基于虚拟仪器的电阻抗成像算法研究

论文摘要

电阻抗成像技术（Electrical Impedance Tomography,EIT）是当今生物医学工程学重大研究课题之一,它是继形态、结构成像之后,于最近二十年才出现的新一代无损伤成像技术。电阻抗成像技术通过配置于人体体表的电极阵列,提取与人体生理、病理状态相关的组织或器官的电特性信息,不但反映了解剖学结构,更重要的是可望给出功能性图像结果,这是X-CT、核磁共振等其它成像技术难以实现的。电阻抗成像技术不使用核素或射线,对人体无害,可以多次测量,重复使用,可以成为对病人进行长期、连续监护而不给病人造成损伤或带来不适的医院监护设备。加之其设备成本低廉,不要求特殊的工作环境等,因而是一种理想的、具有广泛应用前景的无损伤医学成像技术和图像监护技术。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,以电阻抗成像技术为主要目标,利用虚拟仪器LabVIEW软件实现了一种实用、快速、具有一定分辨率的电阻抗成像算法——等位线反投影算法,对成像算法进行了仿真研究和数据分析。本文主要工作如下:（1）介绍了EIT成像技术的研究意义,阐述其成像原理,简述了该项新技术的应用及其在国内外的研究概况。（2）对电阻抗成像的正问题进行了理论研究。建立了正问题的理论模型,采用有限元法对正问题进行求解,分析了场域电导率的分布变化对边界电位的影响,包括对场域内某一区域电导率增加、电导率减小、电导率区域扩大和不同区域电导率改变等多种情况的分析。研究表明:场域内电导率的改变会使场域四周的边界电位发生变化。（3）对电阻抗成像中等位线反投影算法进行了改进研究。在Sheffield等位线反投影算法基础上进行了改进,给出了投影长度的近似计算公式,考虑了投影路径的长度对图像重建的影响。和原算法相比,重建图像更加清晰,减小了重建图像的伪迹。论文对改进的等位线反投影算法的性能进行了研究,包括对同一区域不同电导率成像,同一电导率不同区域成像,单个目标成像,2个目标的远距离和近距离成像,3个目标成像。研究表明:改进的等位线反投影算法不但可以较准确地对场域内目标进行定位,而且具有一定的分辨率;当场域内电导率分布发生改变时,重建图像可以较好地反映出其电导率的变化。（4）利用LabVIEW研制电阻抗成像仿真软件。完成了有限元自动剖分,分析了有限元节点和三角单元的编号规律,给出了高斯消元法和正问题求解的程序框图,对等位线反投影改进算法的程序框图也做出了说明。有限元模型的规模可以在软件内调节,为算法的仿真研究带来方便。最后,对论文的研究工作进行了总结,给出了所完成的主要研究工作及取得的成果,指出了目前存在的问题和不足之处以及对本课题今后的研究展望。

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英文摘要

1 绪论

1.1 引言

1.2 电阻抗成像技术简介

1.2.1 EIT成像的研究意义

1.2.2 EIT的图像重建方式

1.2.3 EIT成像的问题及难点

1.2.4 EIT的国内外研究现状

1.2.5 EIT成像的应用

1.3 本文研究内容

2 电阻抗成像正问题的研究

2.1 EIT工作原理

2.2 EIT的正问题及求解方法

2.3 有限元方法（FEM）的三角单元分析

2.4 网格自动生成的有限元模型

2.5 场域电导率分布变化对边界电位的影响

2.5.1 场域内某一区域电导率增加

2.5.2 场域内某一区域电导率减小

2.5.3 场域内电导率变化区域扩大

2.5.4 场域内不同区域电导率改变

2.6 本章小结

3 电阻抗成像等位线反投影改进算法的研究

3.1 理论基础

3.2 等位线反投影算法原理

3.2.1 反投影重建算法的物理概念

3.2.2 等位线反投影算法原理

3.2.3 等位线反投影算法的实现

3.3 电阻抗成像等位线反投影算法的改进

3.3.1 CT中考虑投影路径的反投影算法

3.3.2 考虑投影路径的电阻抗成像反投影改进算法

3.4 电阻抗成像反投影改进算法性能研究

3.4.1 同一区域不同电导率

3.4.2 同一电导率不同区域

3.4.3 单个目标

3.4.4 多个目标

3.4.5 结论

3.5 本章小结

4 基于LabVIEW电阻抗成像软件平台研究

4.1 LabVIEW软件概述

4.2 有限元自动剖分

4.2.1 节点编号规律

4.2.2 三角单元数值编号规律

4.2.3 高斯消元法求解电位

4.3 正问题求解的程序框图

4.4 电阻抗成像反投影改进算法的程序框图

4.5 本章小结

5 结论与展望

致谢

参考文献

附录:A.作者在攻读硕士学位论文期间发表的学术论文

B.作者在攻读硕士学位论文期间参加的科研项目

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