CN103018284B - 一种基于二端子阻抗测量模式的四端子电阻抗层析成像方法 - Google Patents
一种基于二端子阻抗测量模式的四端子电阻抗层析成像方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于二端子阻抗测量模式的四端子电阻抗层析成像方法,属于电学无损检测技术领域。所述方法包括如下步骤：建立电阻抗层析成像传感器的有限元模型，计算相邻激励、相对激励或者对角线激励模式下的四端子灵敏度矩阵；继电器双T型多通道切换模块选通传感器的电极，进行二端子阻抗测量；将二端子阻抗值转换成相应激励模式下的四端子阻抗值；求解敏感场内电导率差异分布，并进行图像重建。本发明适用于非侵入式电阻抗层析成像技术，尤其适用于四端子阻抗测量方式不满足应用需求或者不具备四端子阻抗测量仪器的情形。本发明可有效提高所重建图像的对比度和分辨率，加快成像速度。
Description
【技术领域】
本发明属于电学无损检测技术领域，尤其涉及一种基于二端子阻抗测量模式的四端子电阻抗层析成像方法。
【背景技术】
近三十余年发展起来的电阻抗层析成像技术(Electrical Impedance Tomography—EIT)，以其非侵入性、便携性、价格低廉、响应快速等技术优势，在工业和医学领域具有重要的应用前景。EIT技术实质上是根据敏感场的电导率分布获得物场的媒质分布信息。通过在敏感场边界施加激励电流，当场内电导率分布变化时，导致场内电势分布变化，从而场域边界上的测量电压发生变化，利用获得的电阻抗信息通过一定的图像重建算法，可以重建出场内的电导率分布，从而获得物场的媒质分布。
国家知识产权局在电阻抗层析成像领域只授权了一个发明专利：基于微针电极的电阻抗层析成像仪及其微创式测量方法（ZL200610114600.6），利用微针电极跨越人体皮肤高阻抗的角质层，替代传统表面电极，作为电流激励装置以及测量电压信号的传感器，测量信号经过放大、滤波后输入PC机进行数据处理，最后以灰度图或彩图反映断层上各点的电阻抗分布信息。可以达到降低电流激励与与采集带来的误差，同时使得实测对象区域内的电阻抗分布更趋于一阶连续，从而使得重构所得图像分辨率更高，置信度更高。
在电阻抗测量中，二端子模式和四端子模式是两种常见的测量模式，但是各有其优缺点。二端子阻抗测量的最主要缺点是会受到接触阻抗的影响。J.J.Ackmann于1993年指出指出当进行四端子阻抗测量，频率高于5kHz时，会引入不能接受的相位差（“Complex bioelectric impedance measurement system for thefrequency range from5Hz to 1MHz,”Ann.Biomed.Eng.,vol.21,no.2,pp.135-146,Mar.1993.)。Szczepanik和Rucki于2000年指出当进行四端子阻抗测量，频率高于5kHz时，在响应电极上测得的电压会有较大的波动（Z.Szczepanik,and Z.Rucki,“Frequency analysis of electrical impedance tomography system,”IEEE Trans.Instrum.Meas.,vol.49,no.4,pp.844-851,Aug.2000.）。Dickin于年指出四端子阻抗测量时容易产生电流源饱和现象，使得测量上限被限制（F.Dickin,and M.Wang,“Electrical resistance tomography for processapplications,”Meas.Sci.Technol.,vol.7,no.3,pp.247-260,Mar.1996.）。
在电阻抗层析成像中，二端子模式和四端子模式也是两种常见的成像模式。在二端子阻抗测量模式下，对传感器的每两个电极依次施加激励电流，再测量这两个电极上感应到的电压值，计算得到二端子电阻抗值。四端子模式下，对传感器两个电极施加激励电流，再测量另两个电极上感应到的电压值，计算得到四端子电阻抗值。对于四端子模式，可以选择相邻激励、相对激励或者对角线等多种激励方式。在利用灵敏度理论来进行电阻抗层析成像中，二端子模式下的成像质量和速度不及四端子模式下的成像质量和速度。
