收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

生物医学电磁正反问题数值计算方法研究

寿国法  
【摘要】: 在生物医学工程领域存在很多电磁计算问题,从数学上来说它们具有一些共同特性。根据所求问题的源、场关系不同,电磁计算问题可以分为正问题和反问题的计算。正问题是指由一定的源分布计算相应的场分布,即由因及果,它往往是适定的问题,即解的存在性、唯一性和连续依赖性条件都满足;而反问题是指根据一定的场分布重建相应的源分布,即由果及因,它常常是不适定的问题,即解的三个条件不全部满足。同时,正问题是反问题的基础,它一般为后者提供源、场之间的数值计算关系;而后者是前者的目的。针对正、反问题的不同特点需要采用不同的数值计算方法:正问题往往采用常规的有限元、边界元或有限差分等方法进行计算,一般比较简单;反问题则要结合具体问题的先验信息,并采用一些恰当的正则化方法处理才能得到稳定的解,它往往比较复杂,需要花费大量的精力去寻找相应的解。本文的研究集中在生物医学电磁正、反问题的数值计算方面,主要研究了生物医学电磁领域中的三个问题:心电(ECG)问题、MRI线圈设计问题和磁感应断层(MIT)问题。 在ECG问题中,源是心脏,而场是体表电位分布,相应的ECG正问题就是从心脏源出发仿真计算体表电位分布,而ECG逆问题是指根据体表电位分布反演心脏源信息。如果不包括虚拟心脏的研究,ECG正反问题主要包含心脏等效源、容积导体建模、正问题计算和反问题计算等方面的研究工作。在本文中,采用BEM方法计算了ECG正问题,其中的容积导体模型采用了实验室早期开发的虚拟心脏和躯干模型;而ECG逆问题通过采用正则化方法处理,主要重建了心外膜电位。 在MRI线圈设计问题中,通有电流的导线线圈在一定目标区域产生了磁场,这些导线线圈位置的优化设计就是MRI线圈设计问题,其中也包括源、场关系:源为通电流的导线线圈,场为产生的磁场。高性能MRI梯度和射频线圈的设计一直是MRI学术界和工业界的研究热点问题,已经有大量线圈设计方法提出,其中都涉及到一定的数值计算。在本文中研究了MRI线圈设计方法。 MIT问题研究和ECG问题研究一样,其目的是为了开发出新型成像设备,不过它的成像对象是电解质物理特性(电导率)。基于电磁感应原理,MIT提供了一种无创的和非接触式的成像技术,它在生物医学领域和工业领域有很多潜在的应用。本文主要关注MIT在生物医学领域的应用:脑出血的检测与监护,主要集中在MIT系统的仿真研究和数值计算方法方面。 这三个问题虽然具有其各自的特点,但从电磁场计算的角度上来看它们具有很多共同特性,如都是基于Maxwell方程在准静态条件下的近似,其正问题和反问题解法可以用到相同的数值计算方法等。 论文完成的主要研究工作包括: 一、ECG正问题研究 系统分析和讨论了ECG正问题研究的主要内容和数值计算方法。在分析ECG正问题常用数值计算方法的基础上,本文针对ECG问题中网格的复杂性和重要性,提出了采用自适应边界元方法(aBEM)计算ECG正问题。选择了h-aBEM方法,它是一个迭代优化网格过程,通过基于BEM计算结果的新节点添加建立优化边界元网格。采用h-aBEM方法,本文计算了ECG正、反问题,通过仿真结果可以得到h-aBEM方法的应用不仅提高了正反问题解的精度,而且对体表电极的优化选择也有一定的指导意义。为了节省h-aBEM方法的计算开销,本文又进一步采用了层次型h-aBEM方法。在执行层次型h-aBEM方法的过程中,本文首次推导了基于线性三角形单元的h层状形函数。并基于实验室的虚拟心脏模型深入研究了这两种不同的aBEM方法和网格优化方案。 二、ECG逆问题正则化方法研究 分析讨论了常用正则化方法在ECG逆问题中的应用,并比较研究了几种不同的正则化参数选择方法。针对ECG逆问题的实际情况:容积导体建模和心脏跳动等因素的影响,离散得到的线性系统两侧存在不同程度的误差,本文提出了采用基于完全最小二乘(TLS)原理的正则化方法:截断完全最小二乘方法(TTLS)和正则化完全最小二乘方法(RTLS),计算ECG逆问题。所提出的TTLS方法很好地解决了ECG逆问题研究领域中困扰了三十多年的不能同时处理测量噪声和几何噪声的问题。在分析FTLS和RTLS方法的基本原理和算法的基础上,本文通过仿真实验表明新提出的正则化方法在处理实际ECG逆问题方面具有更好的效果,且可以应用于临床心电功能成像。 三、MRI线圈设计方法研究 在分析讨论MRI线圈设计主要方法的基础上,本文提出了采用BEM和正则化技术相结合的方法设计MRI线圈。