基于物理模型的静态电阻抗断层成像初步结果

时间: 2017-10-22 03:00:12 来源:未知 作者:admin 点击:44 次
  

                      作者:刘锐岗 董秀珍 秦明新 尤富生 史学涛 付峰 汤孟兴 

【关键词】  电阻抗断层成像
  关键词: 电阻抗断层成像;物理模型;静态重构算法 
  摘 要:目的  研究基于物理模型的静态电阻抗断层成像技术. 方法  使用电阻抗断层成像激励和测量系统Ⅲ获得物理模型上的测量数据,应用正则化校正的Newton-Raphson算法重构静态阻抗图像. 结果  对几种具有不同电阻率的背景溶液和琼脂目标得到了初步的静态阻抗图像.背景溶液重构图像的灰度比较均匀,重构数值集中在一个较小的范围内,且与实际电阻率数值近似成比例关系;目标重构图像清晰,图像大小与实际大小接近,定位基本准确,不同电阻率的目标在重构图像中具有不同的数值和灰度,对多个目标可以明确区分;驱动电流的大小对重构结果的影响很小. 结论  EIT激励和测量系统Ⅲ所得测量数据的精度基本能满足静态成像的要求,正则化校正的重构算法能够有效区分不同电阻率值的目标,能够适应静态阻抗重构的需要.
      
  Keywords:electrical impedance tomography;physical phan-tom;static reconstructed algorithm
     
  Abstract:AIM To study static electrical impedance tomog-raphy(EIT)technology based on physical phantom.METH┐ODS Measurement data were obtained from the electrical impedance tomography driving&measuring systemⅢ.The static impedance images were reconstructed using the regular-ized Newton-Raphson algorithm.RESULTS For several kinds of background solution and agar objects with different resistivity,the primary static EIT images were got.The re-constructed image of background solution had comparative even greyscale.The reconstructed value of background had limited in a narrow scale and proportional to real resistivity.The reconstructed images of agar objects were clear,closed to the real size,and located on the right position.The ob-jects with different resistivity had different value and greyscale in result images.Multiple objects could be distin-guished explicitly.The value of driven current had little in-fluence on the result images.CONCLUSION Measurement data sampled by EIT driven&measuring systemⅢare pre-cise enough to produce the static impedance images.The reg-ularized reconstructed algorithm is able to distinguish two or more objects with different resistivity and adapt itself to the requirement of static impedance imaging.
     
  0 引言
     
  静态电阻抗断层成像(static EIT)是电阻抗断层成像技术的一个重要分支,它是在成像目标的某一个横断面的外周施加一定数量的电流激励,并在外周测量其响应电压,然后应用一定的重构算法求出被测目标该断面内部的电阻率绝对值的分布[1] .与其对应的,以电阻率变化量的分布为成像结果的称为差动EIT(difference EIT)或动态(dynamic EIT).sEIT对测量数据的精度要求很高,且其重构算法也非常复杂,因而获得电阻率影像更为困难[1] .但是,sEIT能提供成像横截面内电阻率绝对值的分布,所包含的信息量较大,对理论研究和临床诊断具有重要的意义.
     
  1 物理模型和硬件系统
     
  我们所用的物理模型为一个仿人体躯干的模型,它是一个圆柱形的槽,内部高100mm,内径300mm,在槽的内表面的中部等间隔地排列了32个复合电极,该电极整体为长方形,高32mm,宽24mm,其中部是一半径为5mm的圆作为驱动电极,用于施加激励电流,外周部分作为测量电极,用于测量响应的电压数据,内外电极间隔1.5mm.槽内注满一定浓度的NaCl溶液,作为背景电阻率.在溶液中放置不同电阻率值、不同形状和体积的物体作为被测目标.以上整合起来就是我们实验所用的物理模型.
    实验所用EIT硬件系统,是由我们设计的电阻抗断层成像激励和测量系统Ⅲ.该系统采用电流激励,电压测量方式,驱动模式为临近驱动,临近测量模式;其激励电流频率为47kHz,电流幅值范围是0.16~2.56mA;采用激励信号同步外触发DMA采样方式;测量数据迭加100次后,其精度≤0.5%;在32电极驱动和测量时,所得有效数据量为32×31=992.
     
  2 静态成像算法
     
  我们使用正则化校正的Newton-Raphson算法[2] ,其理论基础是最小二乘法.该算法是寻找满足某一判据的近似解,这里使用的判据是使初始假设分布的正向计算结果与实际测量结果的均方误差最小.因为成像目标横断面内的电阻率分布与边界测量电压的关系非常复杂,是一种非线性关系,在数学上属于偏微分方程的逆问题,而且还与电极的位置、有限元剖分模型、环境温度等因素有关,但这些因素难以度量和计算,因而选择最小二乘法是合适的.这种正则化方法的优点是通过改变正则化参数 理想条件数rc的值,可以控制发挥作用的奇异值的数量,rc较小时有效的奇异值也较少,反之则较多;可以准确设定Hessian矩阵的条件数,从而达到控制整个计算过程中的病态性的目的.我们在计算机仿真实验中验证本算法能有效地减低重构计算过程中严重的病态性问题,使计算结果收敛[2] .
    
  本文中rc取1.0×106 ,因其在仿真计算中的重构结果较好.
     
  3 成像结果及分析  
  背景溶液是浓度分别为2.5%,5.0%,10%的NaCl溶液,由经验公式求出其相应的电阻率分别约为4.0,2.0,1.0Ωm[3] .目标为一定形状、不同电阻率的琼脂块,其所对应的电阻率也由经验公式获得[3] .成像所用的重构模型见Fig1,为同心圆式剖分15层的有限元三角形网格,边界节点64个,总节点数为541,单元数为1016.间隔一点取边界节点,共32点作为驱动和测量电极对应的点[4] .相应于直径为30cm的物理模型,每个单元的直径约为1cm,这就是采用现在的这个重构模型的最小空间分辨率约为1cm.由于剖分规模较大,计算所需的时间较长,一般单步迭代约需时230min(计算所用计算机为Pentium II350),所以本文中的结果图像都是第一步迭代的结果.
         
  图1 略
       
  Tab1中列出了6种目标参数设置,其静态阻抗成像结果见Fig2,主要结果参数列于Tab2.成像结果按灰度显示,其最大值的灰度等级设为255,而最小值的灰度等级设为0,共划分256个灰阶,每一幅图像在下方给出了灰度指示条.结果图像的外围圆表示模型的边界.由于目前缺少仪器精确测定准确的电阻率,我们在文中的所有结果数值都采用直接的计算结果,称为dr值,理论上dr值与电阻率值应为线性关系.

联系我们Contact

企业QQ号码:4000290153
企业QQ咨询:
全国免费电话:400-029-0153
邮箱地址: 4000290153@b.qq.com
为了确保您的论文能够顺利通过审核,
请您在与客服老师沟通时务必要总结清楚您的论文要求。

南海代写论文网