基于參數解調方法的ECT技術探究

張軍

山東省菏澤市立醫(yī)院核醫(yī)學科，山東菏澤 274016

基于參數解調方法的ECT技術探究

張軍

山東省菏澤市立醫(yī)院核醫(yī)學科，山東菏澤 274016

電容層析成像技術（Electrical Capacitance Tomography,ECT）屬于一種新型的過程層析成像技術，這種技術是在20世紀80年代由醫(yī)學中的CT技術為基礎發(fā)展而成。ECT技術通過在被測管道周邊均勻排列電容傳感器而檢測電容，進而利用檢測到的電容中所包含的投影信息，利用圖像算法重新構建內部的介質分布圖像。參數解調是一種新型的信號解調方法，在仿真實驗以及圖像重建中具有計算量小、解調精度高等優(yōu)點。該次研究主要針對參數解調方法在ECT技術中的應用進行探究。

電容層析成像；參數解調；圖像重建

電容層析成像技術作為一種新型的過程成像技術，在檢測過程中聚會有非侵入、響應迅速、成本低一級可視化等優(yōu)點。一般多相流中的各相介質都具有不同的介電常數，而ECT技術就是通過電容敏感機理，借助電極電容的敏感變化，將被檢測的物體中的多相介質分布反映出來[1]。在整個過程中中，提取電容信息以及數據的信息的采集與分析是其中的關鍵性技術，一般在對電容信息進行解調的過程中采用的是模擬解調以及數字解調來完成。參數解調是一種新型的解調方法，這種方法能夠將延伸型普朗尼參數識別技術應用到ECT技術中，進而通過建模，用曲線擬合最小二乘法將參數計算出來，最終實現數據參數解調[2]。

1 ECT系統(tǒng)的組成

ECT系統(tǒng)中的主要組成部分包括陣列式電機電容敏感系統(tǒng)、數據采集與處理部分像重建與分析部分陣列式電極電容敏感系統(tǒng)中主要是由一系列的電極組成，在數據采集與處理部分主要有DSP與FPGA兩大主要元件，其中包含了數據采集卡、通道切換單元等，另外在圖像的重建與分析部分中，主要是通過圖像重建算法來重新構建介質的分布圖像，ECT系統(tǒng)的組成如下圖1所示[3]。

圖1 ECT系統(tǒng)的結構組成

2 電容檢測技術

在ECT技術中，電極之間的固定電容值比較小，微小電容的檢測技術成了ECT技術中的一項關鍵技術，目前在微小電容檢測過程中一般是采用交流橋技術來完成，如下圖2所示，Cx屬于電極板構成的電容，Cs1與Cs2屬于電極兩端的雜散電容。Cs1是與正弦電壓發(fā)生器連接在一起，不會與Cx的測量產生影響，Cx2與Cx連接在了一起，但Cx2接地且與運算放大器的反向端連在了一起，如果將運算放大器的反向端調為虛地狀態(tài)，則流過Cx2的電流接近于零，因此也并不會對Cx是電容測量產生影響[4]。一般輸出電壓是

將輸出型號交由編程放大器來放大，最后通過解調技術將其中的有用信號提取出來而獲取電容信息。

3 ECT技術中的信號處理

3.1 數字濾波

在信號處理過程中，一般先將輸出的數字信號用濾波器進行數字濾波，將其中的目標信號提取出來，再進行相應的參數解調。在數字濾波過程中，主要是采用FIR濾波器，這種濾波器的線性相位都比較標準，且結構也比較穩(wěn)定，一般可以采用海明窗函數來設計FIR數字濾波器，海明窗函數可以讓主瓣寬度盡量窄，同時可以限制旁瓣的寬度，過渡帶寬一般為8 πM，精確過渡帶寬是6.6 π/M，其最小的阻帶衰減是53 dB，其函數為[5]：

3.2 參數調解

參數調解是整個ECT系統(tǒng)中最重要的技術之一，參數調解屬于ECT系統(tǒng)中信號處理部分，在參數調解過程中主要分為模擬調解、數字調解以及參數解調3種解調方法。參數解調方法是新出現的一種信號解調方法，這種方法主要是在延伸型普朗尼參數辨識的基礎上所建立的。參數解調方法在信號解調過程中，一般需要先構建一個具備衰減復合指數以及周期信號，進而比較其模型值與實驗值，從中找出模型的信號參數。參數解調方法中的延伸型普朗尼參數主要是通過采集N各數據，然后建造出一個模型，并且設立P為任意一個相位、頻率、幅值或者是阻尼系數的指數，但N要大于2P[6]。在構造模型是可以采用利用離散時間函數：

