一种用于磁感应断层成像的图像重建算法

磁感应断层成像技术(magnetic induction tomography,MIT)是一种非接触、无损害的以人体电导率分布为成像目标的阻抗成像技术.本文提出一种用于MIT技术的图像重建算法--修正的Newton-Raphson(NR)算法.首先,推导并求解MIT的正问题和逆问题.其次.通过对比仿真计算和实际测量的结果证明基于有限元的MIT正问题求解方法的有效性.然后,对测量区域内的电导率扰动成功地进行了仿真图像重建.结果证明,本文提出的修正的NR算法是一种有效的MIT网像重建算法.它的实现为下一步物理模型以及生物体上的MIT成像实验打下了良好基础.     

磁感应断层成像的双向检测优化方法研究

磁感应断层成像作为一种新的检测成像技术,在脑出血等疾病的临床诊断和连续检测中具有重要的应用价值.磁感应断层成像系统由激励线圈和检测线圈两种线圈组成,其中激励线圈只有一个,而检测线圈在以往的研究中多达十几个甚至几十个.由于空间限制以及线圈之间的相互干扰,如何在不损失成像准确度的情况下最大程度减少线圈的个数具有重要的研究意...     

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。     

基于同步检波的单通道磁感应成像技术研究

磁感应成像在医学领域的应用,由于生物组织的电导率非常小,需要一种测量相位精度高的系统才能满足应用需要。描述了一种基于同步检波的单通道磁感应测量系统,来测量微小相位变化。系统使用模拟开关代替模拟乘法电路,减少直流漂移,增加电路的动态范围。电路中引入了模拟的相移电路,使参考信号和与检测信号相位正交,提高相位测量的灵敏度。研究了单通道系统的稳定度和灵敏度,通过实测电路,该测量系统在1 min内的相位漂移0.001 5°,在1 h内的相位漂移0.006°;并给出电导率变化相应相位变化关系。     

基于2D-DCT等效矩阵的压缩成像

压缩感知理论允许人们通过少于采样定理要求的测量值重建信号。受到测量矩阵设计方面的限制,使用快速的贪婪算法重建时需要一个稀疏分解矩阵。目前通常根据一维变换构造稀疏分解矩阵,无法体现图像的结构信息。本文通过构造二维离散余弦变换(2D-DCT)等效矩阵来解决这一问题,通过重建图像二维变换系数的手段达到保护结构信息的目的。该等效矩阵与图像列序向量相乘得到的系数均来自图像2D-DCT变换,所以使用这种等效矩阵作为稀疏分解矩阵可以令贪婪算法重建的结果与图像2D-DCT变换系数相同,进而令基于2D-DCT等效矩阵的压缩成像可以在使用快速贪婪算法的同时保持图像的二维结构信息,并且不增加软硬件成本,实验显示该方法有效改善了图像重建的效果。     

MIT中反投影矩阵的计算与数据处理方法

反投影算法是磁感应断层成像技术(MIT)中一种有效的图像重建算法.该算法中反投影矩阵的计算与检测数据的处理是提高重建图像质量的关键.依据磁感应断层像原理,提出了一种有效的MIT反投影矩阵计算方法和检测数据的处理方法.在所建立的仿真模型和实际模型基础上,分别运用该方法进行了图像重建实验与分析.实验结果表明,该方法应用在反投影算法中可以实现MIT图像重建.重建图像能准确反映成像区域内部电导率变化,具有较高分辨率,扰动目标定位准确,形状信息清晰可见.进而验证了该方法的可靠性和有效性.     

基于矩阵模型的感应式磁声重建算法

感应式磁声成像(MAT-MI)是一种融合磁感应技术和超声断层扫描技术的新型生物电阻抗成像方法,兼具电阻抗功能成像和超声技术高空间分辨率的优点.目前针对声源重建大都采用时间反转法,该方法存在的问题有:求导数后对数据噪声有放大作用;声压的边缘Gibbs效应导致重建图像的伪影重等.为此,本文对已有的格林函数积分解进行离散,提出一种矩阵投影格式,并在此基础上提出一种迭代求解的算法.为了验证新方法的正确性,我们使用电导率具有空间分布3Dphantom模型进行了数值模拟并获得了不同截面处的声压波形.最后使用本文提出的方法由获得的声压重建得到了高精度的声源分布和电导率分布.     

