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)技術是一種新興的功能性醫(yī)學成像技術，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(電壓或電流)，再經(jīng)過重建算法估算出被測場域內(nèi)部的電導率分布情況或電導率變化情況。電阻抗成像技術以其設備成本低、體積小、無創(chuàng)傷、無輻射等優(yōu)點，在醫(yī)學診斷與監(jiān)測、地球物理檢測、環(huán)境監(jiān)測及工業(yè)多相流成像等領域引起了研究者的廣泛關注。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的主要難點。
　　本論文在研究總結當前各種成像算法的基礎上，借鑒其它學科的研究成果，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)高質量網(wǎng)格剖分的困難，提出了將在工程力學領域取得成功應用的無網(wǎng)格方法用來計算電阻抗成像的正問題；推導了無網(wǎng)格方法應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上，提出了將基于群體進化算法的粒子群優(yōu)化算法應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)設計與實現(xiàn)?？偨Y電阻抗成像技術研究的需要，采用三層架構設計并實現(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，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