一种限压自校准织物电极EIT成像系统的制作方法

本发明涉及生物医学电阻抗成像，具体涉及一种限压自校准织物电极eit成像系统。

背景技术：

1、电阻抗成像是一种通过在人体表面布置多个电极，向人体组织施加交流激励电流并采集边界电压，再根据边界电压变化重建人体内部电导率或阻抗分布的成像技术。对于长期卧床患者等持续监测场景，电极通常需要长时间与人体皮肤保持接触，因此电极与皮肤之间的接触状态会直接影响eit边界电压的稳定性和最终成像质量。

2、现有技术中，为提高长期接触条件下的舒适性，通常采用柔性电极或织物电极代替传统刚性金属电极。然而，织物电极的接触阻抗容易受到接触压力、人体体位变化、皮肤湿度、汗液以及织物相对滑移等因素影响。当患者翻身、床体姿态变化或局部载荷重新分配时，电极与皮肤之间的有效接触面积可能发生变化，进而导致接触阻抗和采集边界电压产生波动；与此同时，为降低接触阻抗而持续增大电极贴合压力，又可能使人体载荷进一步集中于电极区域，不利于长期受压状态下的使用。

3、此外，现有eit系统虽然能够通过接触阻抗检测、异常通道剔除或通道加权等方式改善部分测量误差，但仅依赖电学测量结果时，难以准确判断边界电压变化是由人体组织阻抗变化引起，还是由电极受压、位移或接触状态变化引起，容易在后续阻抗重建过程中产生伪影或误差。

4、因此，提出一种限压自校准织物电极eit成像系统来解决上述提出的问题。

技术实现思路

1、解决的技术问题

2、针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种限压自校准织物电极eit成像系统，能够有效地解决现有技术中长期受压及体位变化条件下织物电极接触状态波动、压力诱导接触伪差与真实组织阻抗变化难以区分而导致eit成像失真的技术问题，达到了在限制电极局部受压的同时识别并抑制接触干扰、保留真实组织阻抗变化，从而提高eit成像稳定性、准确性和可靠性的技术目的。

3、技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、本发明提供一种限压自校准织物电极eit成像系统，包括：

