EIT重建算法中Jacobi矩阵的计算及仿真

电阻抗断层成像(EIT)技术充分利用人体阻抗所携带的丰富的生理和病理信息实现功能成像.EIT图像重建是一个严重病态的非线性的逆问题,属于EIT技术的关键和难点.在简介EIT系统及工作原理的基础上,主要研究EIT重建算法中Jacobi矩阵的计算及仿真.根据有限元模型上电极的位置和编号不同得到的矩阵也不同,从EIT计算量的角度出发,重点分析了EIT反问题中雅克比矩阵的计算方法.从Newton-Raphson导出雅克比的计算公式,利用标准求导法大大降低了计算时间.最后给出了雅克比矩阵的计算仿真和相关比较.     

基于椭圆几何模型的胸部电阻抗成像

电阻抗成像技术是通过测量生物体表面电压,计算生物体横截面的电阻抗分布。由于生物体的边界形状是各异的,尤其在胸部应用中,建立不同边界形状会影响成像的精度和清晰度,所以构建合适的边界形状是求解EIT问题的前提。根据实际视觉效果,椭圆几何比较符合胸部边界形状,由于圆形几何的构建和有限元划分相当成熟,本文通过保角变换方法将圆形转换为椭圆几何,并分别进行两种几何与原始胸部形状的分析比较,实验结果表明,在求解正问题时建立椭圆边界形状分析胸部结构精度高,在求解逆问题时重建误差小。     

应用结合方法求解三维胸腔电流场逆问题

提出了一种应用结合有限元和边界元的方法求解三维胸腔电流场逆问题。推导了描述人类心电场的有限元模型和边界元模型,以及两者结合的形式,并在一个包含各向异性导电性肌肉层的三维人体胸腔模型下进行了心电场逆问题计算。建立了一个包括人体骨骼肌准确的纤维方向的人体胸模型,重建了心外膜电位。     

基于LabVIEW的微电阻抗成像系统的设计

设计了一个针对微型物理模型的微电阻抗成像系统,对16电极微型物理模型内物体的阻抗分布进行成像。以LabVIEW控制下的数据采集卡为核心,采用16通道多路开关实现激励电流和电压采集通道的切换,向微型模型中注入激励电流,采集电压信号并通过前置滤波,两级放大后获得成像所需的数据。系统采集有无物体两种状态的数据进行时差成像,利用敏感矩阵算法实现图像重建,实验结果表明,该系统在激励频率为5、10kHz时可以对不同材质、不同位置的微型模型进行定位,重建图像可以反映出目标物体的相对尺寸和大致形状,保证系统精度的同时简化了硬件结构,为电阻抗成像在医学影像方面的应用提供了重要参考价值。     

注入电流式磁声成像平面模型的逆问题研究

注入电流式磁声成像是电阻抗成像和超声成像相结合的一种新型成像技术,具有电阻抗成像的高对比度和超声成像高分辨率的优势,是一种有望获得高质量图像的生物电阻抗成像技术,在生物医学成像领域具有广阔的应用前景。作为一种新型成像技术,目前在电导率的重建方面还没有形成完整的体系。针对二维平面模型,提出一种由声场信号准确重建被测样品电流密度的方法。首先采用维纳滤波反卷积方法由超声换能器测量的声场信号重建被测样品原始声场p(r,t),接着利用时间反演法获取声源分布0??(J×B),然后考虑到二维平面模型只有电流密度的两个分量,结合电流连续性定理,从而重建电流密度的两个分量xJ、yJ,最后设计并搭建注入式磁声成像实验平台,利用生物组织进行实验,最终得到猪肉组织的电导率图像,重建结果证明了重建方法的可行性。     

动态电阻抗成像时空相关性重建方法研究

电阻抗成像(electrical impedance tomography,EIT)常用于监测物场中介质分布的动态变化。对于动态EIT系统,传统成像算法以牺牲图像质量为代价,提高成像速度。利用测量数据序列的时间、空间特性,改善重建图像质量,建立了基于时间-空间相关性的动态EIT成像数学模型,将动态阻抗图像序列的低秩特性引入到目标函数中。采用增广拉格朗日乘子(augmented Lagrange multiplier,ALM)法对模型进行求解。仿真和实验结果证明新方法能够在改善重建图像质量的同时提高成像速度,从而表明新方法的有效性。     

基于图像处理及辐射传热逆问题求解的二维炉膛温度场重建

基于辐射图像处理和辐射传热逆问题求解,建立一种二维炉膛温度场重建方法。该方法中,图像采集装置（如ＣＣＤ摄像机）成像单元接收的辐射能由炉膛中各气体和壁面单元发射的辐射能决定。采用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ方法计算出ＣＣＤ摄像机各成像单元所接收的各气体和壁面单元的辐射能的份额,即炉膛温度可从ＣＣＤ摄像机成像单元接收辐射能中重建温度分布。研究对象为一个由灰色炉膛壁面和灰色气体所组成的二维辐射－吸收系统。在Ｃ     

基于Homotopy-Tikhonov算法的接地网电阻抗成像方法

接地网导体和土壤的电阻率数量级相差巨大,导致接地网电阻抗成像收敛困难.为了扩大收敛范围,改善接地网电阻抗成像逆问题的病态性,该文提出基于Homotopy-Tikhonov算法(HT-GN)的接地网电阻抗成像方法.首先在理论分析基础上建立正、逆问题仿真模型;其次在求取的最佳迭代初值和最佳正则化参数的基础上比较HT-GN算...     