基于滤波反投影的脑磁感应迭代重建算法研究

颅脑磁感应断层成像技术(BMIT)是一种非接触、无创的新兴颅脑医学成像技术,图像重建算法是提高重建图像质量的关键。依据BMIT反投影算法和迭代算法,设计出一套基于滤波反投影的脑磁感应迭代重建方法。首先根据滤波反投影重建算法原理,给出初始电导率分布,其次基于电导率变化敏感性加权计算滤波反投影矩阵,最后利用一步牛顿迭代构成滤波反投影迭代重建算法,通过设置理想条件数G来修正Hessian矩阵,改善重建过程的病态程度,并对待重建数据进行标准化位置校正处理。实验结果表明,该算法成像速度快,重建出的图像具有较高分辨率,能够准确反映成像区域内仿真病变的大小及位置信息,且轮廓清晰,为颅脑磁感应断层成像技术应用于临床监护奠定了基础。     

基于反投影的MIT动态图像重建方法研究

磁感应断层成像(magnetic induction tomography,MIT)是一种无创、非接触的新型医学成像技术,图像重建算法是实现MIT快速、精确成像的关键.提出一种改进的反投影图像重建算法,首先根据成像区域的磁场分布,由磁力线确定反投影路径,降低了直线反投影用于磁场成像的定位误差;其次根据MIT电磁关系推导,构建了边界检测数据的修正模型,据此对边界相位差数据进行修正处理,进一步提高了重建图像定位准确性;最后分别对成像区域内扰动目标电导率大小变化及位置变化2种情况,构建了序列重建图像,对该图像序列联合分析获取纵向阻抗变化信息,反映了成像体随时间变化的动态信息.实验结果表明该算法具有重建速度快、定位准确的特性,能够准确反映成像区域内部电导率变化,结合序列图像联合分析实现MIT动态成像.     

粒子群优化结构测量矩阵的遥感压缩成像

针对块循环测量矩阵应用于遥感压缩成像存在图像重构性能不理想的问题,本文把粒子群智能优化算法引入到块循环矩阵优化中,实现了在保持矩阵结构不变的同时对块循环矩阵的优化。首先以相关系数的Welch界为阈值约束Gram矩阵非对角元素构造目标矩阵;然后以Gram矩阵逼近目标矩阵的方式建立目标函数,将优化对象改为构造块循环矩阵的自由元向量。为提高优化效率,文中采用权重自适应更新的方式提高粒子搜索能力。开展了相关重构对比实验,结果表明,优化后的块循环测量矩阵在保持矩阵结构的同时,降低了与稀疏变换矩阵的相关性,其与稀疏变换矩阵的最大相关系数、平均相关系数和阈值平均相关系数分别降低了0.027 3、0.017 5和0.004 6,得到的结果显示优化的块循环矩阵提高了图像的重构性能。     

A novel method of plotting sensor sensitivity field and image reconstruction algorithm for electrical capacitance tomography system

Sensor sensitivity field in electrical capacitance tomography is affected by the distribution of multiphase medium, which is the peculiarity of soft field. This brings great difficulty for image reconstruction. To improve the quality of image reconstruction, it is important to analyze the distribution of the sensitivity field. In this article, using the finite element method, we expound a kind of novel plotting pattern to field, which is the distribution of sensitivity field through computer simulation. From experiments and results of sensitivity field analysis, a novel method of image reconstruction based on genetic algorithms is presented. The finite element model is correct and simulation result is fine by adopting unequal interval plotting patterns. At the same time, the result of image reconstruction has high precision. __________ Translated from Chinese Journal of Scientific Instrument, 2005, 26(3) (in Chinese)     

非闭合电极电容层析成像传感器的敏感场计算及仿真成像研究

本文提出了一种新型的非闭合电极电容传感器，以满足利用电容层析成像技术来测试冻土中水分迁移、物质组成及其动态变化特性的要求，对该电容传感器的敏感场进行了计算，并对其进行了成像仿真研究。结果表明，该种电容传感器可以实现测试区域内不同形状物体的测量及图像重建，其中Landweber成像算法对该传感器成像质量最好，从而为利用电容层析成像技术来进行冻土测试提供了实验基础。     