6、限压织物电极阵列，用于与待监测人体区域形成柔性电接触并限制电极工作区的持续受压，由多个限压织物电极模块构成；

7、多路激励模块，用于选择所述限压织物电极阵列中的电极并向人体组织施加交流激励电流；

8、电压采集模块，用于采集不同激励状态下人体表面的eit边界电压；

9、电极接触状态获取模块，用于获取各限压织物电极的接触阻抗以及局部压力或形变量；

10、自校准处理模块，用于根据所述接触阻抗、机械接触状态及边界电压识别电极接触变化并获得校准后的测量数据；

11、通道质量控制模块，用于根据各电极的接触质量确定eit测量通道的可靠性并调整对应通道的使用状态或权重；

12、eit图像重建模块，用于根据经质量控制后的边界电压数据和测量通道权重重建待监测人体区域的电导率或阻抗空间分布。

13、进一步地，所述限压织物电极模块包括导电接触层、浮动支撑层、外围承载旁路结构、机械行程限位结构、背面集流层、连接端以及压力或形变量感知单元；

14、所述导电接触层设置于朝向人体皮肤的一侧，用于进行eit激励或边界电压采集；

15、所述浮动支撑层设置于导电接触层背侧并允许导电接触层在法向载荷作用下产生受控位移；

16、所述外围承载旁路结构环绕至少部分导电接触层设置，并在所述浮动支撑层达到预设压缩行程后提高其对总载荷的承载占比；

17、所述机械行程限位结构用于限制导电接触层相对于承载基底继续下移；

18、所述压力或形变量感知单元用于获取所述导电接触层对应区域的机械接触状态。

19、进一步地，所述系统按照以下步骤进行eit成像：

20、s1：将多个限压织物电极模块按照预设空间位置布置于待监测人体区域，使导电接触层朝向人体皮肤并建立初始接触；

21、s2：在人体载荷作用下使浮动支撑层发生压缩，并在达到预设压缩行程后提高外围承载旁路结构的承载占比，使电极进入限压接触状态；

22、s3：获取各电极的初始接触阻抗、局部压力或形变量并建立基准接触状态；

23、s4：按照预设电极切换顺序向人体组织施加交流激励电流；

24、s5：在不同激励状态下采集对应eit测量通道的边界电压；

25、s6：同步或分时获取各电极当前的接触阻抗以及局部压力或形变量；

26、s7：将当前电极接触状态与基准状态比较，并根据压力状态及边界电压变化执行接触状态自校准；

27、s8：根据各电极的接触阻抗、压力状态及校准结果生成电极质量评分；

28、s9：根据参与各eit测量通道的电极质量评分确定测量通道权重，并对异常通道进行降权、剔除或重新测量；

29、s10：根据处理后的边界电压数据、eit灵敏度矩阵及测量通道权重进行阻抗图像重建；

30、s11：输出待监测人体区域的eit阻抗分布图像及对应电极接触质量信息；

31、s12：在后续监测过程中重复s4-s11并动态更新电极质量评分和测量通道权重。

32、进一步地，s7中根据压力状态及边界电压变化执行接触状态自校准包括：

33、s7.1，获取第i个织物电极在当前测量时刻的接触阻抗、局部压力及对应eit测量通道的边界电压，并相对于前一稳定测量时刻计算压力变化量、接触阻抗对数幅值变化量及边界电压变化量；

34、s7.2，根据相邻测量周期内的局部压力变化计算压力变化速度；

35、s7.3，根据压力变化量、压力非线性变化项及压力变化速度构造压力扰动状态向量；

36、s7.4，根据所述压力扰动状态向量和压力与接触响应参数预测压力诱导的接触阻抗变化量；

37、s7.5，根据实际接触阻抗变化量与预测接触阻抗变化量之间的误差确定压力预测可信度；

38、s7.6，根据各电极接触阻抗变化量和接触状态与边界电压敏感矩阵获得接触状态变化对应的边界电压变化；

39、s7.7，将各电极压力诱导接触阻抗预测量映射至eit边界电压域，获得压力诱导接触支路候选边界电压；

40、s7.8，根据相关eit测量通道的边界电压变化计算空间偏离指标；

41、s7.9，根据同一测量通道在多个工作频率下的归一化边界电压变化计算多频一致性指标；

42、s7.10，根据所述空间偏离指标及多频一致性指标确定组织保留门控系数；

43、s7.11，根据参与对应测量通道的电极压力预测可信度及组织保留门控系数确定接触扣除系数；

44、s7.12，根据所述接触扣除系数从实际边界电压变化中扣除压力诱导接触干扰分量，获得组织主导边界电压变化。

45、进一步地，所述压力预测可信度的计算公式为：

46、；式中，表示第i个织物电极在频率f下，时刻t的压力预测可信度；表示指数函数；表示第i个织物电极在频率f下由历史稳定状态确定的允许预测误差尺度；为预设的小正数；为压力与接触匹配误差，即：；其中，为接触阻抗变化量，为接触阻抗对数幅值变化量。

47、进一步地，所述获得组织主导边界电压变化还包括：

48、根据第m个测量通道与相关测量通道的边界电压变化确定空间偏离指标；式中，为相关通道集合；表示相关通道集合中所包含的相关测量通道数量；为第k个相关测量通道的边界电压变化量；k为相关通道集合中的相关测量通道编号；为测量通道m在当前测量周期发生的边界电压变化量；

49、根据第m个测量通道在多个工作频率下的归一化边界电压变化确定多频一致性指标；式中，为当前采用的工作频率总数量；b为工作频率编号；为第m个测量通道在第b个工作频率下，时刻t的边界电压变化量;为第m个测量通道在第b个工作频率下，时刻t+1的边界电压变化量;表示第b个工作频率；