在整個參數解調過程中，可以選擇3個指數作為實現信號的解調，其中2個指數可以根據正弦波所產生的頻率來定，在引入第3個指數時，需要考慮殘留偏置的信號。參數解調作為一種新的解調方法，之所以能夠在短時間內被ECT技術系統(tǒng)所應用，主要就是因為在參數解調中能夠將ECT系統(tǒng)中的所有頻率電容信息進行提取，并全部在一次建模中完成，提取的內容中包含了幅值以及相位兩個部分的內容，這樣就能夠在圖像重建的過程中加入更多的有效數據，從而使得圖像空間的分辨率更高，最終檢測出的介質圖像也就會更加清晰，質量更高。

4 實驗分析

ECT技術是從醫(yī)學CT技術的基礎上發(fā)展起來的，因此這種技術也是醫(yī)學檢測中的一種重要的檢測技術。比如在中藥提取過程中，由于整個過程都處于封閉的[7]容器中進行，常規(guī)的探測方法很難探測到藥材的內部飽和度、顆粒的大小、流量以及流型分布等，但是通過ECT技術則能夠探測出密閉容器中的各種參數，如果與其它類型的測量儀表燈配合，還能夠將密閉容器中的流速參數也探測出來，進而將各種參數與影響反饋到主控裝置中，這樣就能夠大大提升中藥提取效率與質量。

針對參數解調的ECT技術效果，該次實驗采用了有機玻璃制成的圓柱筒，圓柱筒的高度為500 mm，外徑為130 mm，內徑為120 mm，外部的屏蔽罩直徑是196 mm。在陣列電極電容系統(tǒng)的過程中，采用的是12銅電極，軸長為100 mm，電極的張角θ是26°，電極的寬度是35 mm，在徑向屏蔽電極插入時的深度是2 mm。在探測過程中，主要是通過計算機控制所有的電極，針對每一路的電極開關，一般是先打通一路電極作為激勵電極，并將其它電極進行虛地測量狀態(tài)，從中獲取電容信號。

在靜態(tài)模擬實驗中，主要是采用簡單線性反投影算法來進行，信號的調節(jié)方法主要采用參數解調方法，同時也采用了模擬解調來比較不同解調方法所檢測出的影響質量。實驗檢測前在管中的不同位置放入聚乙烯粒子，從而模擬出環(huán)狀流以及層狀流，進而分析參數解調的ECT成像質量[8]。

通過ECT技術進行探測后發(fā)現，采用參數解調方法的ECT系統(tǒng)所探測出的影像質量要比其它解調方法好，相比與模擬解調方法所得到的圖像質量要更清晰，層次更加的分明，成像的結果如下圖2所示，通過參數解調技術所得到的ECT系統(tǒng)影像，完全能夠在醫(yī)學探測中進行應用，為醫(yī)學技術的發(fā)展提供幫助。

圖2 層狀流與環(huán)狀流的實驗成像圖

5 結語

ECT技術作為一種先進的層析成像技術，在醫(yī)學領域中如果能夠得到有效的應用，可以為醫(yī)學行業(yè)的發(fā)展提供很多助力。通過本次的研究可以發(fā)現，ECT技術主要是通過采集電極電容的信息，繼而進行信息數據轉換以及信息解調重建介質構成影像，能夠將封閉空間中的物質在不介入的情況下進行探測，同時參數解調作為一種新型的解調方法，在ECT系統(tǒng)中應用能夠得到良好的效果，因此建議在ECT技術探測中可以采用參數解調方法來分析數據信息，提升ECT技術的成像效果。

[1]馬敏,韓路軍,侯敏,等.電容層析成像系統(tǒng)中的數字相敏解調技術[J].測控技術，2012(9)：55-57.

[2]張水鋒,王立世,黨志,等.方波激發(fā)非接觸式電導檢測器信噪比的影響因素研究[J].分析試驗室，2013(2):88-89.

[3]陳超,葛臨東.基于變長接收窗的新型OFDM解調方法[J].信息工程大學學報，2014(3):332-333.

[4]王化祥,汪婧,胡理,等.ERT/ECT雙模態(tài)敏感陣列電極優(yōu)化設計[J].天津大學學報，2012(8):22-23.

[5]張立峰,王化祥,崔自強.數字化電容層析成像系統(tǒng)設計[J].電子質量，2015(4):66-67.

[6]張雪輝,王化祥.電容層析成像系統(tǒng)中的相敏解調[J].微計算機信息，2013(20):99-101.

[7]YANG WQ.New AC-based capacitance tomographysystem[J].IEE Proc.-Sci.Meas.Technol,2012(1):47-53.

[8]彭珍瑞,祁文哲,吳刊選,等.電容層析成像技術的近期研究進展[J].自動化儀表，2008(9):211-212.

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1672-5654（2017）06（a）-0062-02

10.16659/j.cnki.1672-5654.2017.16.062

2017-03-11）

張軍（1979-），男，山東菏澤人，本科，主治醫(yī)師，研究方向:醫(yī)學影像學。