专利名称：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
—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
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 ImpedanceTomography一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(“Complexbioelectric impedance measurement system for the frequency range from5Hz toIMHzj ” 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 electricalimpedance tomography system, ” IEEE Trans.1nstrum. 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. Sc1. Technol. , vol. 7, no. 3, pp. 247-260，Mar. 1996. X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，仍能提供闻质量、闻速度的图像重建。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Zm — 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zAD, zB。或者zBD ;根据本发明提
供的的阻抗测量数据转换公式
权利要求
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(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IOkHz，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Zm—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zAD, zB。或者zBD;根据本发明提供的的阻抗测量数据转换公式= (ZAe_ZADt(i — ZBD)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Ztl，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ΛΖ = Z-Z0计算出ΛΖ ; 步骤五，利用逆问题求解方法求解AZ = SA0，得到敏感场内电导率差异分布Λ σ ；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。
2.一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钼；选择测量频率大于IOkHz来消除二端子阻抗测量的接触阻抗。
全文摘要
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。
文档编号G01N27/02GK103018284SQ201210544370
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者曹章, 陈健军, 周海力, 徐立军, 蒋昌华 申请人:北京航空航天大学