專利名稱：用于軟場重構的系統和方法
技術領域：
本文中公開的主題一般涉及數據重構系統和方法，更具體地涉及特別是在多材料對象的軟場重構中估計感興趣區域的特性的系統和方法。
背景技術：
軟場層析成像，諸如電阻抗層析成像(EIT)、擴散光層析成像、彈性圖成像以及相關的方式，可以被用來測量對象的內部特性，例如包括對象內部結構的材料的電特性。例如，在EIT系統中，對內部結構的電導率的分布作出估計。這樣的EIT系統基于在區域或體積表面或附近得到的施加的激勵(例如電流)和測得的響應(例如電壓)來重構區域或體積內的材料的電導率和/或電容率。然后可以形成估計值的可視分布。在軟場層析成像中，傳統的重構算法能夠求出對象內的阻抗分布而無需使用任何·先前的信息。可是，這類重構過程由于收斂到某個解所需的迭代而在計算上是密集的。因而，用于這些傳統算法的重構過程可能非常費時并且需要高速電子裝置和處理器。因此，如果需要快速測量，例如對于多材料對象(比如通過管道的氣體流)的實時可視化，傳統重構算法表現不令人滿意。再者，傳統重構算法不能適應對象的真實阻抗分布中的高反差。
發明內容
根據一個實施方式，提供一種用于軟場層析成像重構的方法。該方法包括對被激勵對象使用多個換能器來獲得施加的輸入和測得的輸出信息；以及基于施加的輸入和測得的輸出信息形成導納矩陣。該方法還包括使用導納矩陣確定多個矩，并且使用多個矩計算被激勵對象的特性分布。根據另一個實施方式，提供一種用于軟場層析成像重構的方法。該方法包括對被激勵對象使用多個換能器來獲得施加的輸入和測得的輸出信息；以及使用施加的輸入和測得的輸出信息來進行對稱分量變換(SCT)迭代重構。該方法還包括基于SCT迭代重構來確定被激勵對象的特性分布。根據又一個實施方式，提供一種軟場層析成像系統，該系統包括配置成用于安置在對象表面附近的多個換能器；以及耦合到多個換能器的一個或多個激勵驅動器，激勵驅動器配置成為多個換能器產生激勵信號。軟場層析成像系統還包括耦合到多個換能器的一個或多個響應檢測器，響應檢測器配置成測量對象在多個換能器上對激勵的響應，該激勵是多個換能器基于激勵信號來施加的。軟場層析成像系統還包括軟場重構模塊，軟場重構模塊配置成采用從導納矩陣重構過程中確定的多個矩，基于激勵信號和測得的響應來重構對象的特性分布。
參考附圖閱讀下面的非限制性實施方式的描述，將更好地理解目前公開的主題，其中以下
圖I為說明根據各種實施方式形成的軟場層析成像系統的簡化框圖。圖2為根據一個實施方式的換能器配置的透視圖。圖3為說明特性分布的重構的簡圖。圖4為說明根據各種實施方式的軟場層析成像信息流程的框圖。圖5為說明根據各種實施方式的導納確定流程的框圖。圖6為根據各種實施方式采用對稱分量進行軟場重構的方法的流程圖。圖7為示出根據各種實施方式計算的慣性矩的值的表格。圖8為根據其它各種實施方式采用對稱分量進行軟場重構的方法的流程圖。·
圖9為根據各種實施方式用于極坐標求逆過程的網格(grid)的圖示。圖10為說明根據各種實施方式的極坐標網格求逆過程的示意圖。圖11為根據各種實施方式用于執行對稱分量變換(SCT)迭代重構的方法的流程圖。
具體實施例方式上述概要以及下面的某些實施方式的詳細描述，在結合附圖解讀時能夠獲得更好的理解。在
各種實施方式的功能塊的圖示的程度上，功能塊不一定指示硬件電路之間的分割。因而，例如，一個或多個功能塊(例如處理器，控制器，電路或存儲器)可以在單片硬件或多片硬件中實現。應當理解，各種實施方式并不局限于圖中所示的安排、組件/元件互連和手段。如本文所用的，以單數記載并且以單詞“一(a) ”或“一個(an) ”修飾的模塊或步驟應理解為不排除多個所述元件或步驟，除非明確指出排除這種情況。此外，提及“一個實施方式”不應被解釋為排除了也結合所記載特征的附加實施方式的存在。