第四章 单源EIT电流驱动模式研究.doc

第四章 单源EIT电流驱动模式研究 4.1 背景 电阻抗层析成像的驱动模式（Drive Pattern）是指施加激励电流或电压的方式。电流驱动模式（Current Drive Pattern）是以恒流源为激励源施加于成像目标的方式，其优点为使用恒流源可较精确地控制注入人体的电流（激励电流5 mA），以确保人体的安全，但设计高频、高精度的恒流源存在较大难度。电压驱动模式（Voltage Drive Pattern）是以恒压源为激励源施加于成像目标的方式，且高频、高精度的恒压源实现相对较易，但难以精确控制注入人体的电流，可能使局部组织电流超过安全限制，只有在对激励频率有特殊要求时才采用电压驱动。目前，大多数电阻抗层析成像系统均采用电流驱动。 由于敏感场电流分布的‘软场’特性及非线性特性，电阻抗层析成像的逆问题具有严重的病态性，为从激励源的角度出发提高重建图像质量，许多学者提出了多种电流驱动模式。其中Demidenko等人提出自适应最优电流模式，但该模式中需要对多个电极同时驱动，并在这些电极上测量边界电压，各电流源需精确匹配，系统实现难度较大。目前，大多数电阻抗层析成像系统均采用单电流源驱动。对于电阻抗层析成像系统，在使用同样的数据采集系统条件下，电流驱动模式直接决定原始数据的信息量及信噪比，从而最终决定重建图像质量，因此，有必要研究较优的电流驱动模式以获取更多被测对象的内部信息及测量数据。 常见的单电流源电流驱动模式有相邻、交叉、相对驱动模式，分别如图4-1所示。 (a)相邻 (b)交叉 (c)相对 图4-1 典型的电流驱动模式 图4-1(a)中的相邻驱动模式最早由Brown和Segar提出，电流由相邻电极注入，同时测量除激励电极之外的各相邻电极之间的电压差，相邻驱动模式硬件实现容易，为目前广泛使用的电流驱动模式，但该种模式将导致电流集中分布于激励电极附近，管道中心电流密度相对较小，导致管道中心物体成像质量差。随后，Avis和Baber提出了交叉驱动模式（图4-1(b)），即电流注入的两电极相差90°放置，同样在除激励电极的其他两相邻电极上测量电压，这样做的目的是为了获取更为均匀的电流分布。图4-1(c)中的相对驱动模式为激励电极相差180°放置，电压测量方式同前两种模式，其电流分布最均匀。 不同的驱动模式决定了场域的电流分布，进而直接决定原始数据的信噪比及最大可获得的独立测量数，最终决定成像质量。从以上三种常用电流驱动模式可知，三者的电压测量模式相同，仅仅是激励电极相隔的角度不同而已，以16电极EIT系统为例，依据结构对称性，共有8种电流驱动模式，即激励电极为相邻电极、相隔一个、相隔二个、…、直到相隔七个电极，如电极对1-2激励（Pattern 1）、电极对1-3激励（Pattern 2）、…、直到电极对1-9激励（Pattern 8），共8种驱动模式，依据结构对称性，本章研究了这8种电流驱动模式并采用统一的电压测量模式，即测量除激励电极之外的其他相邻电极的电压，对不同驱动模式的独立测量数、测量电压的动态范围、重建图像等指标进行了比较，综合考虑各指标，以获得最佳的电流驱动模式。 4.2 单源EIT电流驱动模式性能参数比较 采用作者编制的有限元仿真软件包对场域进行剖分，剖分网格如图4-2所示，共含有449个节点及784个三角单元。背景物场的电导率设为10-3 S m-1，目标物体的电导率设为2×10-3 S m-1，激励电流为1 mA。 图4-2 剖分网格 4.2.1 等势线分布 8种驱动模式的等势线分布如图4-3所示。 图4-3 8种电流驱动模式的等势线分布图 从图4-3中可以看出，激励电极对相隔电极越多，则场域的等势线分布越均匀。对于模式1，电流集中分布于激励电极处，场域中心处的电流较弱，对此处物体的变化不敏感，导致中心区域物体成像质量差。对于模式8，等势线分布最均匀，能较好地反映中心处物体的变化。因此，为获得较均匀的等势线分布，可选择模式8。 4.2.2 独立测量数 不管采用何种驱动模式，每次激励时共可得到16个电压测量值，即电极对1、2，2、3，…，16、1之间的电压差，去除包含激励电极的电压测量值可得到独立测量值。对于相邻模式（Pattern 1），当1、2电极激励时，测量电极对3、4，4、5，…，15-16的电压，共有13个测量电压，变换激励电极对，直到16、1电极对为激励电极对时，共可获得测量数为208个，根据场域结构对称性可得独立测量数为104个；对于Pattern 2到Pattern 7，每次激励可获得12个电压测量值，16次激励共获得192个独立测量值；对于模式8，每次激励可获得12个电压测量