基于快速牛顿一步误差重构的电阻抗成像算法和实验研究

论文题目: 基于快速牛顿一步误差重构的电阻抗成像算法和实验研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 电气工程

作者: 罗辞勇

导师: 何为

关键词: 电阻抗成像,等位线反投影,快速牛顿一步误差重构算法,动态,静态

文献来源: 重庆大学

发表年度: 2005

论文摘要: 生物电阻抗是反映生物组织、器官、细胞或整个生物机体电学性质的物理量。生物电阻抗技术是利用生物组织与器官的电特性及其变化提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术,具有快速、简捷、成本低廉、安全等特点。本论文在分析、研究国内外有关电阻抗成像重建算法及其研究状况的基础上,研究实现了一种实用、快速、具有一定分辨率的电阻抗成像算法——快速牛顿一步误差重构(FNOSER)动态算法,对成像算法进行了大量的实验研究和数据分析,对成像系统所采用的硬件测量装置的性能进行了研究。本文主要工作如下: (1)研究了目前常用的相邻、相对、交叉等驱动模式。利用开发的电阻抗仿真软件,在有限元模型中所有单元电导率为1 均匀背景下,比较了相邻、相对、交叉驱动模式下的数据和曲线。从三种驱动模式存在着共性出发,提出了统一驱动模式和驱动角的概念。数据分析表明在相同的硬件测量装置下,驱动角在不断加大的过程中数据测量的稳定性不断提高。(2)基于牛顿法的一步误差重构算法对静态电阻抗成像技术进行了详细研究,推导出FNOSER 静态算法,快速牛顿一步误差重构算法其雅可比矩阵等可以事先计算好,从而可以获得和反投影算法类似的成像速度。仿真研究表明:FNOSER 算法可以实现静态电阻抗成像,且具有图像分辨率高、定位精确、成像速度快等特点。(3)在FNOSER 静态算法基础上,提出了FNOSER 动态算法。针对FNOSER算法和反投影算法,研究了静态算法和动态算法之间的转换关系。在FNOSER 算法和反投影算法中,动静态算法是统一的,可以相互转换的。如果参考电压数据是利用有限元正向计算单位电阻率均匀分布下的“测量电压”拟合出来的理想参考电压就是静态算法,而如果参考电压数据采用初始的测量值(或者称前次测量值)就是动态算法。(4)对反投影算法和FNOSER 算法进行了仿真比较。反投影算法没有经过严密的数学推导,是借鉴CT 反投影理论而形成的电阻抗成像算法。由于其投影路径不仅是曲线,而且比较宽,是“宽投影”,并且投影面积大小不一,因此成像的分辨率差。而FNOSER 算法经过严密的数学推导,其公式中的很多量具有很强的物理含义,仿真研究表明FNOSER 算法定位准确,相比反投影算法,FNOSER 算法可以分离多个目标。(5)提出了消除伪迹均值算法。伪迹的产生主要来自于测量数据中所包含的噪声和误差,对于反投影算法还有反投影理论本身所固有的星状伪迹。针对反投影和FNOSER 两种不同的成像算法,在仿真和实验条件下,分别验证了均值算法具有消

论文目录:

中文摘要

英文摘要

1绪论

1.1 引言

1.2 电阻抗成像技术简介

1.3 电阻抗成像国内外研究现状

1.4 本文研究的目的和内容

2电阻抗成像统一驱动模式的研究

2.1 电阻抗成像技术的驱动方式

2.1.1 相邻方法

2.1.2 Avis-Barber交叉法

2.1.3 相对配置

2.1.4 Hua交叉法

2.1.5 对立法

2.1.6 适应法

2.2 驱动方式性能的研究

2.2.1 驱动模式对硬件测量的要求

2.2.2 驱动模式的分辨率

2.3 统一驱动方式研究

2.3.1 驱动角和统一驱动模式

2.3.2 统一驱动模式的数据格式

2.3.3 颅骨模型下不同驱动角下的注入电流分布研究

2.4 小结

3电阻抗成像算法研究

3.1 理论基础

3.2 等位线反投影动态算法

3.2.1 等位线反投影算法原理

3.2.2 等位线反投影算法的实现

3.3 FNOSER静态算法

3.3.1 牛顿法

3.3.2 FNOSER静态算法

3.3.3 FNOSER静态算法的实现

3.3.4 FNOSER静态算法的图像重建

3.4 FNOSER动态成像算法

3.5 反投影静态成像算法

3.6 动静态算法的相互转换

3.7 小结

4消除伪迹算法研究

4.1 反投影重建算法概述

4.2 采用均值算法消除伪迹的理论基础

4.3 采用均值算法消除伪迹的效果

4.4 小结

5实时电阻抗成像软件及实验研究

5.1 实验成像装置

5.2 实时电阻抗成像系统软件

5.2.1 有限元自动剖分

5.2.2 实时电阻抗成像软件和硬件的接口

5.2.3 重建图像显示

5.2.4 软件功能

5.3 实验结果

5.3.1 反投影动态算法和FNOSER动态算法的比较

5.3.2 不同驱动角的成像性能比较

5.3.3 电阻抗FNOSER动态算法实验成像效果

5.3.4 电阻抗FNOSER静态成像算法实验成像效果

5.4 小结

6结论与展望

致谢

参考文献

作者在攻读博士学位期间发表的学术论文

作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及得奖情况

发布时间: 2005-11-07

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