此外，除非明確指出相反的情況，“包括”或“含有”具有特定特性的模塊或多個模塊的實施方式可以包括不具有該特性的附加的這種模塊。各種實施方式提供了用于特別是多材料對象的軟場層析成像的系統和方法，其中使用對稱分量來估計多材料對象的特性，例如流動氣體的特性。各種實施方式提供了在確定的矩上迭代(而不是在測得的電流上迭代)的方法。各種實施方式的至少一個技術效果是提高了準確性和多材料對象的特性的可視化速度。例如，在工業應用中，通過實踐至少一個實施方式，可迅速地(例如當氣體流動時實時地)提供管道內流動的氣體分布的重構可視表示。應當指出，本文所用的“軟場層析成像”通常指的是并非“硬場層析成像”的層析成像方法的任何斷層或多維擴展。軟場層析成像系統20的一個實施方式如圖I所示。例如，軟場層析成像系統20可以是電阻抗層析成像(EIT)系統，用于確定對象22、特別是多材料對象(如圖2中所示)內的材料的電特性。在一個實施方式中，可確定對象22或其它區域或體積內部的電導率(σ)和/或電容率(ε)的空間分布。例如，軟場層析成像系統20提供EIT以用于對象22內的多相流測量，例如管道內流動的石油中的氣體或油的特性或體積流速的可視化。在圖示的實施方式中，系統20包括多個換能器24 (例如電極)，它們被設置在對象內，例如環繞管道42的內周間隔排列，并且如圖2所示與流動介質接觸。在一個實施方式中，換能器24的多個環40沿著內部長度安放，例如軸向間隔開管道42的距離D (例如一米)。例如，換能器24(例如電極，熱源，超聲換能器)可以被安放在管道42的內周的表面上，臨近表面或者從管道42外側穿透表面至管道42內部(例如針式電極)。因此，換能器24可以采取不同形式，諸如表面接觸式電極、對峙電極、電容耦合電極和傳導線圈(比如天線)等。根據各種實施方式，間隔開的環40可形成多相流量計，以便例如(基于管道42中的氣體和油的可視化)確定在管道42中有多少氣體，以及基于(在管道42中的兩個位置的)環40之間的差分測量來確定流速，例如通過執行互相關來進行。因而，根據各種實施方式，在每個環40上執行重構。因此，可提供管道42中的氣體特性分布或氣流確定的體積可視化，以便確定流過的氣體和油的量。應當指出，軟場層析成像系統20可以是其它類型的系統。例如，軟場層析成像系統20可以是擴散光層析成像(DOT)系統，近紅外光譜學(NIRS)系統，熱像圖成像系統，彈性圖成像系統或微波層析成像系統等。
激勵驅動器26和響應檢測器28與換能器24耦合，它們均連接到軟場重構模塊30。軟場重構模塊30可以是任何類型的處理器或計算裝置，其至少部分基于從換能器24收到的響應進行軟場重構，如本文更詳細描述的那樣。例如，軟場重構模塊30可以是硬件、軟件或其組合。在一個實施方式中，激勵驅動器26和響應檢測器28為物理上分離的裝置。在其它實施方式中，激勵驅動器26和相應檢測器28被物理上集成為一個單元。控制器33也被提供并且發送指令到激勵驅動器26，激勵驅動器26基于指令來驅動換能器24。應當指出，可以與所有換能器24或換能器24的子集相關地提供激勵驅動器26。還應當指出，可使用不同類型的激勵以獲取用于各種實施方式的重構過程中的特性分布數據。例如，電、磁、光、熱或超聲激勵等可以與各種實施方式結合使用。在這些不同的實施方式中，換能器24可以與對象22以不同方式耦合，并且不必直接接觸或只在對象22的內表面(例如電耦合，電容耦合，電流耦合等)。在一些實施方式中，在各種各樣的應用中，可使用軟場層析成像系統20以產生電阻抗分布的可視表示，諸如用于確定包括油和水(或其它流體或氣體，例如石油)的混合流體流中的材料特性，或者用于地下陸地區域的土壤分析和路基檢查等。然而，所述實施方式還可應用于其它應用，例如在對象22是人體部分，諸如頭部、胸部或腿部的情況下，其中空氣和組織具有不同的電導率。