加之在实际应用中，经常会遇到四端子模式不能满足应用需求或者没有四端子阻抗测量仪器两种情形。因此极为有必要发明出一种基于二端子阻抗测量模式的四端子电阻抗层析成像方法，来克服上述缺陷，可有效提高成像对比度和分辨力，并能加快成像速度。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种基于二端子阻抗测量模式的四端子电阻抗层析成像方法，以能够在四端子模式不能满足应用需求或者不具备四端子阻抗测量仪器的情形，仍能提供高质量、高速度的图像重建。
为实现上述目的，本发明提供的一种基于二端子阻抗测量模式的四端子电阻抗层析成像方法，采用如下技术方案：
一种基于二端子阻抗测量模式的四端子电阻抗层析成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，建立电阻抗层析成像（EIT）传感器11的有限元分析模型；
步骤二，根据Geselowitz和Lehr提出的灵敏度理论，结合EIT传感器11的有限元分析模型，计算所述EIT传感器11在相邻、相对或对角线等任意激励模式下的四端子灵敏度矩阵S；
步骤三，利用继电器双T型多通道切换模块14选通电极12为测量端子一、测量端子二、接地、浮空四个状态之一，在传感器只含均匀导电介质和被测对象13进入传感器中这两种情形下，分别通过二端子阻抗测量模块15进行二端子阻抗测量，测量频率为10kHz，并通过GPIB-USB接口将数据实时上传至PC机16中；
步骤四，一对电极A-B被电流激励，测得另一对电极C-D的感应电压，计算所得的四端子阻抗值记为ZCD←AB；四对电极A-C,A-D,B-C或者B-D分别被施加电流激励，并测得该对电极之间的感应电压，计算所得的二端子阻抗值记为zAC，zAD，zBC或者zBD；根据本发明提供的的阻抗测量数据转换公式将所测得的二端子阻抗值矩阵可转换成相邻、相对或对角线等不同激励模式下的四端子阻抗值矩阵；在传感器只含均匀导电介质的情形下的四端子阻抗值矩阵记为Z0，被测对象13进入传感器中的情形下的四端子阻抗值矩阵记为Z，根据ΔZ＝Z-Z0计算出ΔZ；
步骤五，利用逆问题求解方法求解ΔZ＝SΔσ，得到敏感场内电导率差异分布Δσ；
步骤六，结合EIT传感器11的有限元分析模型，利用所得的电导率差异分布进行图像重建，在PC机16中显示被测对象13的形状、位置等信息。
其中，一种基于二端子阻抗测量模式的四端子电阻抗层析成像方法，其特征在于所述方法步骤三中的切换二端子阻抗测量通道的继电器双T型多通道切换模块14采用Omron公司出品的微型双刀双掷继电器开关G6K构成双T型开关结构来消除二端子阻抗测量的接触阻抗，具体结构为：继电器22的转换触点222连接电极12，继电器22的常开触点221连接继电器21的转换触点212，继电器22的常闭触点223连接继电器23的转换触点232；继电器21的常开触点211连接二端子阻抗测量模块15的测量端子一，继电器21的常闭触点213连接地；继电器23的常开触点231连接二端子阻抗测量模块15的测量端子二，继电器23的常闭触点233浮空；所述方法还通过电极镀铂；选择测量频率大于10kHz来消除二端子阻抗测量的接触阻抗。
本发明提供的一种基于二端子阻抗测量模式的四端子电阻抗层析成像方法的优点是：
1.本发明适用于非侵入式电阻抗层析成像技术，尤其适用于四端子阻抗测量方式不满足应用需求或者不具备四端子阻抗测量仪器的情形。
2.本发明的阻抗测量数据转换公式可通过有限次的二端子阻抗测量有效地变换成相邻、相对或对角线等任意激励模式下的四端子阻抗测量，大大提高了数据的利用率。
3.本发明可有效提高所重建图像的对比度和分辨率，加快成像速度。
4.本发明的的切换二端子阻抗测量通道的继电器双T型多通道切换模块采用Omron公司出品的微型双刀双掷继电器开关G6K构成双T型开关结构来消除二端子阻抗测量的接触阻抗，可通过尽量少的切换动作实现选择电极为端子一、端子二、接地、浮空四个状态之一。本发明还通过给电极镀铂，测量频率选在在10kHz以上等措施有效消除二端子阻抗测量的主要缺点接触阻抗的干扰。
