基于量子粒群算法的電阻抗圖像重構研究.pdf

1、電阻抗成像技術(Electrical Impedance Tomography，EIT)是一種較為新穎的無損傷的醫(yī)學功能成像技術，它通過置于人體表面的電極向其施加激勵電流，測量其表面的電特性信息，來重構被測區(qū)域內部的電導率分布，從而反映人體內部結構與組織器官的功能。與傳統(tǒng)的醫(yī)學成像技術相比較，電阻抗成像技術不使用射線或者核素，對人體安全無傷害，可以多次測量、長期重復使用，其設備體積小、成本相對低廉，對工作環(huán)境無特殊要求，便于大規(guī)模推廣。

2、這些特點使得EIT技術不僅是在醫(yī)學方面，而且在工業(yè)監(jiān)測、無損探傷等工業(yè)領域都備受矚目。
　　 本論文以EIT圖像重構為研究對象，實現(xiàn)了全電極模型下的有限元法電阻抗成像正問題的計算過程，并分析了電阻抗成像逆問題的研究難點和病態(tài)性。在介紹粒子群優(yōu)化算法和量子粒子群優(yōu)化算法的優(yōu)缺點后，選定了使用量子粒子群優(yōu)化算法來進行電阻抗圖像重構，最后做了大量的仿真實驗來驗證該算法的可行性。
　　 本文的主要工作如下：
　　 ①首先

3、在電阻抗成像技術的生物醫(yī)學基礎上，簡要闡述了EIT成像正問題的控制方程及邊界條件，在此基礎上推導出全電極模型下的基于三角形剖分的有限元方程，通過實測數(shù)據和計算數(shù)據的對比，驗證了全電極模型下有限元法的計算精度。為了兼顧求解的精度與速度，給出了EIT正、逆問題所采用的有限元剖分模型，以及其加密策略。著重對EIT逆問題的研究難點和病態(tài)性作了較為詳細的分析，為后面的EIT圖像重構奠定了良好的基礎。
　　 ②分析了基本粒子群算法和幾種改進

4、的粒子群算法的原理、算法流程、優(yōu)缺點，以此為基礎重點介紹了量子粒子群算法的產生、原理和實現(xiàn)流程，并與PSO算法進行了分析比較。最后用PSO算法和QPSO算法分別對Rosenbrock函數(shù)和Rastrigrin函數(shù)進行仿真測試，分析結果可知QPSO算法在收斂精度和速度等方面都要優(yōu)于傳統(tǒng)的PSO算法，為QPSO算法的改進和在EIT圖像重建中的應用打下了基礎。
　　 ③在上述的研究基礎上，給出了EIT逆問題的數(shù)學優(yōu)化模型，并提出了基于

5、量子粒子群優(yōu)化算法(QPSO)的電阻抗圖像重構算法，為了提高QPSO算法搜索全局最優(yōu)解的能力，將NOSER算法的求解結果賦予該算法的初始種群，以提高算法的性能；為了驗證該算法的性能，在封閉式場域做了仿真實驗，并與牛頓法、PSO算法的仿真結果做了對比；并結合實際應用情況，進行了開放式EIT重構仿真和水槽試驗，結果表明重構圖像具有良好的分辨率。在MATLAB環(huán)境下建立并完善了開放式電阻抗成像軟件平臺，實現(xiàn)了有限元模型顯示、串口通信、電壓數(shù)據