在各種實施方式中，換能器24由任何適合的材料制成。例如，使用的換能器24的類型可基于具體應用，使得對于具體應用，使用相應的換能器類型(例如電極，線圈等)來產生軟場激勵(例如電磁(EM)場)并接收對象22對激勵的響應。在一些實施方式中，可使用導電材料以產生電流。例如，換能器24可以由一種或多種金屬(諸如銅、金、鉬、鋼、銀和它們的合金)制成。用來制成換能器24的其它示范性材料包括導電的非金屬，例如結合微電路使用的基于硅的材料。在一個實施方式中，其中對象22是氣體或流體流經的管道42，換能器24被制成能耐受液體的。此外，換能器24可以被制成不同的形狀和/或尺寸，例如，桿形、平板形或針形的結構。應當指出，在一些實施方式中，換能器24彼此間絕緣。在其它實施方式中，換能器24能夠被安放為與對象22直接歐姆接觸，或者與對象22電容耦合。在操作中，換能器24或換能器24的子集可以被用于傳送信號(例如傳輸或調制信號)，例如，持續地傳輸電流或者傳輸時變信號，使得可在某個時間頻率范圍(例如IkHz至1MHz)上施加激勵以在對象22內產生EM場。在EIT應用中，所得到的表面電位(也就是換能器24上的電壓)被測量，以便使用本文所述的重構方法來確定電導率或電容率分布。例如，可視分布可以基于換能器24的幾何、施加的電流和測得的電壓來重構。因此，在各種實施方式中，激勵驅動器26向每一個換能器24施加激勵，響應檢測器28測量在每個換能器24 (可通過復用器來復用)上響應于施加在換能器24上的激勵的響應。應當指出，可以提供任何類型的激勵，例如電流、電壓、磁場、射頻波、熱場、光信號、機械變形和超聲信號等。例如，在EIT應用中，如圖3所示，執行軟場重構以識別對象22中的感興趣區域32。如圖所示，響應檢測器28 (如圖I所示)測量在換能器24上響應于激勵驅動器26 (如圖I所示)向換能器24施加的電流(或電壓)的響應電壓(或響應電流)。應當指出，響應檢測器28還可以包括一個或多個模擬信號調節元件(未顯示)，它對所測得的響應電壓或電流進行放大和/或濾波。在其它實施方式中，軟場層析成像系統20的處理器包括信號調節元件，用于對從響應檢測器28接收到的響應電壓或響應電流·進行放大和/或濾波。軟場重構模塊30由此計算對象22對于所施加的激勵的響應。因此，可使用軟場層析成像系統20來重構特性分布或流可視化。在各種實施方式中，軟場層析成像系統20采用對稱(也稱為對稱的)分量方法。例如，在圖4中示出EIT信息流程48，它使用對稱分量方法利用確定的矩來重構。特別是，從計算裝置52從基于激勵的一個或多個矩陣(例如預先計算的矩陣)形成的導納圖50用于預測提供給軟場重構模塊30的電壓(預測數據)。應當指出，在一些實施方式中，可選地使用導納圖。通過軟場層析成像儀器54向對象22施加激勵(如圖I至3所示)，儀器54可包括換能器24和其他激勵和測量部件，測得的電壓(測得的數據)也提供給軟場重構模塊30。然后，軟場重構模塊30采用各種實施方式來執行重構，以產生特性分布56 (例如，阻抗分布)的估計，識別對象22中的感興趣區域32，諸如流動的液體或氣體中不同材料的含量。應當指出，各種部件可以是物理上分離的部件或元件，或者可以是組合的。例如，軟場重構模塊30可以形成軟場層析成像系統20的一部分(如圖I所示)。應用各種實施方式，不需要使用先驗信息(且不需要使用正演模型)，提供軟場重構以便確定阻抗分布。例如，在一個實施方式中，可以如圖5的導納確定流程60中所示進行阻抗或導納確定。導納確定包括在62由軟場層析成像儀器54使用施加的輸入(例如激勵)和測得的輸出(例如響應)作為輸入來構建導納矩陣64 (或阻抗矩陣)，該矩陣分別定義導納圖50或阻抗圖(如圖4所示)，本文將更詳細地描述。導納矩陣64包括如下的與矩(例如EM矩)有關的導納元素Ys = f (M)公式 IY|,q = fpjq(Mp,q) = fp,q JJo(x,y)(x+2dxdj公式 2其中b是將Ys與矩相關的系數，并且可以基于建模或模擬等來預先計算。應當指出，在各種實施方式中，σ =。*。因此，如本文中所用的，各種實施方式中的電導率包括以下三種電特性電導率(σ)，磁導率(μ)和電容率(ε ) 0因此，在各種實施方式中，本文中使用的各種公式包括σ，μ和ε的影響或以它們表示的因子。矩量矩陣可進一步定義如下
