电磁层析成像灵敏度矩阵实验测试方法

灵敏度矩阵是电磁层析成像系统图像重建的先验信息,它反映了电磁层析成像系统在重建截面内微小测试单元逐个放入扰动物质后检测输出值的变化。为实现较为精细的图像重建效果,通常将截面剖分成数量较多的微小单元,用于灵敏度计算和重建结果表达,所以电磁层析成像灵敏度矩阵一般依靠电磁场有限元仿真计算正问题的方法获得。但有限元仿真的正问题模型难以与实际模型完全一致,导致图像重建的先验信息不准,从而影响重建效果。区别于传统研究方法,设计了灵敏度矩阵的实验测试方法,应用精密电动平移台驱动测试试样,使试样按照有限元软件对截面剖分的单元坐标自动逐个测试,最后应用测试结果合成重建所需灵敏度矩阵,图像重建结果证明了该方法的有效性。

磁感应断层成像技术中涡流问题的有限元法仿真研究

目的为了求解磁感应断层成像(magnetic induction tomography,MIT)技术中的涡流问题,以获得MIT正问题的有效解法。方法推导了对应于MIT技术的涡流场的微分方程及其边界条件,采用有限元方法计算了场域内一些不同电导率或位置的扰动目标下的位函数。结果仿真计算结果与单线圈MIT系统的测量结果相吻合。结论本文提出的有限元计算方法适用于生物组织磁感应断层成像技术,是解决MIT正问题的一个有效方法,更完善的仿真计算模型有望进一步提高计算精度。

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。

基于伽辽金有限元法的磁感应断层成像正问题仿真

磁感应断层成像(MIT)的正问题计算为系统建模和研究提供了重要依据,由于MIT中涡流场微分方程的非正定性,增加了MIT正问题计算的复杂度。本研究提出一种基于伽辽金有限元法的正问题求解方法,该方法对微分算子无特殊要求,解决了涡流场微分方程非正定性的问题,利用该方法对成像区域内的磁场分布、涡流强度以及检测线圈的相位差等参数进行了分析。计算结果表明,成像区域内磁感应强度的幅值主要由实部决定,而虚部对场域内电导率的变化较为敏感,因此,可以用磁感应强度的虚部进行图像重建。同时,与目标导体的位置越近、激励线圈的位置越远,检测线圈中的相位差值越大;同一位置的目标导体,检测线圈的相位差与电导率大小成线性关系。经理论推导与仿真实验的验证,所采用的伽辽金有限元法能够有效求解MIT正问题,进而为MIT硬件系统的测量及重建算法的研究提供实验参考和理论依据。

不完全乔列斯基分解共轭梯度法在磁感应成像三维有限元正问题中的应用

磁感应成像(MIT)3维正问题中,直接求解法计算有限元方程组时,计算速度慢且因舍入误差造成计算结果不正确。该文为了解决这一问题,采用不完全乔列斯基分解共轭梯度(ICCG)迭代求解法。基于ANSYS平台建立有限元数值模型,采用ICCG法迭代求解。通过仿真实验获得设定收敛容差的最优值。对仿真结果进行对比,与直接求解法、雅克比共轭梯度(JCG)法相比,ICCG法计算速度快、稳健性高。计算结果表明ICCG法受网格粗细影响小,能够正确求解磁感应成像3维正问题。

MDEIT中电流密度成像替代电导率成像的可行性分析

针对新型磁探测电阻抗成像技术的正问题,利用有限元方法求解得到目标体内部的电压和电流密度分布,然后根据Biot-Savart定律获得目标体外部的磁感应强度数据,并且分析了有限元方法计算正问题的精度.结果表明,其足以用于磁探测电阻抗成像的电导率图像重建.在此基础上,通过仿真实验发现环形电极模式避免了电流的扩散效应,远离电极部分的z方向电流密度图像与电导率图像一致,以电流密度成像替代电导率成像,使得磁探测电阻抗成像简化为磁探测电流密度成像,缩短了数据测量时间和图像重建时间,为快速成像奠定了基础.

