基于無網(wǎng)格方法的電阻抗成像算法研究.pdf

1、電阻抗成像(Electrical impedance tomography, EIT)技術(shù)是一種新興的功能性醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，通過向被測場域施加電激勵(電流或電壓)并檢測場域邊界上的電響應(yīng)(電壓或電流)，再經(jīng)過重建算法估算出被測場域內(nèi)部的電導(dǎo)率分布情況或電導(dǎo)率變化情況。電阻抗成像技術(shù)以其設(shè)備成本低、體積小、無創(chuàng)傷、無輻射等優(yōu)點，在醫(yī)學(xué)診斷與監(jiān)測、地球物理檢測、環(huán)境監(jiān)測及工業(yè)多相流成像等領(lǐng)域引起了研究者的廣泛關(guān)注。盡管近幾年國內(nèi)外電阻抗成像儀

2、器發(fā)展較快，但至今仍基本處于實驗室階段，圖像重建算法的精確性和高效性對電阻抗成像技術(shù)從實驗室走向臨床實用起著決定作用。如何實現(xiàn)系統(tǒng)的高精度、高分辨率和算法的快速收斂是當前電阻抗成像技術(shù)的主要難點。
　　本論文在研究總結(jié)當前各種成像算法的基礎(chǔ)上，借鑒其它學(xué)科的研究成果，提出與嘗試了新的電阻抗成像算法，通過仿真與實驗研究證明了其可行性。論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　1)分析研究國內(nèi)外現(xiàn)有電阻抗成像正問題算法，針對有限

3、元方法實現(xiàn)高質(zhì)量網(wǎng)格剖分的困難，提出了將在工程力學(xué)領(lǐng)域取得成功應(yīng)用的無網(wǎng)格方法用來計算電阻抗成像的正問題；推導(dǎo)了無網(wǎng)格方法應(yīng)用于電阻抗成像正問題計算的離散系統(tǒng)方程的建立過程。通過均勻場域和非均勻場域的計算表明，無網(wǎng)格方法可用于電阻抗成像的正問題計算，能夠取得比有限元方法更高的計算精度。
　　2)在電阻抗成像逆問題算法研究中，在分析現(xiàn)有的成像算法的基礎(chǔ)上，提出了將基于群體進化算法的粒子群優(yōu)化算法應(yīng)用于電阻抗成像逆問題求解；針對電阻抗

4、成像的高維難題，提出了相似度因子的概念，并用其對單元進行分類處理；將尋優(yōu)搜索過程分為兩個階段，提出了不同搜索空間的映射方案和具體算法流程。研究表明，粒子群優(yōu)化算法能夠應(yīng)用于電阻抗成像逆問題求解且性能較優(yōu)。
　　3)受到由分組搜索到單元搜索的啟發(fā)，提出了由單元搜索到節(jié)點搜索的電阻抗成像算法，用單元搜索的結(jié)果對節(jié)點搜索的粒子進行初始化；在算法中采用水平集方法對成像結(jié)果進行場域分割，計算出節(jié)點的符號距離函數(shù)值輸入到基于無網(wǎng)格方法的正問題

5、計算算法。研究表明，基于節(jié)點搜索的電阻抗成像算法能夠進一步改善成像精度。
　　4)軟件平臺系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)?？偨Y(jié)電阻抗成像技術(shù)研究的需要，采用三層架構(gòu)設(shè)計并實現(xiàn)了靈活高效的電阻抗成像研究軟件平臺。通過模塊化設(shè)計，合理地定義了各個模塊間的接口，使平臺具有良好的擴展性與高效性。為電阻抗成像技術(shù)研究提供了高效的研究工具。并在軟件平臺上開展了實驗研究。
　　論文最后對研究工作進行了總結(jié)，概括了本論文所完成研究工作的主要內(nèi)容及取得的主要