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电阻抗成像电极系统优化设计仿真研究*【摘要】EIT电极系统是整个EIT系统最为敏感和关键的部分之一。本文在线电极强制等势点模型的基础上以复合电极为例提出了一种电极结构及参数优化设计方法并建立了电极结构参数优化设计仿真研究平台。可针对不同电极结构和各种参数变化给出其对EIT成像质量和检测灵敏度的影响进行优化设计从而为实用化EIT系统电极结构设计提供理论依据。【关键词】EIT电极；电极结构；强制等势点模型；仿真研究；优化设计【Abstract】TheelectrodesystemisoneofthemostsensitiveandcrucialpartsinEITsystem.InthispaperamethodforEITelectrodestructureandparameteroptimizingdesigntakingexampleforcompoundelectrodehasbeenpresentedwhichisbasedonthecoerciveequipotentialnodemodelofthelineelectrode.Animitationresearchplatformofelectrodestructureandparameteroptimizingdesignhasbeendeveloped.Bythemethodsthevarietyinfluencesofelectrodestructureandparametersonreconstructedimageandmeasurementsensitivitycanbeobtained.ThiswillprovidetheorybasisfortheelectrodeconstructionoptimizingdesignofrealEITsystem.【Keywords】EITelectrode；electrodestructure；coerciveequipotentialnodemodel；imitationresearch；optimizingdesign电阻抗断层成像技术（EITElectricalImpedanceTomography）是当今生物医学工程学重大研究课题之一。它是继形态、结构成像之后于近二十年才出现的新一代更为有效的功能成像技术［12］具有无损伤、功能成像和医学图像监护三大突出优势［3］是一种理想的、具有诱人应用前景的无损伤医学成像技术。EIT测量中电极直接与人体接触位于系统的最前端。在电极上发生的事件包括有用信息、噪声、伪差、接触阻抗、极化电压等都会作为信号进入后续电路被放大、传输参与信号处理过程影响图像重建结果。电极系统结构及其性能对于EIT前端信息的有效提取、系统适时性和图像分辨率的影响特别是对EIT检测灵敏度较差的中心区有用信息的提取影响非常大是整个EIT系统最为敏感和关键的部分之一也是EIT技术走向临床应用向实用化研究发展必须解决的问题。在电极材料和电极数确定后如何根据确定的应用目标和成像要求合适地选择电极结构参数是构建真实EIT系统时必须认真解决的问题。由于EIT成像区域多为圆形或球型一些重要的电极结构参数如电极宽度和电极间距还相互制约影响因素复杂给EIT系统电极结构参数优化设计带来了困难。1993年PingHua等采用有限元方法研究了电极接触阻抗的影响认为阵列电极总宽度为测量圆域周长的80%～90%时效果最好［4］。2002年王超等采用强制等势点有限元模型考虑激励电极和测量电极宽度的影响进行了仿真研究认为电极覆盖比率为57.1时效果最佳［5］。关于EIT电极结构及其参数选择虽然国内外学者的探索性研究取得了一些进展但至今还没有看到较全面、令人满意的结果。在实际EIT电极结构设计中往往仍采用经验数据。EIT的正问题和图像重建大都以点电极为基础。但在实际的EIT系统中电极不可能是一个点而是具有一定大小的面。电极面和被测对象接触电极区域将被强制为等电势从而改变场域的电场及其分布规律。激励电极和测量电极面积的大小会影响EIT检测灵敏度和图像重建质量。显然在进行EIT电极结构设计时应采用具有一定宽度的电极模型以使研究结果更加符合真实情况。本文将在线电极强制等势点模型的基础上建立了复合电极有限元模型提出了一种电极结构及参数优化设计方法并建立电极结构参数优化设计仿真研究平台。采用本文的方法和研究平台