電學層析成像系統(tǒng)模型、算法研究.pdf

1、作為一種無損可視化測量手段，電學層析成像技術(shù)因其價格低廉、響應快速，在工業(yè)和醫(yī)學領域具有重要的應用價值。目前，電學層析成像大多表現(xiàn)為單模態(tài)成像，且成像過程依賴于有限元的數(shù)值求解。為深入分析電學層析成像的測量機理，本論文對傳感器的數(shù)學模型及相應的雙模態(tài)圖像重建算法進行了系統(tǒng)研究。 首先，為實現(xiàn)傳感器的標定及進行快速圖像重建，討論了接觸式傳感器模型，該類傳感器屬于“計算式”，其電學參數(shù)可用幾何參數(shù)解析表達，且可進行雙模態(tài)測量。對于電

2、容模態(tài)，測量值與理論值的相對偏差小于1.64％；對于電導模態(tài)，測量值與理論值的相對偏差小于2.68％。樣機上圖像重建結(jié)果，證實了基于模型的重建算法的有效性。重建過程無需采用有限元求解，降低了圖像重建的計算復雜度。根據(jù)黎曼定理，基于模型的算法可以推廣到任意由Jordan曲線包圍的區(qū)域。 其次，構(gòu)建了兩種非接觸式傳感器，其中，導電環(huán)式傳感器適用于導電介質(zhì)為連續(xù)相的電阻層析成像，配置于導電環(huán)上的電極尺寸可以很小，有利于提高電壓測量的分

3、辨率，增加電極數(shù)目以提高信息獲取能力。構(gòu)建的絕緣環(huán)式傳感器，在交流電壓激勵下，可進行雙模態(tài)電學層析成像，屬于非接觸式傳感器，有望應用于非接觸式醫(yī)學監(jiān)測領域。在此基礎上，設計了兩種螺旋式相含率傳感器，主要利用了‘軟場’效應的全局性質(zhì)以及螺旋式電極的空間濾波效應。仿真和實驗結(jié)果表明，螺旋式結(jié)構(gòu)有助于構(gòu)建較為均勻的靈敏場分布，測量數(shù)據(jù)和相含率具有較高的線性度。 然后，研究了二端子法測量方式的數(shù)學模型及圖像重建，獲得了對人體/管道分布的

4、重建圖像，結(jié)果證實了其可行性。由于二端子法測量簡化了硬件系統(tǒng)，壓縮了測量數(shù)據(jù)的動態(tài)變化范圍，對于電學成像系統(tǒng)的小型化設計，較為有利。但同時指出激勵和測量模式的改變，僅有利于測量，并不會增加獲取的信息量。 最后，討論了圖像重建的線性化方法，提出了一種基于模型的魯棒算法，對人體肺部活動的數(shù)據(jù)進行了圖像重建。結(jié)果表明，基于模型的算法可以通過共形變換靈活推廣，且可實現(xiàn)肺部活動的可視化監(jiān)測。 本工作提出的基于模型的方法，不僅可用于