強(qiáng)等一系列可視化處理，最后由isosurface、isonormals、patch等函數(shù)實(shí)現(xiàn)三維立體重建，結(jié)果如圖7所示。

圖6 實(shí)際模型與4種不同電極層間距下成像（每行從左到右分別為模型自上而下6處位置的斷層成像）。（a）實(shí)際模型；（b）～（e）電極層間距6～9 cmFig.6 The real model and imaging results with four different electrode layers spacings（From left to right in each row，tomography results of top-down with 6 different positions）.（a）The real model；（b）～（e）Electrode layers spacing from 6～9 cm

通過三維立體圖像可看出，由EIT二維斷層圖像所構(gòu)建的胸腔三維立體圖像，增強(qiáng)了邊界輪廓，豐富了結(jié)構(gòu)信息，減少了噪聲干擾，再現(xiàn)了圖3模型的三維可視化效果。在圖7中，邊界上一層層的輪廓相對還是比較粗糙的，如果導(dǎo)入的EIT圖像數(shù)量增加，將會得到邊界更加光滑的三維圖像。

圖7 三維重建立體圖像Fig.7 The 3D reconstruction stereogram

3 討論

本研究結(jié)果表明，三維EIT電極分布并不是電極層間隔越大或越小成像效果就越好，這主要是由于電阻抗成像中注入激勵電流是一個三維電流場，場強(qiáng)分布不會限于同一個平面，而會向?qū)щ娪虻母鱾€方向分布。在三維肺部圖像重建過程中，電流場效應(yīng)不可忽視，電極層間距改變使得激勵電流形成的三維電流場隨之變化：如間距變大，場域內(nèi)的電流密度變小，場域分布均勻性越差，從而影響成像效果；如間距變小，兩電極層的電流場效應(yīng)就會相互產(chǎn)生影響，使得敏感場的非均勻性加重，最終成像效果也會受到影響。

三維電流場效應(yīng)對被測場域的大小、形狀都存在著較強(qiáng)的依賴關(guān)系。本研究在建立的模型大小與形狀基礎(chǔ)上，通過仿真試驗(yàn)及參數(shù)評價方法，找出最佳的電流場域分布狀態(tài)，形成相對較優(yōu)的電極層分布方案，為后續(xù)的三維胸腔電阻抗成像應(yīng)用研究奠定了理論基礎(chǔ)。本研究的不足之處在于：首先，只采用了4種不同電極層間距進(jìn)行研究，若增加層間距對比數(shù)量，細(xì)化模型求解域，可取得更為理想的成像效果；其次，電阻抗技術(shù)的廣泛應(yīng)用并不局限于肺部的成像檢測，在腦部、乳腺、腸胃以及其他應(yīng)用中也較為普遍。因而，對于不同生理結(jié)構(gòu)和生理狀態(tài)的組織器官，需要對其電極分布采取相應(yīng)合理有效的電極布置方案，這也是EIT技術(shù)要繼續(xù)研究的一個重要內(nèi)容。

4 結(jié)論

在本研究中，利用3D光學(xué)云點(diǎn)技術(shù)對自愿者的胸腔區(qū)域進(jìn)行掃描，并融合X圖片提供的肺部結(jié)構(gòu)先驗(yàn)信息和肺部電導(dǎo)率先驗(yàn)信息，構(gòu)建三維肺部EIT仿真模型，為三維胸腔模型構(gòu)建提供了又一新的重構(gòu)方式。通過圖像重建算法，以電極層間距分布為討論研究點(diǎn)，重構(gòu)三維EIT的斷層圖像，經(jīng)評價參數(shù)的定量驗(yàn)證，重構(gòu)質(zhì)量較好，得出最佳電極層間距分布模式，且進(jìn)一步驗(yàn)證該模型的創(chuàng)新合理性、有效性。最后將胸腔區(qū)域的6層斷層圖像重建出三維立體圖像，提供了更為豐富的空間電導(dǎo)率分布信息。

人體胸腔具有非常復(fù)雜的生理結(jié)構(gòu)，其電導(dǎo)率分布情況也因個體差異而有所不同。因此，在下一步的研究中，將胸腔內(nèi)部的器官組織（如心臟、脊柱、皮下組織等）進(jìn)一步考慮到三維建模中，會獲取更為豐富的生物組織電導(dǎo)率分布狀態(tài)；此外，增加模型樣本容量，提取更多的模型輪廓，提高模型擬合度，進(jìn)而獲取更為精準(zhǔn)的胸腔模型。

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3D EIT Model Construction Based on Lung and Image Reconstruction Research

Chen Xiaoyan Chu Mengli Chang Xiaomin Zhang Xiaojie
（College of Information and Automation，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin300222，China）

electrical impedance imaging；three-dimensional lung；image reconstruction；CG algorithm；prior information

R318.08 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：D 文章編號：0258-8021（2017）05-0622-05

10.3969 /j.issn.0258-8021.2017.05.016

2016-05-24，錄用日期：2017-06-22

國家自然科學(xué)基金（61301246）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃（12JCYBJC19300）

?通信作者（Corresponding author），E-mail：cxywxr@tust.edu.cn