一种基于电磁感应原理的风向编码方法

霍尔元件在与磁体接近时输出端会产生一个高电平,离开磁体时输出端为低电平。基于这种电磁感应原理,提出了一种风向编码方法。该方法设为三层立体编码,霍尔元件固定在编码器的定位盘上,磁钢体固定在转动盘上。转动盘上的磁钢体靠近霍尔元件时,霍尔元件输出高电平,磁钢体离开霍尔元件,则霍尔元件输出低电平。根据各个霍尔元件输出的高低电平组合编码,第一编码层可在45°范围内实现5°的分辨率,第二编码层可在180°范围内实现45°的分辨率,第三编码层可在360°范围内实现180°的分辨率。三个编码层相结合,便可在360°范围内实现5°的分辨率。     

改进的灵敏度矩阵法在离轴望远镜装调中的应用

为了在较大失调范围内准确求解离轴梅逊式无焦卡塞格林望远镜元件的失调量,提出了基于改进的灵敏度矩阵模型的计算机辅助装调方法。分析了传统灵敏度矩阵法的原理及局限性,并在传统方法的数学模型中加入二次修正项,对传统计算机辅助装调技术进行了改进。针对离轴望远镜系统,分析了次镜失调状态下系统的像差特性,分别采用改进模型和传统模型对系统失调量与像差间的映射关系进行近似,并对失调望远镜系统进行仿真装调。仿真装调结果表明:在次镜偏心为±8mm、倾斜为±1.5°的失调范围内,传统方法计算得到的次镜x、y、z偏心量和α、β倾斜量均方根误差分别是:2.689mm、2.494mm、0.194mm和0.500°、0.525°;而改进方法对应的计算结果为:0.404mm、0.323mm、0.047mm和0.064°、0.065°,显示改进后的灵敏度矩阵方法的失调量求解准确度大幅优于传统方法。最终,采用改进方法对望远镜进行装调,得到了轴上视场波像差(均方根值RMS)为0.056λ(λ=632.8nm),边缘视场波像差RMS均优于0.1λ的良好装调结果。得到的结果满足设计要求。     

基于Hessian矩阵的手指静脉图像分割

针对灰度不均匀、对比度低、边缘信息较弱的图像中的手指静脉纹路提取问题,提出了一种基于Hessian矩阵的手指静脉图像分割方法。该方法首先将高斯滤波器的二阶导数与原图像卷积得到了各像素点的Hessian矩阵,通过Hessian矩阵的迹初次滤除了非静脉区的像素点,接着求出了余下像素点Hessian矩阵的特征值,利用静脉区特征值所要满足的条件二次滤除非静脉区像素点,最后选取了多尺度下静脉区各像素点的最大特征值作为输出特征值,将区间内所有尺度下的特征值图进行了融合,经过二值化处理、形态学滤波处理得到了手指静脉纹路。研究结果表明,该算法能够较完整地提取宽度不一的手指静脉纹路,将静脉区域和非静脉区域分开,伪静脉像素点较少;同时,不需要遍历所有像素点的Hessian矩阵求其特征值,手指静脉图像分割速度比未优化静脉纹路提取算法快了0.036 5 s。     

基于 V-ResNet 的电阻抗层析成像方法

电阻抗层析成像技术(EIT)因其非侵入和可视化等特性为人体肺部空间特性的监测提供了一种有效的方法。但是EIT的逆问题具有严重的非线性、病态性和欠定性,使得图像重建结果含有严重的伪影。针对上述问题,提出了一种由预映射、特征提取、深度重建以及残差去噪四个模块构成的V-ResNet的深度网络成像算法,实现对场域空间位置和电导率参数分布的重建。该算法有效地增加了前馈信息的多重传递并解决了深度网络的梯度消失问题,同时残差去噪模块有效地平滑了图像边界。采用相对误差(RE)和结构相似度(SSIM)来衡量成像质量,实验得出RE的平均值为0.14,SSIM平均值为0.96。仿真与实验结果表明,基于V-ResNet的成像算法与传统的成像算法相比,图像重建结果边界清晰,空间分辨率高。