50、根据所述空间偏离指标和多频一致性指标确定组织保留门控系数；式中，表示预设的空间偏离判定基准；表示预设的多频一致性判定基准；表示空间偏离指标对门控结果的调节系数；表示多频一致性指标对门控结果的调节系数；

51、根据参与第m个测量通道的各电极压力预测可信度获得综合接触可信度；式中，表示参与第m个eit测量通道的激励电极和测量电极组成的电极集合；为连乘运算；

52、并根据组织保留门控系数和综合接触可信度计算接触扣除系数；再根据接触扣除系数对压力诱导接触支路候选边界电压进行扣除，获得第m个测量通道的组织主导边界电压变化。

53、进一步地，所述获得压力诱导接触支路候选边界电压包括双路径竞争分解，双路径竞争分解还包括：

54、s7.7.1，根据全部织物电极的压力变化建立阵列压力变化状态，并根据相邻织物电极压力变化确定局部压力空间非均匀程度；

55、s7.7.2，将各电极压力变化按照电极与eit成像区域内各组织单元之间的空间关系映射为组织等效压力变化场；

56、s7.7.3，根据各组织单元的等效压力变化获得等效组织压缩状态量；

57、s7.7.4，根据所述等效组织压缩状态量获得压力诱导候选组织电导率变化；

58、s7.7.5，根据eit灵敏度矩阵将所述候选组织电导率变化映射为压力诱导组织支路候选边界电压；

59、s7.7.6，根据所述压力诱导接触支路候选边界电压和压力诱导组织支路候选边界电压计算两种候选模式的可分离度；

60、s7.7.7，根据实际边界电压变化及两种候选边界电压建立双支路组合模型，并求取接触支路和组织支路的最优参与系数；

61、s7.7.8，根据所述模式可分离度修正两条支路的最优参与系数；

62、s7.7.9，根据修正后的接触支路参与系数获得确认后的接触伪差分量；

63、s7.7.10，根据修正后的组织支路参与系数获得确认后的压力相关真实组织边界电压；

64、s7.7.11，根据模式可分离度和双支路组合模型的剩余变化获得双支路竞争置信度；

65、s7.7.12，输出所述接触伪差分量、压力相关真实组织边界电压及双支路竞争置信度，用于修正后续空间一致性评价及接触伪差扣除。

66、进一步地，根据eit灵敏度矩阵将所述候选组织电导率变化映射为压力诱导组织支路候选边界电压，还包括：

67、根据第i个织物电极与相邻织物电极之间的压力变化差异获得压力空间梯度；并根据压力空间梯度计算连续性权重；式中，表示与第i个织物电极在物理空间上相邻的相邻织物电极集合；表示相邻织物电极集合中的电极数量；表示第i个织物电极的压力变化量；表示第j个相邻织物电极的压力变化量；j为相邻织物电极集合中的电极编号；为预设的压力空间非均匀度基准尺度；

68、根据各组织单元与各织物电极之间的空间距离确定等效压力空间映射权重；式中，表示第p个组织单元与第i个织物电极对应接触区域之间的空间距离；表示第p个组织单元与第j个织物电极对应接触区域之间的空间距离；表示压力影响的空间衰减尺度；p为eit重建区域中的组织单元编号；

69、再根据所述等效压力空间映射权重、连续性权重及各电极压力变化量获得第k个组织单元的等效压力变化；n为织物电极的数量；i为织物电极的编号；

70、并根据等效压力变化获得组织压缩状态；式中，表示第p个组织单元对应的标度化压缩响应系数；表示双曲正切函数；表示第p个组织单元由近线性压缩逐渐进入非线性或饱和响应的压力尺度；

