用于EIT成像系统的AD7008 DDS调制器

文中介绍了DDS芯片AD7008的结构原理和性能特点,并结合AD7008在EIT成像系统中的应用,给出了相应的硬件设计及控制软件。

AD1674在EIT成像系统中应用

文中通过分析AD1674的性能特点,设计一种针对TMS320F206使用AD1674的独立工作方式的接口电路,结合AD1674在EIT成像系统的应用,给出相应的硬件设计及控制流程。

电阻抗断层成像在评估脑损伤患者中的应用价值

电阻抗断层成像(electrical impedance tomograph,EIT)通过测量体表电极之间的传递阻抗来估计组织电特性的空间分布。EIT在医学成像,特别是在脑损伤患者的评估中,展现出了巨大的应用潜力。本篇综述介绍EIT在脑损伤患者评估中的应用进展,包括脑卒中、脑水肿和癫痫灶的诊断和监测,在脑卒中研究中,连续实时EIT监测可早期发现颅内病变,区分脑卒中类型,改善患者预后。对于脑水肿,EIT可实时监测颅内压和评价脱水治疗效果。在癫痫方面,可用于癫痫病灶定位以及癫痫发作监测。本文还对EIT目前存在的问题进行了总结,探讨其技术挑战与未来发展方向。

EIT高精度数字解调方法误差分析

EIT测量中,阻抗信息解调方法的精度直接关系到信息提取和EIT成像的质量。数字解调方法与模拟解调方法相比具有抗噪声能力强和设计灵活等优点。高精度数字解调方法是提取EIT复阻抗全信息的重要手段。本文深入研究了采样同步时延和相位抖动对高精度数字解调方法的误差影响,并且采用FPGA验证了EIT解调时的相位误差,实验结果表明合理选择激励频率和采样时钟能提高数字相位解调的精度,这与理论分析完全一致。

电阻抗断层成像应用基础与临床应用的一些研究进展

综述电阻抗断层成像(EIT)在应用基础和临床应用方面的一些研究进展。有针对性地深入研究生物组织的电特性,提取在细胞层次上发生的、与人体生理和病理状态相联系的功能性信息。介绍用于脑、腹部渗血检测与监护,区域性肺功能成像,胃动力检测与评价,以及乳腺肿瘤早期发现等实用化的EIT方法。对未来进行展望,提出在EIT方法学研究不断深入和发展的基础上,进行有确定目标的应用基础研究和临床应用研究。

基于混合正则化算法的颅内异物电阻抗成像仿真研究

为提高电阻抗静态重构图像的质量,研究将离散变差函数引入到重构算法中,形成混合正则化重构算法,并对计及颅骨的颅内异物进行了重构成像。与常用的Tikhonov正则化算法相比,混合正则化重构算法对重构信息的分辨能力显著提高,能有效克服低电导率颅骨对颅内信息的屏蔽效应,显著改善所得重构图像质量,与设定病例的医学图像相符。这一成果提高了电阻抗静态成像技术在颅内异物定位方面的质量,为电阻抗静态成像技术的实用化打下了基础。

电阻抗断层成像技术进展

电阻抗断层成像技术分为:静态EIT(以电阻抗分布的绝对值为成像目标)和动态EIT(以电阻抗分布的相对值为成像目标),它是近年来国内外生物医学工程研究的比较热门的一种成像技术。因为与已有的X射线成像、计算机断层扫描成像(CT)、核磁共振成像(MRI)及超声成像相比,这种新的成像技术不仅具有解剖学的特征信息,还有功能性成像的性质。又因为它的无创、简单、便宜、容易应用等特点,在临床有着很好的应用前景。本文通过数学、物理以及应用上的论述并结合了最新的国内外科研动态。介绍了电阻抗断层成像技术的数学计算(包括算法和算法分析),物理基础(激励方式,激励频率,驱动模式),揭示了电阻抗断层成像技术的基本原理,并展示了此项技术的临床应用情况。

