医学电阻抗成像系统电极结构优化设计

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1、医学电阻抗成像系统电极结构优化设计【关键词】电阻抗成像　　关键词:电阻抗成像;有限元模型;电极;优化设计　　摘要:目的研究医学电阻抗成像（EIT）系统电极结构对敏感场分布的影响.方法设计一个具有边界强制等势点的有限元模型，通过仿真，分析了复合电极宽度对敏感场分布的影响，并进一步对不同激励模式，敏感电极的结构尺寸进行了定量的优化设计.结果当电极覆盖比率为57.1%时，效果最优.结论进行电极优化设计时，其场分布的均匀性、敏度与电极覆盖率应综合考虑.　　Keypedancetomography;finite

2、elementmodel;electrode;optimumdesign　　Abstract:AIMTostudythedistributionofsensingfieldaf-fectedbythestructureofelectrodes.METHODSAfiniteelementmodelulation，andtheoptimumdesignofstructuresizeoftheelectrodefordifferentstrategyum，suggestingthatoptimizingde

3、-signofelectrode，promiseismadebeti-tyandsensitivityoffielddistributionandelectrodecoveringratio.　　0引言　　电阻抗成像（electricalimpedancetomography，EIT）技术是一种廉价的无损伤探测技术，不使用核素或射线，对人体无害，可以多次测量，重复使用，可作为对患者进行长期、连续监护的医学监护设备.更重要是医学EIT系统重构的图像不仅包含人体的解剖学信息，而且反映了组织和器官的电特性.

4、因此，这一新型成像技术受到国内外临床医学与生物医学界的广泛重视，成为近年来研究的重点.优化电极设计是提高EIT系统性能的关键环节.人们对电极及其影响进行了多方面的研究，并对其结构形状进行了许多改进［1-4］，但所有这些仅涉及激励电极研究.　　与窄电极相比，宽电极能够在敏感域中提供更为一致的电流分布，并且与皮肤的接触阻抗要比窄电极小，有利于提高系统的灵敏度.因此，目前大部分EIT系统均采用宽电极结构.宽电极有其固有的优势.但是，由于宽电极的使用，必然将电极下的被测生物体表面强制为等电势，从而影响到场域内

5、部的电场分布.　　采用复合电极，该问题依然存在.Fig1所示为一个典型的复合电极结构，虽然测量电极只是中心的点电极，但是，外围的激励电极不可避免的要与被测对象的表面接触，从而强制将其表面拉为等电势.　　显然，电极覆盖被测对象表面积越大，对内部电场的分布影响越大.对敏感场分布进行计算时，应该对该因素加以考虑.但是，在以往的研究论文中，均未对这个问题进行分析.　　图1略　　1有边界强制等势节点的有限元模型　　基于电磁场理论，对模型作两点假设［5，6］:①设敏感场为似稳场，即对场域施加激励电流，认为各处电场

6、同时发生变化，忽略电流传输时间;②所研究的敏感场内没有电流源及电流汇，从而敏感场内任意一点散度为零.　　由以上假设，对场域内任意一点，有J=σ・E（1）・J=0（2）其中，J为电流密度;σ为电导率;E为电场强度.又E=-（3）其中，为场内电势分布，则满足・（σ・）=0（4）σ・+σ・2=0（5）2=0（6）对应Laplace方程的有限元方程为［K］［］=［B］（7）其中，［K］为有限元方程的系数矩阵;［］为所有剖分节点

7、的电势矩阵;［B］包含有限元方程的边界条件.　　设定N0为剖分的节点总数;有J组强制等势节点，构成J个集合EQU｛i｝（0≤i≤J，i∈N），每个集合的元素为该组等势节点的节点编号，每个集合存在M个元素，其中，每组中最小的元素为minequ｛i｝.首先，进行列合并，Kl，minequ｛i｝=∑j∈EQU｛i｝Kl，j（8）其中，l=1，2，…N0.　　列合并完成后，将Klj（l=1，2，…N0，j∈EQU｛i｝-｛minequ｛i｝｝，i∈J）删除，未被删除的列前移，补进删除后的空列.　　然后，进行行

8、合并，Kminequ｛i｝，l=∑j∈EQU｛i｝Kl，j（9）其中，l=1，2，…，N0-J×（M-1）.Bminequ｛i｝=∑j∈EQU｛i｝Bj（10）行合并后，将Kjl（l=1，2，…，N0-J×（M-1），j∈EQU｛i｝-｛minequ｛i｝｝，i∈J）和Bj（j∈EQU｛i｝-｛minequ｛i｝｝，i∈J）删除，对空位进行前移补充.经过行列合并变化后，（7）式变为:［K］［N0-J（M-1）］×［N0-J（M-1）］［］1×（N0-J（