电阻抗成像电极系统优化设计仿真研究-

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1、电阻抗成像电极系统优化设计仿真研究*【摘要】EiT电极系统是整个EIT系统最为敏感和关键的部分之一。本文在线电极强制等势点模型的基础上,以复合电极为例,提出了一种电极结构及参数优化设计方法,并建立了电极结构参数优化设计仿真研究平台。可针对不同电极结构和各种参数变化给出其对EIT成像质量和检测灵敏度的影响,进行优化设计,从而为实用化EIT系统电极结构设计提供理论依据。【关键词】EIT电极;电极结构;强制等势点模型;仿真研究;优化设计【Abstract】TheelectrodesystemisoneofthemostsensitiveandcrucialpartsinEITsystem.Inthi

2、spaperamethodforEITelectrodestructureandparameteroptimizingdesign,takingexampleforcompoundelectrode,hasbeenpresented,whichisbasedonthecoerciveequipotentialnodemodelofthelineelectrode.Animitationresearchplatformofelectrodestructureandparameteroptimizingdesignhasbeendeveloped.Bythemethods,thevarietyin

3、fluencesofelectrodestructureandparametersonreconstructedimageandmeasurementsensitivitycanbeobtained.ThiswillprovidetheorybasisfortheelectrodeconstructionoptimizingdesignofrealEITsystem.【Keywords】EITelectrode;electrodestructure;coerciveequipotentialnodemodel;imitationresearch;optimizingdesign电阻抗断层成像技

4、术是当今生物医学工程学重大研究课题之一。它是继形态、结构成像之后,于近二十年才出现的新一代更为有效的功能成像技术[1,2],具有无损伤、功能成像和医学图像监护三大突出优势[3],是一种理想的、具有诱人应用前景的无损伤医学成像技术。EIT测量中,电极直接与人体接触,位于系统的最前端。在电极上发生的事件,包括有用信息、噪声、伪差、接触阻抗、极化电压等,都会作为信号进入后续电路被放大、传输,参与信号处理过程,影响图像重建结果。电极系统结构及其性能对于EIT前端信息的有效提取、系统适时性和图像分辨率的影响,特别是对EIT检测灵敏度较差的中心区有用信息的提取影响非常大,是整个EIT系统最为敏感和关键的部

5、分之一,也是EIT技术走向临床应用,向实用化研究发展必须解决的问题。在电极材料和电极数确定后,如何根据确定的应用目标和成像要求,合适地选择电极结构参数,是构建真实EIT系统时必须认真解决的问题。由于EIT成像区域多为圆形或球型,一些重要的电极结构参数,如电极宽度和电极间距,还相互制约,影响因素复杂,给EIT系统电极结构参数优化设计带来了困难。1993年PingHua等采用有限元方法研究了电极接触阻抗的影响,认为阵列电极总宽度为测量圆域周长的80%~90%时效果最好[4]。XX年王超等采用强制等势点有限元模型,考虑激励电极和测量电极宽度的影响,进行了仿真研究,认为电极覆盖比率为时效果最佳[5]。

6、关于EIT电极结构及其参数选择,虽然国内外学者的探索性研究取得了一些进展,但至今还没有看到较全面、令人满意的结果。在实际EIT电极结构设计中往往仍采用经验数据。EIT的正问题和图像重建大都以点电极为基础。但在实际的EIT系统中,电极不可能是一个点,而是具有一定大小的面。电极面和被测对象接触,电极区域将被强制为等电势,从而改变场域的电场及其分布规律。激励电极和测量电极面积的大小会影响EIT检测灵敏度和图像重建质量。显然在进行EIT电极结构设计时应采用具有一定宽度的电极模型,以使研究结果更加符合真实情况。本文将在线电极强制等势点模型的基础上,建立了复合电极有限元模型,提出了一种电极结构及参数优化设

7、计方法,并建立电极结构参数优化设计仿真研究平台。采用本文的方法和研究平台,可针对不同电极结构和各种参数变化给出其对EIT成像质量和检测灵敏度的影响,进行优化设计,从而为实用化EIT系统电极结构设计提供理论依据。1EIT电极有限元仿真模型EIT系统中通常使用圆形或矩形片状电极,其在断层成像平面的投影为与其宽度相等的线段,简称为线电极。医学EIT常采用结构更为复杂的复合电极,其在断层平面的投影由3条线

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