[發明專利]基于等位線濾波反投影算法的壓力分布重建方法

有效

• 申請號: 201610016387.9
• 申請日: 2016-01-12
• 公開（公告）號: CN105631226B
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 李士強;王新立;劉國強
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種壓力分布重建方法，特別涉及一種基于等位線濾波反投影算法的壓力分布重建方法。

背景技術

中國已經進入了嚴重的老齡化社會，關注老年人健康是當前社會關注的熱點問題。在現階段，有大約5％的老年人身受偏癱疾病的困擾，而針對偏癱患者最有效的治療手段是矯形康復治療。在矯形治療中，對人體壓力分布的測量對于指導病人更好地康復至關重要。

目前，針對人體壓力分布的檢測手段主要是采用壓力傳感器陣列檢測。所用的壓力傳感器有電容式、電阻式、壓電式、壓阻式等等。它通過陣列分布的壓力傳感器檢測到的壓力變化，將檢測到的傳感器節點的壓力值代替傳感器所處區域的壓力值，來得到整個界面的壓力分布。這種重建壓力分布的方法需要密集布置傳感器陣列并精確知道每一個傳感器的位置，重建方法簡單，但成本很高，不適合經濟基礎薄弱的病患群體使用。

2013年中國科學院電工研究所提出來了一種新的人體壓力檢測技術，專利申請號為201310006835.3，它通過向壓力墊中注入200kHz以下頻率的交流電流信號，利用壓力墊在受力時電阻率發生變化的特性，通過檢測壓力墊表面邊緣電壓信息來重建壓力墊所受壓力的分布。這種技術由于不需要高精度、密集分布的壓力傳感器陣列，而僅僅通過幾個檢測電極就可以完成壓力分布的檢測，減少了電子線路和器件，極大的降低了成本。這種技術由于采用了全新的壓力檢測原理，因此在壓力分布重建方面也需要一種全新的重建算法。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的的缺點，提出一種基于等位線濾波反投影算法的壓力分布重建方法。本發明可以滿足現有的壓力分布重建算法的要求。

本發明的原理為：采用壓阻材料制作的壓力墊在受到壓力時，其受力部位會出現電阻率特性的變化，通過向壓力墊注入激勵電流，同時檢測壓力墊表面邊緣電壓，利用電壓信息反演計算得到壓力墊電阻率的變化，再根據材料的壓阻特性重建壓力墊的受力的分布情況。

應用本發明的人體壓力分布檢測系統包括壓力墊、激勵電源、信號處理系統和計算機系統。壓力墊表面邊緣均勻布置電極，用于輸入激勵電流信號和檢測電壓信號。激勵電源的輸出端與壓力墊相連，激勵電源用于提供激勵電流。信號處理系統的輸入端與壓力墊相連，用于對壓力墊輸出的檢測信號進行放大濾波等處理。計算機系統的輸入端與信號信號處理系統的輸出端相連，用于處理信號，反演計算壓力分布。

本發明包括四個步驟：第一步構建無壓力時電阻率分布矩陣、反投影矩陣以及加權系數矩陣；第二步獲得電壓檢測信號；第三步采用等位線濾波反投影算法求解電阻率變化分布矩陣；第四步利用壓阻特性重建壓力分布圖像。各步驟的具體方法如下：

第一步：構建無壓力時電阻率分布矩陣、反投影矩陣以及加權系數矩陣

首先通過檢測壓力墊自身的壓阻特性，構建壓力墊的電阻率分布矩陣，然后根據壓力墊的形狀、尺寸、激勵檢測方式構建反投影矩陣以及加權系數矩陣，具體如下：

1)使用電流表或電壓表，采用四探針法或范德堡法(Van Der Pauw Method)測量壓力墊的電阻率，得到壓力墊的電阻率分布矩陣ρ，通過壓力加載等方式獲得壓力墊的壓阻特性關系f(ρ，P)，其中P為施加的壓力；

2)根據壓力墊的形狀和尺寸，采用計算仿真軟件建立壓力墊有限元模型，該有限元模型中的有限單元數為M，將該有限元模型有限單元的電阻率設置成電阻率分布矩陣ρ的元素。確定電極個數N、電極排列方式、激勵電流注入方式、電壓測量方式，以及加權系數矩陣W；

3)采用所建立的壓力墊有限元模型，計算壓力墊表面邊緣電極處的響應電壓V_j1，V_j2，V_ij，其中，V_j1，V_j2分別為第j對電極上的響應電壓，V_ij為從i對電極注入電流后，在第j對電極間的響應電壓，V_ij＝V_j1-V_j2，i，j＝1，2，…N，N為電極個數；

4)計算有限元模型中有限單元的電位V_m，m為有限單元編號，m＝1，2，…M，V_m取第m個單元三個頂點電壓的平均值；

5)構建第i對電極激勵時的反投影矩陣B_i，矩陣中的元素B_i[m，j]可由下式(1)決定：