基于量子粒群算法的电阻抗图像重构研究

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电阻抗成像技术(Electrical Impedance Tomography,EIT)是一种较为新颖的无损伤的医学功能成像技术,它通过置于人体表面的电极向其施加激励电流,测量其表面的电特性信息,来重构被测区域内部的电导率分布,从而反映人体内部结构与组织器官的功能。与传统的医学成像技术相比较,电阻抗成像技术不使用射线或者核素,对人体安全无伤害,可以多次测量、长期重复使用,其设备体积小、成本相对低廉,对工作环境无特殊要求,便于大规模推广。这些特点使得EIT技术不仅是在医学方面,而且在工业监测、无损探伤等工业领域都备受瞩目。   本论文以EIT图像重构为研究对象,实现了全电极模型下的有限元法电阻抗成像正问题的计算过程,并分析了电阻抗成像逆问题的研究难点和病态性。在介绍粒子群优化算法和量子粒子群优化算法的优缺点后,选定了使用量子粒子群优化算法来进行电阻抗图像重构,最后做了大量的仿真实验来验证该算法的可行性。   本文的主要工作如下:   ①首先在电阻抗成像技术的生物医学基础上,简要阐述了EIT成像正问题的控制方程及边界条件,在此基础上推导出全电极模型下的基于三角形剖分的有限元方程,通过实测数据和计算数据的对比,验证了全电极模型下有限元法的计算精度。为了兼顾求解的精度与速度,给出了EIT正、逆问题所采用的有限元剖分模型,以及其加密策略。着重对EIT逆问题的研究难点和病态性作了较为详细的分析,为后面的EIT图像重构奠定了良好的基础。   ②分析了基本粒子群算法和几种改进的粒子群算法的原理、算法流程、优缺点,以此为基础重点介绍了量子粒子群算法的产生、原理和实现流程,并与PSO算法进行了分析比较。最后用PSO算法和QPSO算法分别对Rosenbrock函数和Rastrigrin函数进行仿真测试,分析结果可知QPSO算法在收敛精度和速度等方面都要优于传统的PSO算法,为QPSO算法的改进和在EIT图像重建中的应用打下了基础。   ③在上述的研究基础上,给出了EIT逆问题的数学优化模型,并提出了基于量子粒子群优化算法(QPSO)的电阻抗图像重构算法,为了提高QPSO算法搜索全局最优解的能力,将NOSER算法的求解结果赋予该算法的初始种群,以提高算法的性能;为了验证该算法的性能,在封闭式场域做了仿真实验,并与牛顿法、PSO算法的仿真结果做了对比;并结合实际应用情况,进行了开放式EIT重构仿真和水槽试验,结果表明重构图像具有良好的分辨率。在MATLAB环境下建立并完善了开放式电阻抗成像软件平台,实现了有限元模型显示、串口通信、电压数据的采集、正、反问题计算、数据和图形输出等功能。   最后论文对研究工作进行了总结,给出了所完成的主要研究工作,指出了目前存在的问题,提出了一些不足之处及对本课题今后的研究展望。  
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