71、最后获得候选真实电导率变化；式中，表示第p个组织单元的压缩状态与电导率变化之间的一阶响应系数；表示第p个组织单元的非线性压缩与电导率响应系数；

72、最后将各组织单元的候选真实电导率变化变化组成候选组织电导率变化向量，并通过eit灵敏度矩阵映射得到压力诱导组织支路候选边界电压。

73、进一步地，所述双路径竞争分解完成后：在s7.8中，还包括：

74、基于压力相关真实组织边界电压，对边界电压变化量进行预处理，用于获得仅保留待进一步判别部分的剩余边界变化，并基于剩余边界变化量计算空间偏离指标，即：

75、，式中，为剩余边界变化量；为压力相关真实组织边界电压中第m个测量通道分量；为边界电压变化量；

76、在s7.10中，根据组织保留门控系数、双支路竞争置信度以及压力相关真实组织边界电压修正组织保留门控系数，得到修正后组织保留门控系数；

77、在s7.11中，根据确认后的接触伪差分量和压力相关真实组织边界电压确定接触支路占比参数，并根据接触支路占比参数对接触扣除系数进行修正，得到修正后接触扣除系数；

78、在s7.12中，根据修正后接触扣除系数和接触伪差分量计算最终组织主导电压结果。

79、进一步地，所述s8还包括：

80、根据压力预测可信度对电极质量评分进行修正，得到修正后电极质量评分；式中，为预设的最低保留比例；

81、所述s9还包括：

82、根据各eit测量通道所涉及的激励电极和测量电极的修正后电极质量评分确定测量通道权重，并形成测量通道权重矩阵w；

83、将s7获得的组织主导边界电压变化或最终组织主导电压结果作为eit重建输入，求得待监测人体区域的组织电导率变化估计向量；式中，表示最终求得的组织电导率变化估计向量；为求取使目标函数取得最小值时对应的待优化变量取值；表示待确定的组织电导率变化向量；j表示eit灵敏度矩阵；表示实际采集并用于eit重建的边界电压变化向量；为正则化系数；表示二范数；l为正则化算子。

84、有益效果

85、本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

86、本发明通过在导电接触层背侧设置浮动支撑层，并在导电接触层外围设置承载旁路结构和机械行程限位结构，使导电接触层在低载荷阶段能够随人体局部轮廓产生受控位移，从而提高电极与皮肤之间的有效接触面积；当压缩位移达到预设行程后，外围承载旁路结构逐步提高对新增载荷的承载比例，使后续人体载荷更多地经外围结构向承载基底传递，而不是继续集中于电极工作区。由此能够兼顾织物电极稳定贴合和局部限压需求，降低长期卧床或持续受压条件下因电极区域压力持续增大而造成接触状态波动的可能性，为后续eit边界电压采集提供较稳定的前端接触条件。

87、本发明不是仅依据接触阻抗大小判断电极状态，而是结合电极局部压力、压力变化速度、接触阻抗变化以及eit边界电压响应，建立压力诱导接触变化的预测关系，并通过接触敏感矩阵将接触阻抗变化映射至eit边界电压域，从而能够从成像数据层面对由压力变化引起的电极接触扰动进行识别和估计。在此基础上进一步结合空间一致性、多频一致性以及电极质量评分，对异常测量通道实施降权、剔除或重新测量，能够减少单个或局部电极接触变化向后续eit逆问题求解过程传播，降低接触伪差对阻抗重建结果的影响。

88、本发明进一步针对同一压力变化可能同时作用于电极接触界面和人体内部组织的问题，分别建立接触支路和组织支路两种候选响应路径，将压力诱导的接触阻抗变化以及压力诱导的组织电导率变化分别映射至eit边界电压域，并通过双路径竞争、模式可分离度及竞争置信度对两类响应进行分解。由此能够避免将所有与压力相关的边界电压变化均作为接触伪差直接扣除，使由人体组织真实受压和形变所产生的有效阻抗变化能够继续保留在后续eit成像数据中，从而降低过度补偿造成真实组织信息损失的风险，提高持续受压和体位变化条件下eit成像结果对真实组织阻抗变化的保真程度。