M = Sfj=^ o= (ShS)_!ShM公式 3s = // (x+iy)p_2 (x~iy) r2dxdy公式 4其中S是結構矩陣，它可以例如基于軟場層析成像儀器54的幾何信息(如圖4所示)來預先計算，σ是待確定的電導率，(ShS)-1Sh是結構矩陣的偽逆矩陣(例如多行逆矩陣)，Μ是矩量矩陣。因此，在一個實施方式中，使用上述公式將實驗測得的矩相關以估計電導率分布。應當指出，如本文使用的，符號“ σ ”既表示某一點的電導率，也表示電導率矢量。因此,導納值⑴可用于確定關于分布的信息，包括如66和68所不的分布的物理信息和幾何信息，在這里分別一般地表示為Y=I- (VhV)' Vh和Ys = Ytransformed = P. Y. Q-1。在一個實施方式中，P = Q =離散傅里葉變換(DFT)矩陣C。因此，在這個實施方式中，Ys =C. Y. C—1。然而，應當指出，任何基于矩陣變換的方法或算法均可使用，并且C僅僅是這里用來描述實施方式的一個例子。在這個實施方式中，使用對稱分量變換(SCT)方法將導納矩陣64在70變換為如本文更詳細描述的變換的導納矩陣，其中Y定義離散矩陣中的分布。應當指出，可使用除這里描述的之外的不同類型的變換和求逆技術。因此，SCT方法用于其中P = Q = DFT矩陣C的情況。在一個實施方式中，提供使用對稱分量的軟場重構的方法80，如圖6所示。以下將通過對各種步驟的具體描述來概括描述方法80，其中包括不同的實現。方法80包括在82施加激勵信號和在84測量響應。例如，如本文所述，可以使用多個換能器向對象施加電流，并測量每個換能器上的響應。應當指出，在82施加的激勵信號可以是例如任何標準正交(orthonormal)信號。隨后，在86使用施加的激勵信號和測得的響應來重構導納矩陣。例如，導納矩陣可以定義在多個換能器中的每一個上施加的和測得的信號的值。然后在88，使用自左乘和自右乘過程來變換導納矩陣，例如，使用傅里葉變換矩陣來求逆。應當指出，假定對象中的分布是均勻的，并且網孔(mesh)由例如方形元素、矩形元素或扇形等等形成。于是，可以在分析上定義網格。然而，應當指出，如本文更詳細描述的，可以使用基于形狀的方法代替基于網格的方法。 然后，通過變換的矩陣定義的計算出的矩在90用于迭代計算過程，以估計例如對象內的電導率(σ )，從而重構對象內、比如多材料對象內的分布。例如，可以確定計算出的矩的差，并且對估計出的σ進行更新，直至達到收斂(在預先確定的水平內)。然后，所使用的網孔可在92被細化。例如，可以選擇用于網孔細化的區域，并且基于先前確定的有界的異常或不同材料在分析上計算細化的網孔。接著在94，在細化的網孔上進了迭代計算過程。在一個實施方式中，現在特別關于在86的導納矩陣的構建，與電導率的極矩對應的矩陣的每個Ys元素通過下面一組公式來定義yAp^I) = )’) {x + iy)1^1 (X 一 iy)r2dx dy
O.、JJ (x + iyy~2{x~-iyr2dxdy.. σ。>> σ _。一
權利要求
1.一種用于軟場層析成像重構的方法，所述方法包括 對于被激勵對象使用多個換能器來獲得施加的輸入和測得的輸出信息； 基于所述施加的輸入和測得的輸出信息來形成導納矩陣； 使用所述導納矩陣來確定多個矩；以及 使用所述多個矩來計算所述被激勵對象的特性分布。