Ag/AgCl粉末电极和镀层电极在脑部EIT测量中的比较研究

目的:针对一种新型的医用Ag/AgCl粉末电极和传统的医用Ag/AgCl镀层电极,比较两者在脑部电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)测量中的性能差异。方法:基于自行开发的EIT系统,分别利用Ag/AgCl粉末电极和镀层电极,分别对物理模型和人体对象进行脑部电阻抗断层成像测量,并且通过提出的两个指标(高频信噪比和低频信噪比)及接触阻抗来评价电极系统的特性。结果:相对于Ag/AgCl镀层电极,Ag/AgCl粉末电极具有更好的抗噪性和稳定性。结论:Ag/AgCl粉末电极能更有效地满足脑部EIT监护的要求。

改进的稀疏网格配点法对EIT电导率分布的不确定性量化

针对电阻抗成像(EIT)研究中电导率分布的不确定性问题,提出基于灵敏度分析的改进稀疏网格配点法以量化不确定性.以4层同心圆头模型为算例,采用基于方差的全局灵敏度分析法对其进行分析,发现各层电导率的变化对输出电位的影响程度各不相同.考虑模型中各维输入变量对输出结果不同程度的影响,改进传统稀疏网格配点法.改进方法对各维输入变量配置不同的精度水平,将EIT模型的隐式表达式转化为显式表达式,构造出高精度的替代模型.与蒙特卡洛(MC)法、混沌多项式展开(PCE)法和传统稀疏网格配点法相比,改进方法能够以更少的计算成本获得较高精度的量化结果.仿真结果验证了所提改进方法的高效性.

一种基于FPGA的数字EIT系统的实验研究

以FPGA芯片为核心的数字化生物电阻抗测量实验平台,主要完成直接数字频率合成(DDS)的电流源模块、V/I变换和数字解调模块的研究。采用DDS技术生成正弦信号发生器,由THS4021改进的Howland电路设计压控电流源,在不同负载条件下测量其输出电流幅值的频率响应,并在不同频率下测量电流源的输出阻抗,对恒流源性能的稳定性和精度进行测定。解调方法采用数字化解调,测试不同激励频率下的数字正交解调输出误差变化情况。最后采用盐水槽实验系统进行成像实验。结果表明,电流源可在6.1～390.6 kHz范围输出多频激励信号,在600 kHz前保持在190 kΩ的输出阻抗。当信号频率从200 kHz逐渐增加到1.6 MHz时,解调电路输出的I和Q路误差逐渐增加,对应的幅度误差从1.13%增加到7.19%,相位误差从1.03%增大到5.34%。采用相邻激励-相邻测量模式对环氧树脂棒进行盐水槽成像实验,成像结果表明系统能够对单个目标物体实现较准确的定位,验证了本研究平台的可行性。

用于电阻抗断层成像的真实颅骨物理模型研究

目的:研究制作近似真实形状和电阻率分布的颅骨物理模型的方法,为电阻抗断层成像的相关研究提供更加准确的实验平台。方法:采集颅骨的CT图像,用快速成型机制作出树脂模型,然后将每一块树脂模型翻制成不同电阻率的石膏模型并将其黏合成完整的颅骨模型,最后测量分析模型的精确性。结果:首次制作了近似真实形状和真实电阻率分布的颅骨模型,外形差异平均值为0.20 mm,模型电阻率值与真实值无明显差异(P>0.05)。结论:所做模型可满足实验需要,有利于开展脑部电阻抗断层成像的深入研究。

基于电阻抗层析成像的CFRP结构损伤检测

电阻抗层析成像(EIT)是一种新兴的碳纤维增强复合材料(CFRP)结构状态评估方法。通过将EIT技术应用于一种商用各向异性CFRP层合板,初步研究了EIT的结构损伤检测能力。利用COMSOL软件建立CFRP多种损伤模型,有限元分析获取三维场空间电势分布信息。为改进EIT技术对各向异性CFRP结构损伤的图像重构效果,采用嵌入式电极有效采集材料内部电信号;同时,提出一种改进的基于L1稀疏正则化的图像重建算法。另外建立一套基于数字万用表的嵌入式16电极的EIT硬件系统,利用EIT系统检测平台对简单CFRP损伤进行检测,结果显示损伤材料图像重建效果良好,证明EIT方法在CFRP结构损伤检测中的可行性。

