基于等位线滤波反投影算法的压力分布重建方法

摘要

一种基于等位线滤波反投影算法的压力分布重建方法，它通过采用压阻材料制作的压力垫(1)在受到压力时电阻率发生变化的特性，采用激励电源(2)向压力垫(1)注入激励电流，同时检测压力垫(1)表面边缘电压，利用电压信息，采用等位线滤波反投影算法反演计算得到压力垫电阻率的变化，再根据材料的压阻特性重建压力垫(1)的受力的分布情况。获得的压力分布图像可以用来分析患者坐、立、行、卧等姿势，调整康复辅具。

主权项

一种基于等位线滤波反投影算法的压力分布重建方法，其特征在于：所述的基于快速牛顿一步迭代算法的压力分布重建方法包括四个步骤：第一步：构建无压力时电阻率分布矩阵、反投影矩阵以及加权系数矩阵首先通过检测压力垫(1)自身的压阻特性，构建压力垫(1)的电阻率分布矩阵，然后根据压力垫(1)的形状、尺寸、激励检测方式构建反投影矩阵以及加权系数矩阵，具体如下：1)使用电流表或电压表，采用四探针法或范德堡法测量压力垫(1)的电阻率，得到压力垫(1)的电阻率分布矩阵ρ，通过压力加载获得压力垫的压阻特性关系f(ρ，P)，其中P为施加的压力；2)根据压力垫(1)的形状、尺寸，采用计算仿真软件建立压力垫有限元模型，该有限元模型中的有限单元数为M，将该有限元模型有限单元的电阻率设置成电阻率分布矩阵ρ的元素；确定电极个数N、电极排列方式、激励电流注入方式、电压测量方式，以及加权系数矩阵W；3)采用所建立的压力垫有限元模型，计算压力垫表面边缘电极处的响应电压V_j1，V_j2，V_ij，其中，V_j1，V_j2分别为第j对电极上的响应电压，V_ij为从i对电极注入电流后，在第j对电极间的响应电压，V_ij＝V_j1‑V_j2，i，j＝1，2，…N，N为电极个数；4)计算有限元模型中有限单元的电位V_m，m为有限单元编号，m＝1，2，…M，V_m取第m个单元三个顶点电压的平均值；5)构建第i对电极激励时的反投影矩阵B_i，矩阵中的元素B_i[m，j]可由下式(1)决定：式中，m为有限单元编号，m＝1，2，…M；i为注入电极对编号，j为检测电极对编号，i，j＝1，2，…N，N为电极个数，B_i[m，j]表示从第i对电极注入电流时，第j对电极间的电压变化投影到第m个有限单元时的反投影矩阵元素；第二步：获得电压检测信号在给压力垫(1)施加压力的过程中，根据预设的激励电流注入方式，向压力垫(1)注入电流，信号为稳恒交流信号，频率在200kHz以下；通过布置在压力垫(1)表面边缘的电极，检测电极处的电压信号U_j1，U_j2，U_ij，其中，U_j1，U_j2分别为第j对电极上的响应电压，U_ij为从i对电极注入电流后，在第j对电极间的响应电压，U_ij＝U_j1‑U_j2，i，j分别为注入电极对和接收电极对编号，i，j＝1，2，…N，N为电极个数；然后通过信号处理系统实现电压信号的前置放大，滤波，二级放大等处理后存储；第三步：采用等位线滤波反投影算法求解电阻率变化分布矩阵1)根据下式(2)标准化处理检测电压的变化，得到矩阵D_ij$D_{ij}=\frac{U_{ij}-V_{ij}}{V_{ij}}---\left(2\right)$式中，i，j分别为注入电极对和接收电极对编号，i，j＝1，2，…N，N为电极个数，V_ij为所述第一步计算得到的的从i对电极注入电流时，在第j对电极间的响应电压，U_ij为所述第二步检测得到的从i对电极注入电流时，在第j对电极间的响应电压；2)根据式(3)求解第m个单元的电导率变化σ_m${\sigma }_m=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{W}_i[m,j]·B_i[m,j]·D_{ij}---\left(3\right)$式中，i，j分别为注入电极对和接收电极对编号，i，j＝1，2，…N，N为电极个数，m为有限单元编号，m＝1，2，…M；3)根据式(4)获得新的电阻率分布变化矩阵ρ′${\rho }_m^{\prime }=\frac{1}{{\sigma }_m}---\left(4\right)$式中，ρ_m′为第m个单元的电阻率变化，将每一个单元的电阻率变化组合在一起，其可得到整个压力垫(1)的电阻率分布变化矩阵ρ′；第四步：利用压阻特性重建压力分布图像根据第一步测量的压力垫(1)的压阻特性关系f(ρ，P)，获得与电阻率ρ′相对应的压力P的分布图像。