ECT/ERT双模态阵列电极优化设计及其正问题研究

论文摘要

作为一种无损可视化测量手段,电学成像技术因其价格低廉、响应速度快、无侵入、无损害,在工业和医学领域具有重要的应用价值。电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography,ECT)和电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography,ERT)是基于电磁场理论的新型测量技术,ERT适于测量以导电性介质为连续相的介质,而ECT适于测量以非导电性介质为连续相的介质。为深入分析电学层析成像的测量机理,本论文对ERT/ECT双模态敏感阵列电极优化及ECT/ERT仿真研究等有关方面内容进行了系统研究:(1)分析ECT/ERT敏感场的‘软场’特性,借助大型有限元软件COMSOL,对ECT/ERT阵列电极进行三维电场仿真,分析敏感阵列电极几何形状、结构参数对敏感场分布的影响;(2)本文通过电磁场有限元仿真软件COMSOL分析,分别构建(ERT/ECT)成像系统敏感阵列电极三维模型。基于敏感场分布的均匀性、相关系数及空间分辨率等优化指标,进行了ECT/ERT双模态空间敏感阵列电极优化设计;(3)基于COMSOL Script二次开发模板,设计了二维ECT和ERT仿真系统用户界面。该用户界面大大提升了仿真过程的可视效果,成像状态更直观明了;(4)根据CT脑部和肺部扫描图像构建人体脑部和肺部模型,同时引入人体脑部和肺部组织的结构特征等先验信息,构建人体脑部和肺部模型,采用共轭梯度算法,对脑部和肺部EIT进行仿真研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 过程层析成像技术发展概况
• 1.2 ECT/ERT 技术的研究现状及研究意义
• 1.3 本论文的研究内容
• 1.4 本论文的组织结构
• 第二章 双模态物理模型的数学表述
• 2.1 ECT 敏感场数学描述
• 2.2 ERT 敏感场数学描述
• 2.3 ECT/ERT 正问题分析
• 2.4 ECT/ERT 逆问题
• 2.5 COMSOL 介绍
• 2.5.1 基本介绍
• 2.5.2 COMSOL Multiphysics 的特点
• 第三章 三维双模态阵列电极结构设计与参数优化
• 3.1 ECT/ERT 电场分析及基本理论
• 3.1.1 电容层析成像ECT 电场分析
• 3.1.2 电阻层析成像ERT 电场分析
• 3.2 电极优化设计指标
• 3.2.1 灵敏场的求解
• 3.2.2 优化指标及算法
• 3.2.2.1 场灵敏度的均匀性
• 3.2.2.2 相关系数
• 3.2.2.3 分辨率
• 3.2.2.4 算法
• 3.3 3D-ECT/ERT 敏感阵列电极结构参数设计
• 3.3.1 3D-ECT 敏感阵列电极结构优化
• 3.3.1.1 3D-ECT 敏感电极结构的选择
• 3.3.1.2 屏蔽层影响
• 3.3.1.3 径向电极影响
• 3.3.1.4 电极厚度影响
• 3.3.2 3D-ERT 阵列电极结构优化
• 3.3.2.1 ERT 的电极材料分析
• 3.3.2.2 3D-ERT 电极结构的选择
• 3.4 三维ECT/ERT 阵列电极尺寸参数优化设计
• 3.4.1 3D-ECT 阵列电极尺寸优化
• 3.4.2 3D-ERT 阵列电极尺寸优化
• 3.4.3 ECT/ERT 激励模式的正问题研究
• 3.4.3.1 独立测量数
• 3.4.3.2 激励模式仿真研究
• 第四章 基于COMSOL 二次开发模板的ERT/ECT 用户界面的设计
• 4.1 COMSOL Script 二次开发工具基本功能介绍
• 4.2 2D-ERT 仿真系统用户界面的开发与设计
• 4.3 2D-ECT 仿真系统用户界面的开发与设计
• 第五章 二维EIT 正问题的仿真研究
• 5.1 二维EIT 正问题研究意义
• 5.2 基于先验信息电阻抗层析成像脑部模型的仿真研究
• 5.2.1 模型的建立
• 5.2.2 基于先验知识的雅可比矩阵
• 5.2.3 图像重建
• 5.2.4 仿真实验结果
• 5.3 基于肺部先验知识的电阻抗成像研究
• 5.3.1 灵敏场分布比较
• 5.3.2 仿真实验结果
• 第六章 总结与建议
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