基于改进MRNSD算法的电阻抗层析成像

电阻抗层析成像(EIT)作为一种新兴的碳纤维增强复合材料(CFRP)无损检测方法,具有成本低、无辐射、可视化等优点,受到研究者广泛关注。EIT逆问题具有严重的病态性,通常采用正则化算法改善成像质量。基于修正残差范数最陡下降法(MRNSD),利用其在减少图像伪影和保持边界信息方面的优势,针对该算法存在的半收敛性和抗噪声效果差等问题,采用预处理和软闭值方法对MRNSD算法进行改进。通过仿真和实验,对比所提改进算法与几种常用算法的成像效果。结果表明,所提算法有效提高了EIT图像质量和抗噪声能力,并且实现了最佳迭代次数的自动更新,有利于推动EIT方法在CFRP损伤检测中的实际应用。

肺部电阻抗断层成像技术评估不同肌松拮抗剂对术后肺局部通气恢复的影响

目的 利用肺部电阻抗断层成像(electrical impedance tomography,EIT)技术比较腹腔镜下根治性前列腺切除术患者术后使用肌松拮抗药舒更葡糖钠和新斯的明后肺局部通气的恢复情况。方法 选择2020年9月—2021年9月在复旦大学附属肿瘤医院全麻下行腹腔镜下根治性前列腺切除术的患者75例,采用随机数字表法将患者分为舒更葡糖钠组(S组)和新斯的明组(X组)。使用EIT监测肺局部通气,四个成串刺激(train-of-four stimulation,TOF)监测肌松。术毕TOF恢复至2个计数时,S组静脉给予舒更葡糖钠2 mg/kg,X组静脉给予新斯的明40μg/kg联合阿托品20μg/kg,比较两组患者术前及拔管后10、20、30 min的EIT潮气阻抗差值(tidal impedance variation,TIV)、呼气末肺阻抗差值(changes of end-expiratory lung impedance,ΔEELI),感兴趣区域(region of interest,ROI)阻抗比例,并记录两组患者的肌松恢复时间(TOF恢复至90%)和术前及拔管后10、20、30 min的心率、血压、动脉氧分压(PaO_(2))、动脉二氧化碳分压(PaCO_(2))、动脉氧饱和度(SaO_(2))、肺泡动脉氧分压差(PA-aO_(2))和氧合指数(PaO_(2)/FiO_(2))。结果 两组患者拔管后30 min的TIV(P=0.932)、ΔEELI(P=0.822)、ROI 1比例(P=0.529)、ROI 2比例(P=0.693)、ROI 3比例(P=0.868)和ROI 4比例(P=0.185)的差异均无统计学意义;S组的肌松恢复时间(3.4 min)明显短于X组(11.3 min,P<0.001)。与术前相比,S组拔管后30 min的PaO_(2)(P=0.007)、SaO_(2)(P<0.001)和PaO_(2)/FiO_(2)(P=0.007)均显著降低。与术前相比,X组拔管后30 min的PaO_(2)(P=0.018)、SaO_(2)(P=0.002)和PaO_(2)/FiO_(2)(P=0.018)均显著降低。结论使用新斯的明或舒更葡糖钠术毕拮抗肌松,对腹腔镜下根治性前列腺切除术患者术后肺局部通气分布可能无影响,即使肌松完全恢复,肺呼吸功能在术后30 min也不能完全恢复至术前基础水平。

