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基于Pattern Transition优化算法的电阻层析成像研究

作　者: 杨铭如
导　师: 王安娜
学　校: 东北大学
专　业: 电工理论与新技术
关键词: 电阻层析成像 有限元剖分 电流注入模式 牛顿法 PT优化算法
分类号: TN27
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography, ERT)技术是基于电路原理、电工新技术、医学、生物学等学科交叉的一种新型层析成像技术。具有非侵入、多点测量、无辐射、在线测量、结构简单、成本低、响应速度快等优点。电阻层析成像给出的是预报性的信息,有助于早期诊断并且诊断过程不会对病人造成辐射和损伤。近年来,电阻层析成像已开始应用于医学领域。是目前研究的热点之一。本文以985项目二期工程项目为背景,对电阻层析成像技术进行了系统研究。在正问题研究工作中,深入分析了电极组结构和电流注入模式对电阻层析成像质量的影响,综合考虑成像速度以及重建图像的质量,选择了32电极作为最终电极数目,电流注入模式选择了邻近注入模式,这种电流注入模式的成像效果最佳。系统研究了有限元剖分方法,针对经典的有限元剖分方法比较粗糙问题,改进了有限元剖分方法,在原三角剖分的基础上,进一步细划了有限元单元。实验结果表明,该剖分方法的成像效果更佳。深入分析了当场域内部电导率的分布发生改变时,如目标区域增加、位置发生偏移等,它对场域边界电压的影响、边界电压的变化规律、边界电压的变化对场域内部电导率分布的影响等问题。得出了场域内区域电导率变化对边界电压影响的规律。在电阻层析成像逆问题研究中,提出了基于模式转换(Pattern Transition, PT)优化算法的电阻层析成像方法。将PT算法应用于电阻层析成像图像重建过程的优化,对牛顿法和PT优化算法进行了比较,实验结果表明应用本文算法所得到的对应电导率分布的图像重建结果性能更佳,改善了成像质量。在Matlab7.01环境下,开发了电阻层析成像仿真实验平台,实现了改进的剖分方法和基于PT优化算法的电阻层析成像方法。对正问题中的电极组结构和电流注入模式选择、有限元剖分方法、场域分析,逆问题中的图像重建等问题做了大量的实验,实验结果表明了本文方法的有效性和优越性。

全文目录


中文摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-21
  1.1 课题研究背景及意义  11
  1.2 电学与生物学的关系  11-13
  1.3 电阻层析成像技术的发展及国内外研究现状  13-17
    1.3.1 ERT的发展历程  13-16
    1.3.2 ERT技术的研究现状  16-17
  1.4 ERT技术的关键问题  17-18
  1.5 本文研究的主要内容  18-21
第2章 ERT技术的正问题研究  21-41
  2.1 ERT的工作原理  22-24
  2.2 ERT的电流注入模式  24-28
    2.2.1 邻近注入模式  25
    2.2.2 交叉注入模式  25-27
    2.2.3 相反注入模式  27
    2.2.4 自适应注入模式  27-28
  2.3 灵敏度矩阵的构造方法  28-31
    2.3.1 构造灵敏度矩阵的摄动方法  28-29
    2.3.2 Geselowitz灵敏度原理  29-31
  2.4 数学模型  31-33
  2.5 ERT中的有限元法  33-39
    2.5.1 线性插值与基函数  34-35
    2.5.2 单元分析  35-38
    2.5.3 总体合成  38-39
  2.6 本章小结  39-41
第3章 ERT技术正问题的实验分析  41-55
  3.1 电流注入模式不同对边界电压的影响  41-42
  3.2 电极组结构对成像的影响  42-44
  3.3 有限元网格划分方法对成像的影响  44-46
  3.4 场域内区域电导率变化对边界电压的影响  46-53
    3.4.1 场域内某一区域电导率增加  47-48
    3.4.2 场域内某一区域电导率减小  48-50
    3.4.3 场域内电导率变化区域面积改变  50-51
    3.4.4 场域内不同区域电导率改变  51-53
  3.5 本章小结  53-55
第4章 ERT技术的逆问题研究  55-69
  4.1 理论基础  55-59
  4.2 数据获取方法  59-61
    4.2.1 最佳电流注入  59-61
    4.2.2 电流注入及电压测量  61
  4.3 牛顿法  61-63
    4.3.1 数学物理模型  61-62
    4.3.2 ERT重建算法中牛顿法的构造  62-63
  4.4 Pattern Transition优化算法  63-67
    4.4.1 Pattern Transition算法  63-66
    4.4.2 基于PT优化算法的ERT算法  66-67
  4.5 本章小结  67-69
第5章 ERT的实验研究  69-79
  5.1 ERT实验步骤  69-70
  5.2 区域电导率发生变化时的成像对比  70-72
  5.3 多个目标成像  72-78
    5.3.1 基于牛顿法的成像  72-76
    5.3.2 基于Pattern Transition优化算法的成像  76-78
  5.4 本章小结  78-79
第6章 结论与展望  79-81
  6.1 结论  79
  6.2 展望  79-81
参考文献  81-85
致谢  85-87
攻读硕士期间参加的科研工作  87-89
攻读硕士期间发表的论文  89

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 显示技术
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