【说明书附图】
图1为一种基于二端子阻抗测量模式的四端子电阻抗层析成像方法示意图；
图2为继电器双T型开关模块的示意图；
图3为四端子阻抗测量模式示意图；
图4为二端子阻抗测量模式示意图；
图5为四种被测对象放入传感器中实验示意图；
图6为一种基于二端子阻抗测量模式的四端子电阻抗层析成像方法经共轭梯度法迭代25次重建图像；
图7为二端子电阻抗层析成像方法经共轭梯度法迭代25次重建图像；
图8为二端子电阻抗层析成像方法经共轭梯度法迭代100次重建图像。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的一种基于二端子阻抗测量模式的四端子电阻抗层析成像方法的实施方式作进一步的说明，给出实验所得重建图像，并与二端子电阻抗层析成像进行重建结果对比。
步骤一，参照图3，建立电阻抗层析成像（EIT）传感器11的有限元分析模型；
步骤二，参照图3，根据Geselowitz和Lehr提出的灵敏度理论，结合EIT传感器11的有限元分析模型，计算所述EIT传感器11在相邻、相对或对角线等任意激励模式下的四端子灵敏度矩阵S；
步骤三，参照图1-2，继电器双T型开关模块工作方式如下：默认情况下，继电器不动作，电极12可置于浮空状态；当信号控制继电器22的常开触点221闭合，继电器21的常开触点211闭合，电极12可连接精密阻抗分析仪15的端子一；当信号控制继电器23的常开触点231闭合，电极12可连接精密阻抗分析仪15的端子二；当信号控制继电器22的常开触点221闭合，电极12可连接地。PC机16通过USB或者RS-232接口控制继电器双T型开关模块14通过尽量少的切换动作选择电极12为端子一、端子二、接地、浮空四个状态之一；参照图5，被测对象13包括1支圆玻璃棒51，2支圆玻璃棒52，3支圆玻璃棒53，4支玻璃棒54；参照图1、图5，在传感器只含均匀导电介质和被测对象13进入传感器中这两种情形下，分别通过二端子阻抗测量模块15进行二端子阻抗测量，测量频率为10kHz，并通过GPIB-USB接口将数据实时上传至PC机16中；
步骤四，参照图3，一对电极A-B被电流激励，测得另一对电极C-D的感应电压，计算所得的四端子阻抗值记为ZCD←AB；参照图4，四对电极A-C,A-D,B-C或者B-D分别被施加电流激励，并测得该对电极之间的感应电压，计算所得的二端子阻抗值记为zAC，zAD，zBC或者zBD；参照图3-4，根据本发明提供的的阻抗测量数据转换公式将所测得的二端子阻抗值矩阵可转换成相邻、相对或对角线等不同激励模式下的四端子阻抗值矩阵；在传感器只含均匀导电介质的情形下的四端子阻抗值矩阵记为Z0，被测对象13进入传感器中的情形下的四端子阻抗值矩阵记为Z，根据ΔZ＝Z-Z0计算出ΔZ；
步骤五，利用逆问题求解方法求解ΔZ＝SΔσ，得到敏感场内电导率差异分布Δσ；
步骤六，参照图1，结合EIT传感器11的有限元分析模型，利用所得的电导率差异分布进行图像重建，在PC机16中显示被测对象13的形状、位置等信息；参照图6，本发明的一种基于二端子阻抗测量模式的四端子电阻抗层析成像方法经共轭梯度法迭代25次获得1支玻璃棒重建图像61，2支玻璃棒重建图像62，3支玻璃棒重建图像63，4支玻璃棒重建图像64。
为了更客观地说明本发明的一种基于二端子阻抗测量模式的四端子电阻抗层析成像方法的可行性与有效性，二端子电阻抗层析成像方法分别经共轭梯度法迭代25次和迭代100次进行图像重建。参照图7，二端子电阻抗层析成像方法经共轭梯度法迭代25次获得1支玻璃棒重建图像71，2支玻璃棒重建图像72，3支玻璃棒重建图像73，4支玻璃棒重建图像74。参照图8，二端子电阻抗层析成像方法经共轭梯度法迭代100次获得1支玻璃棒重建图像81，2支玻璃棒重建图像82，3支玻璃棒重建图像83，4支玻璃棒重建图像84。