基于改进低秩稀疏正则化的CFRP电阻抗层析成像算法研究

碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)由于其轻质高强、抗疲劳等优势被广泛应用于航空航天领域。为确保材料使用的安全性,碳纤维复合材料的有效检测尤为重要。近年来,电阻抗层析成像(electrical impedance tomography,EIT)因其低成本、无辐射等优点已成为一种新兴的损伤监测方法并受到了广泛关注。针对电阻抗层析成像逆问题求解具有严重的病态性,提出了一种基于改进低秩稀疏正则化的电阻抗层析成像算法。首先,引入L_(p)伪范数,通过调节p的值来增强解的稀疏性、提高图像重建精度;其次,采用核范数作为解的低秩约束能有效利用先验信息提高重建质量;最后,通过分裂布雷格曼方法求解,增强算法的实时性,使成像速度保持在0.06 s。仿真与试验结果表明,改进低秩稀疏正则化算法能有效改善电极伪影、呈现出更加清晰的损伤细节并且具有较强的鲁棒性、实效性和适用性。

电阻抗成像的研究与探讨

电阻抗成像是近年来出现的一种新型的医学影像技术,本文综述了电阻抗成像技术的发展及其在医学领域的应用前景。

面向CFRP损伤检测的改进L1正则化EIT方法

由于碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)具有导电特性,因此可利用电阻抗层析成像(electrical impedance tomography,EIT)技术实现结构损伤检测。考虑EIT电极位置、数量有限以及电场软场特性的影响,其灵敏度矩阵呈现非均匀分布特征,导致场域内不同位置成像效果差别较大。该研究基于传统L1正则化的边缘锐化特性,提出了一种改进L1正则化方法。该方法通过分析损伤重建电导率分布规律,发现其在各邻域梯度分布的特征,并利用此特征保留L1正则化可能滤除的有效数据,在保证重建图像锐利边缘的同时,改善了不均匀灵敏度分布导致的区域成像精度差别。为验证所提出方法的有效性,仿真中设计了不同类型、不同相对位置的损伤模型,并且通过搭建的16电极EIT测试系统对损伤CFRP样品进行测试。仿真和试验结果表明,改进后的L1正则化方法不仅能重建更多位置上的损伤图像,而且不同程度地提高了各类损伤重建图像的精度。

航空发动机中气液两相流的可视化检测

针对电阻抗断层成像(EIT)技术中FCM聚类算法的灵敏度系数信息缺失以及测量电压的利用率低两方面问题,提出一种新的成像算法。在该算法中引入灵敏度系数矩阵信息修正各个剖分单元的电压。同时提出了将测量电压数据按照其权系数进行处理的方法,该方法可应用于所有EIT经典反演算法之中。理论和数值仿真结果均表明,与已有的FCM聚类算法相比,优化后算法对两相流型的定位准确度更高,得到的重建图像的空间分辨率与之前相比相对误差降低了5%~15%,相关系数提高了5%~20%。

某110kV老旧变电站接地网系统改造前的评估

为提高变电站接地网改造效率,采用电阻抗成像(EIT)技术对某110 kV老旧变电站开展接地网改造前状态评估,并对地网建模成像。检测发现,除目视可见断点外,接地网引下线存在5处隐蔽断点,急需处理;而水平地网所处土壤腐蚀性弱,各支路阻抗值增幅均在允许范围,未出现明显锈蚀。据此,为该变电站制定了仅更换引下线、不改造水平地网的个性化维修方案,显著降低改造成本、避免接地材料浪费。电阻抗成像技术可实现对接地网腐蚀的快速准确诊断,将接地网从"黑箱状态"转变为"可视状态",改善接地网腐蚀检查的盲目性,提升设备管理水平。

基于统计反演的硅片微区电阻率测试方法

提出了一种基于统计反演重建电阻率分布图像的硅片电阻率测试方法,该方法采用马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)方法求解电阻抗成像技术(EIT)的逆问题,可以避免确定性方法中迭代误差和分辨率低的问题。建立了一种基于MCMC方法的电阻率分布图像重建算法,搭建了电压数据采集系统以测量边缘电压。对比MCMC算法重建的硅片微区电阻率分布图像与4D-333A测试仪的测量结果,二者的电阻率分布情况呈现出相同的分布趋势。将采用MCMC算法得出的256个单元的数值与采用其他重建方法得出的数值、真实的电阻率进行对比,发现MCMC算法得到的数值与真实数值最接近的单元数最多,为88个,比其他重建方法更为准确。