通过引入电流密度源的流函数表达式后,源、场区域可以采用BEM方法离散计算,而在线圈设计的反问题计算中采用了Tikhonov正则化方法处理。采用提出的方法,本文设计了开放型MRI系统中的双平面横向梯度线圈和应用于并行成像的RF相控阵线圈。设计结果表明,本文提出的设计方法简单实用,且能设计出基于任意二维或三维几何结构的线圈。 四、MIT仿真研究 在本文的MIT问题研究中,首先采用edge FEM方法计算了涡流电磁问题和MIT图像重建的Jacobian矩阵,然后采用正则化方法进行电导率信息的重建。基于Philips 16通道MIT系统,本文在MIT系统的优化设计:包括线圈优化和系统尺寸优化等,电磁安全性评估,狗头出血实验的可行性评估等方面做了大量研究工作。同时,基于MIT图像重建的特点,研究了完全变分(TV)方法在MIT问题中的应用,仿真和实验结果表明,TV方法在去除伪影、保持边界方面比常规的l_2范约束方法更有优势。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 郭忠海,黄卡玛,陈倩,王文轲;低频线圈激励电磁成像的正问题计算[J];四川大学学报(自然科学版);2002年02期
2 徐征;何为;何传红;张占龙;罗海军;;开放式磁感应成像原理及成像试验研究[J];中国生物医学工程学报;2009年01期
3 赵欣涛;王广仪;;关于相同秩次的校正问题[J];中国卫生统计;1993年02期
4 李璟;王琨;朱善安;贺斌;;利用有限差分算法研究开颅术对头皮电位分布的影响[J];中国生物医学工程学报;2007年05期
5 徐桂芝,杨硕,李颖,颜威利;电阻抗断层成像技术综述[J];河北工业大学学报;2004年02期
6 王聪;董秀珍;刘锐岗;史学涛;付峰;尤富生;;磁感应断层成像技术中涡流问题的有限元法仿真研究[J];航天医学与医学工程;2007年03期
7 许国辉;刘志朋;李经宇;殷涛;;感应式磁声成像正问题数学模型及仿真[J];中国生物医学工程学报;2009年04期
8 何为;李倩;徐征;朱金华;何阳光;王磊;;头部分层球模型磁感应成像正问题的解析解[J];计算物理;2010年06期
9 吴占雄;李璟;朱善安;;脑白质电导率各向异性及非均质对头皮脑电分布的影响[J];传感技术学报;2010年11期
10 刘国强;王涛;蒙萌;王浩;;用棱单元方法求解磁感应成像的正问题[J];中国生物医学工程学报;2006年02期
11 王一;彭丽;;不同脑模型下EEG、MEG正问题数值模拟[J];上海师范大学学报(自然科学版);2010年02期
12 何为,江泽佳,谭邦定;二维非均匀各向异性人体心电场正问题和逆问题的有限元法分析[J];生物医学工程学杂志;1989年03期
13 陶春静;宋涛;刘国强;阎静;;基于多场耦合的生物组织微波热声信号分析[J];生物医学工程学杂志;2008年01期
14 张迎春,邹凌;脑电正问题的模型和算法[J];生物医学工程学杂志;2004年02期
15 王云华,杨福生,马信山;双层头模型以及从单次诱发响应确定脑电发生源的研究(英文)[J];航天医学与医学工程;1993年01期
16 李祝华;高淑艳;孙爱峰;;两样本率比较假设检验方法连续性校正问题的探讨[J];中国现代药物应用;2008年16期
17 李光林,夏灵,吕维雪;心电逆问题的虚拟心脏模型参数解用于心室预激旁道定位的研究[J];生物物理学报;1997年03期
18 张尚军,张翠英,夏灵,吕维雪;心电逆问题的研究现状[J];国外医学.生物医学工程分册;1997年06期
19 洪玉源;;减肥的“秘密”——减卡路里[J];心血管病防治知识;2009年07期
20 华蕴博;;心电学理论框架与关键技术:九十年进展与溯源[J];临床心电学杂志;1993年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 许晓彦;何敏;;电磁层析成像技术中正问题的有限元研究[A];第八届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2010年
2 吴燕冈;孙建国;陈丽虹;;磁各向异性条件下磁法勘探正问题的差分数值解法[A];2001年中国地球物理学会年刊——中国地球物理学会第十七届年会论文集[C];2001年
3 陈晓艳;王化祥;赵波;;基于自适应多重网格的人体肺部功能成像技术[A];中国生物医学工程进展——2007中国生物医学工程联合学术年会论文集(下册)[C];2007年