2.如權利要求I所述的方法，還包括迭代地比較所確定的多個矩與所計算的多個實驗性的矩，從而計算所述特性分布的估計。
3.如權利要求I所述的方法，還包括變換所述導納矩陣，并且使用所變換的導納矩陣來確定所述多個矩。
4.如權利要求3所述的方法，還包括把傅立葉變換矩陣用于所述變換。
5.如權利要求I所述的方法，還包括使用基于形狀的重構來計算所述特性分布。
6.如權利要求5所述的方法，其中，所述基于形狀的重構使用從矩形和圓形元素其中之一形成的網孔。
7.如權利要求I所述的方法，還包括使用基于網格的重構來計算所述特性分布。
8.如權利要求7所述的方法，還包括自適應地細化用于所述基于網格的重構的網格網孔。
9.如權利要求8所述的方法，還包括對于所細化的網格網孔，迭代地比較所確定的多個矩與所計算的多個實驗性的矩，從而計算所述特性分布的估計。
10.如權利要求7所述的方法，其中，所述基于網格的重構包括求逆到極坐標網格或笛卡爾網格其中之一。
11.如權利要求I所述的方法，其中，所述被激勵對象是管道，并且所述多個換能器形成沿著所述管道的內周的多個環，所述多個環沿著所述管道軸向間隔開。
12.如權利要求11所述的方法，其中，計算所述特性分布包括計算所述管道內流動的氣體的特性分布。
13.如權利要求11所述的方法，還包括采用在所述多個環的軟場重構來計算所述管道內流動的氣體的速度。
14.如權利要求I所述的方法，其中，所述特性分布是在電阻抗層析成像(EIT)、擴散光層析成像(DOT)、近紅外光譜學(MRS)、熱像圖成像、彈性圖成像或者微波層析成像其中之一中確定的分布。
15.如權利要求I所述的方法，其中，所述特性分布包括電導率、電容率、磁導率、吸光率、光散射率、光反射率、彈性或熱導率中的一個或多個的分布。
16.一種用于軟場層析成像重構的方法，所述方法包括 對于被激勵對象使用多個換能器來獲得施加的輸入和測得的輸出信息； 使用所述施加的輸入和測得的輸出信息來進行對稱分量變換(SCT)迭代重構；以及 基于SCT迭代重構來確定所述被激勵對象的特性分布。
17.如權利要求16所述的方法，其中，所述SCT迭代重構包括空間頻率重構。
18.如權利要求16所述的方法，其中，所述被激勵對象是管道，并且所述多個換能器形成沿著所述管道的內周的多個環，所述多個環沿著所述管道軸向間隔開，并且其中，確定所述特性分布包括確定所述管道內流動的氣體的分布。
19.一種軟場層析成像系統，包括 配置成用于安置在對象表面附近的多個換能器； 一個或多個激勵驅動器，所述激勵驅動器耦合到所述多個換能器，并且配置成為所述多個換能器產生激勵信號； 一個或多個響應檢測器，所述響應檢測器耦合到所述多個換能器，并且配置成測量所述對象在所述多個換能器上對激勵的響應，所述激勵是所述多個換能器基于所述激勵信號來施加的；以及 軟場重構模塊，所述軟場重構模塊配置成采用從導納矩陣重構過程中確定的多個矩，基于所述激勵信號和測得的響應來重構所述對象的特性分布。
20.如權利要求19所述的軟場層析成像系統，其中，所述對象是管道，并且所述多個換能器形成沿著所述管道的內周的多個環，所述多個環沿著所述管道軸向間隔開，并且其中，所述軟場重構模塊還配置成計算所述管道內流動的氣體的特性分布。
全文摘要
提供一種用于軟場重構的系統和方法。一種方法包括對于被激勵對象使用多個換能器來獲得施加的輸入和測得的輸出信息，并基于施加的輸入和測得的輸出信息形成導納矩陣。該方法還包括使用導納矩陣來確定多個矩，以及使用多個矩計算被激勵對象的特性分布。
文檔編號G01N29/02GK102944643SQ201210325670
公開日2013年2月27日 申請日期2012年6月30日 優先權日2011年6月30日
發明者R·V·V·L·蘭戈朱, W·巴蘇, M·庫馬科伊蒂塔米塔爾, S·馬哈林加姆 申請人:通用電氣公司