電阻抗成像原理

前言

　　本書是在國家863計劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2006AA022487）“開放式電阻抗成像原理和技術(shù)研究”課題資助下完成的，是重慶大學(xué)電工技術(shù)研究所12年來對電阻抗成像研究的經(jīng)驗(yàn)和成果的總結(jié)。在完成本書之際，正值四川汶川發(fā)生8級強(qiáng)烈地震。在受傷人群中，大量顱內(nèi)損傷導(dǎo)致顱內(nèi)出血和水腫、腹部重?fù)魯D壓造成的腹腔內(nèi)出血等危重病癥無法現(xiàn)場監(jiān)測和檢測，大型設(shè)備（如CT、MRI）不能在缺失大功率電源的條件下工作，同時，也由于體積龐大和對環(huán)境要求苛刻，無法運(yùn)送到地震現(xiàn)場安裝運(yùn)行。所以，急需一種便攜、快速、在小型分布直流電源下可以運(yùn)行的成像檢測設(shè)備。電阻抗成像技術(shù)正是一種滿足上述要求的理想現(xiàn)場應(yīng)急檢測設(shè)備，但由于該技術(shù)還不是十分成熟，需要大批科技工作者繼續(xù)深入研究，才能使電阻抗成像技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。本書的出版正是為此領(lǐng)域的科研工作者提供一些參考。希望在本書的啟發(fā)下，匯同大家的力量，使該技術(shù)能夠早日走出實(shí)驗(yàn)室，在類似于汶川大地震等大型地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)時，為挽救生命服務(wù)?！　”緯?0章，比較全面地介紹了重慶大學(xué)電工技術(shù)研究所在電阻抗成像方面的主要研究內(nèi)容，大量的方法和程序均是作者通過實(shí)際成像和實(shí)驗(yàn)證明了的。推導(dǎo)的數(shù)學(xué)公式也經(jīng)過深入的理解和重新推導(dǎo)，目的是保證在大量文獻(xiàn)出現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上的今天，由于人為的錯誤，形成以訛傳訛的數(shù)學(xué)描述和表達(dá)，使后來者花費(fèi)大量的人力物力才認(rèn)識到致命錯誤?！　”緯饕榻B電阻抗成像的主流方法，但電阻抗成像的主流方法已經(jīng)走過了20年的歷程，從高潮到低潮，又從低潮到高潮。事實(shí)證明，電阻抗成像技術(shù)沒有主流方法，只有實(shí)用方法，即能夠解決某一臨床病癥診斷的方法，都可以成為主流。所以，第9章和第10章是本書作者提出的兩種新方法，雖然著墨不多，但預(yù)示著電阻抗成像走出實(shí)驗(yàn)室的希望?！　⒓颖緯帉懙娜藛T還有黃嵩、何傳紅、張占龍和郭珂。另外，研究所原成員徐管鑫、田海燕等為本書提供了大量的研究成果，在此一并表示感謝?！　∮捎谧髡咚接邢?，不妥之處在所難免，敬請讀者批評指正。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)地介紹了電阻抗成像技術(shù)的原理、驅(qū)動模式、硬件測量技術(shù)，全面論述了以等位線反投影和快速Newton一步誤差重構(gòu)算法為主的動靜態(tài)成像算法，闡述開放式電阻抗成像和開放式磁感應(yīng)成像技術(shù)在理論和實(shí)驗(yàn)上取得的進(jìn)展。全書共分10章。第1章概述了電阻抗成像的原理、特點(diǎn)和難點(diǎn)；第2章介紹了電阻抗成像的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)；第3章介紹了腦電阻抗地形圖和臨床應(yīng)用研究；第4章介紹了電阻抗成像數(shù)據(jù)測量技術(shù)和硬件構(gòu)成；第5章介紹了電阻抗成像測量原理和驅(qū)動模式；第6章論述了等位線反投影動態(tài)算法和應(yīng)用；第7章論述了Newton類電阻抗成像方法和應(yīng)用；第8章介紹了電阻抗成像中的優(yōu)化方法；第9章論述了開放式電阻抗成像的原理和實(shí)驗(yàn)研究；第10章論述了開放式磁感應(yīng)成像原理和裝置。    本書可供電氣工程、生物醫(yī)學(xué)工程、生物電子學(xué)等領(lǐng)域的科研人員閱讀參考，也可作為此專業(yè)的碩士生與博士生的參考資料。此外，本書論述的電阻抗成像方法還可供地球物理電磁成像、工業(yè)無損檢測領(lǐng)域的科研人員參考。