基于能量摄动法的变压器短路阻抗有限元计算

变压器短路电抗的计算方法中,基于二维有限元的漏磁场模型不能反映实际的变压器结构,鉴于此,本文采用了三维有限元模型,考虑了变压器铁心材料非线性,并根据变压器结构在几何上的对称性,在分析三维漏磁场时取1/4建立有限元模型.磁场后处理中,采用能量摄动法计算了变压器的短路阻抗,短路阻抗计算值与实验数据进行了比较,结果令人满意.     

基于小波多分辨分析和LSQR的快速EIT图像重建算法

针对LSQR(least square QR-factorization)算法在求解电阻抗层析成像(electrical impedance tomography,EIT)逆问题时,由于矩阵维数高、计算量大而导致重建速度较慢的问题,提出基于小波多分辨分析的LSQR算法(wavelet multi-resolution based least square QR-factorization,WALSQR)。该方法将EIT的图像重建过程投影到低维的尺度空间进行,通过提取有效信息减少数据计算量,明显提高了图像重建速度。同时由于去除了噪声和冗余信息,保证了成像质量。本文将SALSQR方法分别应用于二维、三维EIT成像实验,证明其有效性,并为三维动态EIT图像重建算法的研究奠定了基础。     

基于真实乳腺模型的感应式磁声成像正问题

感应式磁声成像(MAT-MI)是一种融合电阻抗成像和超声成像的多物理场成像技术。生物体结构复杂,对生物体MAT-MI研究具有重要意义和临床应用价值。正问题计算是MAT-MI的前提和基础,以MAT-MI建模与正问题求解为研究对象,分析了MAT-MI中磁声耦合问题的原理,构建了真实乳腺模型;利用广义有限元法求解了电磁场和声场正问题,获取了声源、声压分布,并对计算结果进行了误差分析。结果表明:真实模型与理想同心球模型相比,涡流密度和声源的分布、声压均发生了较大变化,在临床应用的图像重建中应予以足够重视。该计算方法可适用于真实模型MAT-MI正问题的求解,计算精度较高。     

远场涡流检测中的缺陷快速重构技术

远场涡流缺陷重构属于电磁逆问题范畴。针对以往缺陷重构方法中普遍存在的计算时间长或需要大量训练样本的缺点，提出一种基于相似模型和遗传算法的缺陷快速重构方法，分析非轴对称缺陷与轴对称缺陷之间存在的相似模型，并利用集肤深度公式推导出两者之间的缩比因子，从而将耗时巨大的缺陷重构问题转换为二维轴对称情况下的计算问题；同时为进一步缩短重构时间，提出一种加快遗传算法收敛速度的方法。计算结果表明，基于相似模型和遗传算法的缺陷重构方法，在确保重构精度的基础上，可将重构所需总时间缩短至直接利用三维有限元方法重构时的7.6%左右。     

Krylov model order reduction of finite element approximations of electromagnetic devices with frequency‐dependent material properties

A methodology is presented for the Krylov subspace‐based model order reduction of finite element models of electromagnetic structures with material properties and impedance boundary conditions exhibiting arbitrary frequency dependence. The proposed methodology is a generalization of an equation‐preserving Krylov model order reduction scheme for methodology for second‐order, linear dynamical systems. The emphasis of this paper is on the application of this method to the broadband model order reduction of planar circuits including lossy strips of arbitrary thickness and lossy reference planes. In particular, it is shown that the proposed model order reduction methodology provides for the accurately modelling of the impact of the frequency dependence of the internal impedance per unit length of the thick lossy strip on the electromagnetic response of the stripline structure over a very broad, multi‐GHz frequency band, extending all the way down to frequencies in the DC neighbourhood. In addition, the application of the proposed methodology to the broadband modelling of electromagnetic coupling between strips on either side of a lossy ground plane is demonstrated. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于轮廓形状的肺部电阻抗成像三维插值方法

肺部三维信息利于医生做出更快更准确的诊断,但肺部三维重建的图像都是源自二维断层图像的叠加.二维图像的数量制约三维成像的效果,增加电极层数可获取更多层的二维图像,但同时也会增加计算量,减缓成像速度.虽然采取层间插值的方法可以解决这个问题,但是由于人体几何结构的特异性,肺部电阻抗图像(electrical impedance tomography,EIT)边界不规则,传统的规则图像插值方法不适合直接应用于肺部EIT三维插值.为此,提出适用于肺部电阻抗的插值算法,先获得插值图像轮廓,再用对应点插值像素值.通过仿真和实验验证新插值算法成像的相对误差比线性插值、样条插值成像的相对误差分别降低5.69％、3.3％.基于轮廓形状的肺部电阻抗三维插值方法,能在测量数据量有限的条件下,进一步提高三维电阻抗成像质量,更好地反映肺部的真实形态.     

同杆并架双回线准确参数未知时的故障测距新算法

比较分析了各种主要的测距算法,并在此基础上提出了一种同杆并架双回线的故障测距新算法。算法采用分布参数线路模型,利用了双端数据和六序分量法,并考虑了对不准确线路参数识别的问题。EMTP仿真表明了该算法的正确性和有效性,测距精度较高,不受故障过渡阻抗、负荷电流和系统运行方式的影响,不需要双端数据同步,对不准确的线路参数具有较好的自适应能力。该算法具有工程实用价值。     

白石水库渗流场有限元分析

针对白石水库土坝的复杂渗流条件编制了有限元程序。对自由面的求解，在计算中提出了弃单元法算法，计算表明收敛快，和电拟结果对比显示该算法精度高，对计算无压渗流有通用性。用有限元方法对渗流量进行了计算。分析了实测水位和理论计算水位有较大差别的原因并提出相应的渗流稳定措施。此外，对大坝在库水位骤降情况下的稳定进行了分析。