基于无网格法的电容层析成像正问题的仿真研究

ECT(电容层析成像)技术是自20世纪90年代发展起来的新型检测技术,它包含正问题及逆问题,目前普遍采用有限元法对正问题进行求解。EFGM(无网格伽辽金法)是近20年发展起来的无网格法中最常用的一种,它采用移动最小二乘法构造形状函数,获得问题的弱变分形式,并用拉格朗日乘子法施加边界条件,从而得到数值解。该法只需节点信息,无需网格单元。该文首次利用无网格法对电容层析成像正问题进行求解,仿真研究表明,该方法与有限元法相比具有精度高、处理方便等优点。

采用无网格伽辽金法求解电容层析成像正问题

由于有限元法求解电容层析成像正问题的计算准备及后处理非常费时,对正问题的三维求解造成了瓶颈,为此,提出采用无网格伽辽金法求解电容层析成像正问题,获得正问题的弱变分形式,并用拉格朗日乘子法施加边界条件,从而得到数值解.在同样的仿真条件下,2种方法的计算时间分别为14.046 s和5.078 s.对5种典型流型进行仿真,结果表明,2种方法计算结果的最大相对误差为2.2500/.因此,无网格伽辽金法与有限元法具有相当的精度,且计算速度有较大提高.

光学CT中扩散方程光子传输模型的Monte Carlo验证

扩散方程模型被广泛应用于光学CT图像的重建中,其精确性直接关系到所成图像的质量。为了研究扩散方程模型对近红外光子输运过程描述的精确性及其适用范围,本文应用MonteCarlo(MC)模拟方法,给出了二维组织体光学CT正向问题的数值模拟结果,并与其扩散方程模型的有限元解进行了分析比较。实验结果表明,基于扩散方程的光子传输模型能较为准确地模拟光子在强散射介质中的输运过程,适用于该种光学参数条件下的图像重建研究。

基于多场耦合的生物组织微波热声信号分析

我们根据微波照射生物组织时电磁场、热场、声波场三者之间的耦合关系,对微波激励热声成像正问题展开研究。从实验样本热学和声学的空间不均匀性角度出发,应用有限元方法求解热声波传播方程。由于入射微波对不同组织的穿透深度不同,不同组织对微波能量的吸收率不同,导致样本内部初始热声源的位置不同,相应地影响到声压传播情况。仿真结果表明,不同检测点声压信号中的信息量是不同的,检测点的声压信号富含样本中组织结构和电声学特性的信息量,从而能够从检测点的信号反映出关于样本结构和组成的信息。

光学CT二维正向问题的Monte Carlo模拟

扩散方程模型被广泛应用于光学CT图像的重建中,其精确性直接关系到所成图像的质量。为了研究扩散方程模型对近红外光子输运过程描述的精确性及其适用范围,本研究应用Monte Carlo(MC)模拟方法,分别给出了强、弱两类散射介质中光学CT正向问题的数值模拟结果,并将其与基于扩散方程的数值计算结果进行了比较。实验结果表明,扩散方程可以较为准确地描述光子在强散射介质中的输运过程;但对弱散射介质扩散方程模型却存在较大的误差,因而不适用于该种情况下的图像重建。

磁探测电阻抗成像呼吸监测仿真研究

为了探索磁探测电阻抗成像应用于肺部呼吸监测中的可行性,针对新型磁探测电阻抗成像技术的正问题,以真实人体肺部数据构建成像体物理模型,采用了有限元方法得到成像体内部的电势和电流密度分布,然后根据毕奥-萨伐尔定律分别获得呼气末与吸气末成像体外部的磁感应强度仿真数据。结果表明,吸气末时成像体周围的磁感应强度值比呼气末小8.875%。研究结果显示了呼吸时由于肺容积、电导率的不同而导致周围磁感应强度的差异等信息,为后续磁探测电阻抗成像的图像重建以及临床疾病检测奠定了基础。

基于圆柱模型的三维电阻抗成像问题研究

以胸腔模型为例,进行了三维电阻抗成像问题研究,建立了三维圆柱模型;采用有限元法进行了电阻抗正问题分析,得到的边界电位分布能够反映内部电阻抗的变化;采用基于同伦理论改进的Newton-Raphson方法进行了逆问题分析,计算得到的电阻抗分布和实际分布非常接近,说明该方法适用于电阻抗成像逆问题。

光学CT二维正向问题有限元法数值模拟的研究

简述了光学ＣＴ正模型的有限元（ＦＥＭ）解理论，给出了二维圆形组织体光学ＣＴ正问题的有限元法解的数值模拟结果。