書籍目錄

前言第1章  緒論  1.1  醫(yī)學(xué)斷層成像技術(shù)概述  1.2  EIT技術(shù)基本原理和技術(shù)特點(diǎn)  1.3  EIT技術(shù)生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)  1.4  EIT技術(shù)研究意義  1.5  EIT技術(shù)研究現(xiàn)狀  1.6  EIT技術(shù)難點(diǎn)  參考文獻(xiàn)第2章  EIT的數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)  2.1  EIT的數(shù)學(xué)物理理論  2.2  EIT正問題的數(shù)值計算基礎(chǔ)  2.3  EIT逆問題數(shù)學(xué)模型及病態(tài)特性  2.4  EIT逆問題求解的正則化技術(shù)  2.5  EIT的解析方法  參考文獻(xiàn)第3章  腦電阻抗地形圖和臨床應(yīng)用研究  3.1  腦電阻抗測量基本原理  3.2  腦電阻抗地形圖的繪制原理  3.3  腦電阻抗網(wǎng)絡(luò)模型和正問題研究  3.4  腦電阻抗地形圖的臨床應(yīng)用及分析  參考文獻(xiàn)第4章  EIT數(shù)據(jù)測量技術(shù)和硬件構(gòu)成  4.1  相敏解調(diào)技術(shù)  4.2  EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計方案  4.3  EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計  4.4  EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成像效果實(shí)驗(yàn)  參考文獻(xiàn)第5章  EIT測量原理和驅(qū)動模式  5.1  EIT技術(shù)的驅(qū)動模式  5.2  驅(qū)動模式性能的研究  5.3  統(tǒng)一驅(qū)動模式研究  參考文獻(xiàn)第6章  等位線反投影動態(tài)算法和應(yīng)用  6.1  等位線反投影算法原理  6.2  等位線反投影算法實(shí)現(xiàn)  6.3  等位線濾波反投影算法  6.4  等位線反投影算法性能研究  6.5  等位線反投影成像應(yīng)用  6.6  三維EIT中的等位線反投影算法  參考文獻(xiàn)第7章  Newton類EIT方法和應(yīng)用  7.1  Newton算法原理  7.2  EIT、Newton類算法介紹  7.3  NOSER算法  7.4  FNOSER靜態(tài)算法  7.5  FNOSER動態(tài)算法  7.6  動靜態(tài)算法的相互轉(zhuǎn)換  7.7  FNOSER動態(tài)算法的應(yīng)用  參考文獻(xiàn)第8章  Err中的優(yōu)化方法  8.1  計算模型的優(yōu)化  8.2  EIT重構(gòu)方程中正則化罰函數(shù)的優(yōu)化  8.3  Jacobi矩陣的快速優(yōu)化算法  8.4  反投影算法中圖像優(yōu)化  參考文獻(xiàn)第9章  開放式EIT的原理和實(shí)驗(yàn)研究  9.1  開放式EIT基本原理  9.2  開放式EIT的電磁場邊值問題  9.3  開放式電阻抗測量系統(tǒng)設(shè)計和傳感器研究  9.4  開放式EIT實(shí)驗(yàn)研究  參考文獻(xiàn)第10章  開放式MIT原理和裝置  10.1  MIT的研究現(xiàn)狀和分類  10.2  開放式MIT數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)  10.3  開放式MIT的測量系統(tǒng)  10.4  開放式MIT逆問題理論基礎(chǔ)  10.5  實(shí)驗(yàn)研究參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章　緒論　　1.3　EIT技術(shù)生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)　　1．3．1 生物組織的電特性　　人體可以看作是在空間按一定位置分布、具有不同電特性的多種組織所構(gòu)成的一個混合導(dǎo)體，與金屬導(dǎo)體不同，生物組織內(nèi)部的電導(dǎo)性與離子的運(yùn)動有關(guān)，而與電荷的多少無關(guān)。在現(xiàn)代電學(xué)里，傳導(dǎo)電流Ic的形成是由于溶液中介質(zhì)里可移動離子的運(yùn)動而產(chǎn)生的，因而該傳導(dǎo)電流與特定組織里的離子密度以及離子運(yùn)動有關(guān)，離子的運(yùn)動又依賴于溫度。相關(guān)研究表明，當(dāng)組織的溫度增加1℃時，它的導(dǎo)電性會增加1％～3％?！　‘?dāng)進(jìn)行生物組織電特性測量實(shí)驗(yàn)時，組織電特性與施加的電場強(qiáng)度之間的線性關(guān)系是非常重要的。電生理學(xué)家研究認(rèn)為，即使場強(qiáng)強(qiáng)度達(dá)到105 V／m，大多數(shù)絕緣體與場強(qiáng)強(qiáng)度之間仍然是線性的，然而，當(dāng)場強(qiáng)強(qiáng)度超過107V／m時，它就會穿過生物細(xì)胞膜。相關(guān)研究證據(jù)還表明，此時神經(jīng)細(xì)胞膜將呈現(xiàn)非線性特性。將組織假設(shè)成線性是正確的，這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)行大量組織的測量時，場強(qiáng)的作用只有在頻率超過lMHz以上時非線性才會變得非常顯著?！　〗M織的各向異性結(jié)構(gòu)也會對電特性的測量產(chǎn)生重要的影響。骨骼肌就是一個最好的例子，骨骼肌在沿著肌肉纖維方向的電導(dǎo)率是其正交方向上電導(dǎo)率的近10倍，這種比例同樣受頻率的影響。　　由于組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，大多數(shù)組織都會發(fā)生暫時的電特性改變。學(xué)者Nopp等發(fā)現(xiàn)肺部組織的電特性很大程度上依賴于其內(nèi)部空氣的多少，隨著空氣的增加，肺部組織的電導(dǎo)率和介電常數(shù)都會隨之減小，當(dāng)血液流動時。，其電導(dǎo)率會發(fā)生近20％的改變，這是由于紅血球的傾向性、軸向堆積物以及紅血球在血液流動方向上延伸的變化所致。　　……

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