4 徐征;何为;何传红;罗海军;;开放式磁感应成像正问题研究[A];中国生物医学工程进展——2007中国生物医学工程联合学术年会论文集(下册)[C];2007年
5 苘耀辉;;关于沉船扳正问题的探讨[A];中国航海学会救捞专业委员会99年优秀论文选[C];1999年
6 杨俊燕;张优云;;正问题分析和反问题求解相结合的状态评估方法研究[A];第十二届全国设备故障诊断学术会议论文集[C];2010年
7 陆耀庆;;空调水系统设计水量的修正问题[A];全国暖通空调制冷1990年学术年会论文集(下)[C];1990年
8 王礼立;朱珏;赖华伟;;冲击动力学研究中实测波信息的解读分析[A];第八届全国冲击动力学学术讨论会会议论文集[C];2007年
9 段永红;赖晓玲;刘志;张志康;李松林;杨健;;三维有限差分速度层析成像方法研究[A];1997年中国地球物理学会第十三届学术年会论文集[C];1997年
10 郭咏梅;毛士艺;李少洪;;SAR实时处理机中的IQ校正问题[A];第九届全国信号处理学术年会(CCSP-99)论文集[C];1999年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 解顺强;虚拟轴机床非线性动力学的正问题和逆问题[D];中国农业大学;2003年
2 张迎春;有限元素法在三维各向异性脑电正问题及皮层成像技术中的应用[D];浙江大学;2005年
3 葛曼玲;脑神经电活动仿真模型的研究[D];河北工业大学;2004年
4 武优西;支持向量机在EIT正逆问题中的应用研究[D];河北工业大学;2006年
5 杨帆;输变电设备工频电场的正、逆问题及电磁环境研究[D];重庆大学;2008年
6 李璟;有限差分法在三维脑电正问题中的应用[D];浙江大学;2007年
7 寿国法;生物医学电磁正反问题数值计算方法研究[D];浙江大学;2009年
8 沈远胜;旋转系统内三维可压缩有旋流动正、反命题的赝势函数模型和变分方法[D];上海大学;1999年
9 徐桂芝;基于EIT技术的脑内电特性与功能成像研究[D];河北工业大学;2002年
10 朱学明;电容层析成像技术的图像重建算法研究[D];天津大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 吴焕丽;三维EIT正问题的研究[D];河北工业大学;2004年
2 丁永维;ERT图像重建算法研究及应用软件系统设计[D];天津大学;2007年
3 李颖;生物医学电磁逆问题若干方法的研究[D];河北工业大学;2000年
4 崔晓会;电阻层析成像算法研究及其应用软件设计[D];天津大学;2005年
5 唐继斐;电阻抗断层成像技术[D];南京理工大学;2010年
6 何元胜;电磁层析成像图像重建的仿真研究[D];上海海事大学;2007年
7 王喆;应用电场数值计算方法研究三维异常神经电活动正问题[D];河北工业大学;2006年
8 马静;电阻抗断层成像技术的研究及软件实现[D];南京理工大学;2007年
9 马磊;基于ANSYS的脑部EIT正问题的研究[D];陕西师范大学;2008年
10 李连宇;电磁层析成像系统仿真研究[D];北京交通大学;2007年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 布拉德·塞特塞尔;石油企业面临的真正问题[N];第一财经日报;2006年
2 记者 赵良英、通讯员 韩靖桥、实习生 张婷;纠正问题资金20.74亿元[N];湖北日报;2006年
3 济南军区某部政委 王正玉;预备党员工作调动后转正问题应如何处理[N];解放军报;2003年
4 唐荣海;本溪市纠正问题金额1.4亿多元[N];中国审计报;2007年
5 南京禄口国际机场货站 朱利银;安全教育整顿重在“整改”[N];中国民航报;2008年
6 孙梅;湖北预算执行审计整改雷厉风行[N];中国审计报;2006年
7 樊纲;世界经济面临的真正问题是美元高估[N];江苏经济报;2006年
8 郄建荣;56个中央部门纠正百亿问题金额[N];法制日报;2007年
9 张晓松;审计整改:358.7亿元问题金额得到纠正[N];新华每日电讯;2007年
10 记者 陈昂;把切实纠正问题放首位[N];中国财经报;2008年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978