便携式电阻抗层析成像系统设计及应用

论文摘要

电阻抗层析成像(EIT)是用于生物组织功能性成像的新兴技术,具有设备成本低、检测费用低、无创无害、非侵入、动态成像等优点。针对现有的电阻抗层析成像系统结构复杂、难以携带且不适合在家庭中普及的问题,本文开发了一种便携式、低成本的电阻抗层析成像系统。首先,介绍了电阻抗层析成像原理,对电阻抗层析成像模型做出假设和简化,建立了图像重构的数学模型,并利用该数学模型将成像问题从求解对象上分成正问题和逆问题,提出正问题和逆问题的求解方法。其次,设计了电阻抗层析成像硬件系统,该系统包括Red Pitaya STEMlab开发板模块、电压控制电流源模块和模拟多路复用器模块。针对不同的检测对象设计了两类电极传感器:水槽电极传感器和手环电极传感器,其中手环传感器的设计上着重考虑了接触阻抗的影响。为了提高系统的便携性,设计了一款实验箱。并且通过电阻抗层析成像系统和高精度阻抗分析仪的对比,验证了开发的电阻抗层析成像硬件系统的便携性。接下来,提出了电阻抗层析成像的数值分析方法。采用基于敏感矩阵的Tikhonov正则化算法和广义矢量模式匹配法(GVSPM)求解电阻抗层析成像的逆问题。不仅分析了两种图像重构算法的特点,而且根据算法的特点确定了两种算法各自的应用场合。为了评价重构图像的质量,引入了两种评价指标:图像相关性和电压误差。根据评价指标研究了GVSPM算法的最优迭代次数,提高了重构图像的分辨率。最后,搭建了电阻抗层析成像的实验平台,对已开发的系统进行了实验验证与应用。利用验证后的系统对骨骼和肌肉以及结构性变化程度不同的鸡蛋进行图像重构实验,并充分利用该系统的便携性,面向人体手势识别的应用展开了实验,实验结果表明,本文开发的便携式电阻抗层析成像系统可以广泛用于生物组织检测。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 注释表
• 缩略词
• 第一章 绪论
•   1.1 电阻抗层析成像研究背景及意义
•   1.2 电阻抗层析成像系统的研究现状
•   1.3 本文研究内容和创新点
• 第二章 电阻抗层析成像原理
•   2.1 电阻抗层析成像问题的数学模型
•   2.2 电阻抗层析成像的正问题
•     2.2.1 有限元方法求解
•     2.2.2 敏感矩阵计算
•   2.3 电阻抗层析成像的逆问题
•   2.4 本章小结
• 第三章 电阻抗层析成像硬件系统设计
•   3.1 电阻抗层析成像硬件系统总体设计方案
•   3.2 开发板Red Pitaya STEMlab
•     3.2.1 开发板的信号输入与输出
•     3.2.2 开发板的控制功能
•     3.2.3 开发板的扩展应用
•   3.3 电压控制电流源设计
•   3.4 模拟多路复用器设计
•   3.5 便携式实验箱与电极传感器设计
•   3.6 本章小结
• 第四章 电阻抗层析成像的图像重构数值分析
•   4.1 图像重构数值分析方法
•   4.2 图像重构算法对比
•     4.2.1 Tikhonov正则化算法
•     4.2.2 广义矢量模式匹配法
•   4.3 成像质量评价指标
•   4.4 雾化喷嘴液滴分布数值分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 电阻抗层析成像实验验证与应用
•   5.1 系统性能实验验证
•     5.1.1 均质场实验验证
•     5.1.2 单目标图像重构实验验证
•     5.1.3 多目标图像重构实验验证
•   5.2 生物组织成像应用
•   5.3 手势识别成像应用
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 研究内容总结
•   6.2 后续研究内容展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 徐梓菲

导师: 吴洪涛,姚佳烽

关键词: 电阻抗层析成像系统,数值仿真,评价指标,算法,电极传感器

来源: 南京航空航天大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,计算机软件及计算机应用,自动化技术

单位: 南京航空航天大学

分类号: Q-334;TP391.41;TP212

DOI: 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.001866

总页数: 79

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