比较图6、图7说明在相同迭代次数下，本发明的方法所重建的图像在对比度、分辨力都远远优于二端子电阻抗层析成像方法。比较图6、图7、图8说明二端子电阻层析成像方法迭代次数增加到4倍，尽管重建图像质量有所提高，但是仍不能完全区分出四支玻璃棒，因此其成像质量仍不及本发明的方法。表1给出二端子电阻抗层析成像方法与本发明的方法经共轭梯度法重建一幅50*50像素的图像所需时间。结合表1、图6-8，说明本发明的方法在采用共轭梯度法来求解逆问题进行图像重建0.8438秒可获得比二端子电阻抗层析成像方法重建2.9958秒更高的成像质量。
表1.二端子电阻抗层析成像方法与本发明的方法重建图像所需时间
因此，本发明适用于非侵入式电阻抗层析成像技术，尤其适用于四端子阻抗测量方式不满足应用需求或者不具备四端子阻抗测量仪器的情形。本发明可有效提高所重建图像的对比度和分辨率，加快成像速度。
以上所述仅为本发明具体实施方法的基本方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内，可想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。所有落入权利要求的等同的含义和范围内的变化都将包括在权利要求的范围之内。
Claims (2)
1.一种基于二端子阻抗测量模式的四端子电阻抗层析成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，建立电阻抗层析成像传感器(11)的有限元分析模型；
步骤二，在电阻抗层析成像传感器(11)的有限元分析模型中，根据Geselowitz和Lehr提出的灵敏度理论计算所述电阻抗层析成像传感器(11)在相邻或相对激励模式下的四端子灵敏度矩阵S；
步骤三，利用继电器双T型多通道切换模块(14)选通电阻抗层析成像传感器(11)中的任一电极(12)为测量端子一、测量端子二、接地、浮空四个状态之一，在电阻抗层析成像传感器(11)只含均匀导电介质的情形下和被测对象(13)进入该传感器(11)的均匀导电介质中的情形下，分别通过二端子阻抗测量模块(15)进行二端子阻抗测量，测量频率为10kHz，并通过GPIB-USB接口将数据实时上传至PC机(16)中；
步骤四，电极A、B、C和D是电阻抗层析成像传感器(11)在四端子阻抗测量模式中的四个电极，一对电极A-B被电流激励，测得另一对电极C-D的感应电压，计算所得的四端子阻抗值记为ZCD←AB；四对电极A-C，A-D，B-C和B-D分别被施加电流激励，并测得该对电极之间的感应电压，计算所得的二端子阻抗值分别记为zAC，zAD，zBC和zBD；当激励电极A和B处于相邻或相对的位置时，由阻抗测量数据转换公式将所测得的二端子阻抗值矩阵转换成相邻或相对激励模式下的四端子阻抗值矩阵；在电阻抗层析成像传感器(11)只含均匀导电介质的情形下的四端子阻抗值矩阵记为Z0，被测对象(13)进入该传感器(11)的均匀导电介质中的情形下的四端子阻抗值矩阵记为Z，根据ΔZ＝Z-Z0计算出ΔZ；
步骤五，利用逆问题求解方法求解ΔZ＝SΔσ，得到敏感场内电导率差异分布Δσ；
步骤六，结合电阻抗层析成像传感器(11)的有限元分析模型，利用所得的电导率差异分布进行图像重建，在PC机(16)中显示被测对象(13)的形状、位置信息。
2.根据权利要求1所述的基于二端子阻抗测量模式的四端子电阻抗层析成像方法，其特征在于，所述方法步骤三中所使用的切换二端子阻抗测量通道的继电器双T型多通道切换模块采用Omron公司出品的微型双刀双掷继电器开关G6K构成双T型开关结构来消除二端子阻抗测量的接触阻抗，具体结构为：第二继电器(22)的转换触点(222)连接电阻抗层析成像传感器(11)的任一电极(12)，第二继电器(22)的常开触点(221)连接第一继电器(21)的转换触点(212)，第二继电器(22)的常闭触点(223)连接第三继电器(23)的转换触点(232)；第一继电器(21)的常开触点(211)连接二端子阻抗测量模块(15)的测量端子一，第一继电器(21)的常闭触点(213)连接地；第三继电器(23)的常开触点(231)连接二端子阻抗测量模块(15)的测量端子二，第三继电器(23)的常闭触点(233)浮空；所述方法还通过电极镀铂，选择测量频率大于10kHz来消除二端子阻抗测量的接触阻抗。
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