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电阻抗断层成像算法研究及系统软件设计

作　者: 唐磊
导　师: 王化祥
学　校: 天津大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 电阻抗层析成像图像重建算法总变差正则化串口通讯实时成像灵敏度系数矩阵等值云图
分类号: TP311.52
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

电阻抗层析成像技术(Electrical Impedance Tomography,EIT)是近年来发展起来的新型测量技术,由于该技术具有无辐射、非侵入、响应快、结构简单以及成本低廉等优点,在医学临床监护和工业测量等领域具有广阔的应用前景。近二十年来,EIT技术虽然取得了很大进展,但由于逆问题求解存在严重的不适定性,使得图像重建质量并不理想,图像分辨能力较差。同时由于研究人员将更多的精力投入到硬件设计和算法研究中,系统软件设计相对滞后,成像软件功能单一,显示效果较差,成像速度较慢。针对目前存在的问题,本课题主要从EIT图像重建算法及系统软件设计两方面进行深入研究。主要工作和结论如下:一、EIT图像重建算法研究总结非线性逆问题求解常用算法的理论原理并将其推广到电阻抗成像的图像重建。针对EIT逆问题解的不适定性及重建图像分辨率较低的问题,提出一种基于总变差(Total Variation,简称TV,又称全变分)正则化的图像重建算法,同传统的Tikhonov正则化算法相比,这种新算法不仅保证了逆问题求解的稳定性,而且提高了对介质非连续分布的区域成像的分辨能力,具有良好的保边缘性。仿真与实验结果均表明,同其它算法相比,TV正则化算法在成像质量方面具有明显优势,同时实时性也能满足目前应用的需要。二、EIT系统软件设计应用Visual C++编程环境设计了一套基于32位Windows平台的EIT实时成像软件系统EIT_SystemII。软件系统主要包括以下功能模块:场域模型建立及有限元剖分模块;串口通讯功能模块;算法实现与应用模块;图形显示模块;数据存储和回放模块。分别实现了对给定模型的自动有限元剖分;实现了基于RS-232串口通讯的实时数据采集,通过对多线程的有效分配提高了系统实时成像的速度;在软件系统中集成了目前常用的图像重建算法和TV正则化算法,通过引入矩阵运算类简化编程过程,通过对矩阵运算的特别安排,大大提高图像重建的速度;完成对重建图像的灰度等值线和等值云图的绘制,大大提升图像的可视效果,通过实时阈值滤波,更可以有效去除干扰,提高图像的分辨能力;将鼠标所在点的灰度值、成像速度等相关数据和参数实时显示在客户区,使成像状态更直观明了;同时可以对实验数据进行存储和回放,大大降低了硬件配合的难度。最后进行EIT在线成像实验及分析实验结果,并对以后研究工作做出展望。

全文目录

中文摘要  2-3
ABSTRACT  3-7
第一章绪论  7-15
  1.1 电阻抗层析成像技术简介  7-8
  1.2 EIT 技术发展概况  8-13
  1.3 本课题完成的工作及创新点  13-14
  1.4 本论文的组织  14-15
第二章 EIT 正、反问题分析  15-25
  2.1 EIT 敏感场的数学描述  15-16
  2.2 EIT 正问题有限元解  16-21
    2.2.1 等价变分问题  17
    2.2.2 几何剖分、分片插值和总体集成  17-21
  2.3 EIT 反问题分析  21-25
    2.3.1 研究反问题的意义与难点  21-22
    2.3.2 反问题病态性分析  22-25
第三章图像重建算法  25-44
  3.1 等位线反投影算法  25-26
  3.2 灵敏度系数法  26-27
  3.3 滤波反投影算法  27-28
  3.4 Landweber 迭代法及预迭代方法  28-31
    3.4.1 算法的理论基础  28-29
    3.4.2 Landweber 图象重建算法  29-30
    3.4.3 基于Landweber 算法的预迭代算法  30-31
  3.5 共轭梯度法  31-34
    3.5.1 算法的理论基础  32-33
    3.5.2 共轭梯度法的实现  33-34
  3.6 牛顿－拉夫逊算法  34-36
    3.6.1 算法的理论基础  34-35
    3.6.2 牛顿－拉夫逊算法的实现  35-36
  3.7 正则化算法  36-42
    3.7.1 Tikhonov 正则化算法  36-38
    3.7.2 总变差正则化算法  38-42
  3.8 常用算法仿真结果比较  42-44
第四章 EIT 系统软件设计  44-81
  4.1 EIT 软件系统设计概述  44-47
  4.2 EIT_SystemII 软件系统界面功能设置  47-51
  4.3 场域模型建立及有限元剖分模块  51-54
  4.4 串口通讯功能模块  54-61
    4.4.1 通讯功能模块简介  54-55
    4.4.2 串口通讯功能模块软件设计  55-61
  4.5 算法实现与应用模块  61-68
    4.5.1 矩阵运算类的设计和应用  61-63
    4.5.2 灵敏度系数计算  63-66
    4.5.3 相关矩阵设计及算法应用  66-68
  4.6 图像显示模块  68-78
    4.6.1 图形设备接口  68-71
    4.6.2 灰度值等值线绘制  71-73
    4.6.3 彩色或黑白等值云图绘制  73-77
    4.6.4 图像显示调整  77-78
    4.6.5 相关数据及参数可视化  78
  4.7 数据存储和回放模块  78-79
  4.8 在其它成像系统中的应用  79-81
第五章 EIT 系统实验  81-88
  5.1 EIT 系统实验设计  81-82
  5.2 实验成像结果  82-85
  5.3 实验结果分析  85-88
第六章总结与展望  88-90
参考文献  90-97
发表论文和参加科研情况说明  97-98
致谢  98

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