医学电阻抗成像系统电极结构优化设计论文

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1、医学电阻抗成像系统电极结构优化设计论文.freelpedancetomography;finiteelementmodel;electrode;optimumdesignAbstract:AIMTostudythedistributionofsensingfieldaf-fectedbythestructureofelectrodes.METHODSAfiniteelementmodelulation，andtheoptimumdesignofstructuresizeoftheelectrodefordifferentstrategyum，su

2、ggestingthatoptimizingde-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.因此，

3、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，从而影响到场域内部的电场分布.采用复合电极，该问题依然存在.Fig1所示

4、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

5、意一点，有J=σE（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+σ2=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，

6、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）

7、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（M-1））=［B］1×［N0-J（M-1）］（11）解上述线性方程组，可获得场域中各节点电势.2测量电极对场域的影响在相同激励条件下，加大测量电极的宽度，对场域的影响进行了分析（Fig2）.Fig2a是按常规的有限元方法，即不考虑强制等势点问题计算的等势线分布.Fig2b，c，d，e，f增加了4组等势点条件，每组等势点包含的节点数目分别为2个节点，3个节点，4个节点，5个节点和6个节点.图2略随着每组等势点数目的增加

8、，等势线偏移越来越严重（Fig2）.显然，与不考虑强制等势点问题的计算结果相差也越大.为便于比较，将Fig2a分别和Fig2b，d和f重