Дифференциальные измерения в электрополевой томографии: проверка концепции с помощью численного моделирования

Аннотация

Электрополевая томография (ЭПТ) - метод электромагнитной квазистатической томографии, с помощью которого можно бесконтактно получать информацию о пространственном распределении электрических свойств исследуемого объекта, зондируя его переменным электрическим полем. Проблемой при реализации ЭПТ является выделение полезного сигнала (сдвига фазы), обусловленного релаксацией Максвелла-Вагнера в исследуемом объекте, из суммарного измеряемого изменения фазы сигнала. Наибольший вклад в погрешность измерений в униполярных ЭПТ системах, предложенных ранее, вносят вариации электрической емкости измерительных электродов и самого исследуемого объекта относительно общей цепи системы. Целью настоящей работы является демонстрация потенциальной реализуемости ЭПТ системы с дифференциальными возбуждением и регистрацией поля, позволяющими существенно уменьшить влияние таких погрешностей и прочих помех на результаты измерений. Методом численного моделирования продемонстрирована локализация зоны чувствительности дифференциальных измерений вблизи эквипотенциальной линии электрического поля. Это дает возможность использовать известные методы решения обратной задачи квазистатической томографии, в частности, метод свертки и обратной проекции вдоль линий максимальной чувствительности. Оказалось, что для реконструирования изображений при дифференциальной ЭПТ могут быть использованы как фазовые, так и амплитудные измерения.

• квазистатическая электромагнитная томография
• электрическое поле
• визуализация
• конечные разности во временной области
• quasistatic electromagnetic tomography
• electric field
• visualization
• finite differences in the time domain

Abstract (in English)

Electric Field Tomography (EFT) is a method of electromagnetic quasistatic tomography enabling contactless obtaining of information about the spatial distribution of the electrical properties of the object under study, probing it with a variable electric field. The problem with the implementation of EFT is the extraction of the useful signal (phase shift) related with Maxwell-Wagner relaxation in the object under study from the total measured change in the phase of the signal. The largest contribution to the measurement error in the unipolar EFT systems proposed earlier is made by the variations in the electrical capacitance of the measuring electrodes and the object under study relative to the common circuit of the system. The objective of this work is to demonstrate the feasibility of EFT system with differential excitation and field detection, which can significantly reduce the effect of such errors and other interference on the measurement results. The method of numerical simulation demonstrates the localization of the sensitivity zone of differential measurements near the equipotential line of the electric field. This makes it possible to use known methods for solving the inverse problem of quasistatic tomography, in particular, the method of convolution and back projection along the lines of maximum sensitivity. It turned out that both phase and amplitude measurements can be used to reconstruct images in the differential EFT.

Для цитирования

Литература

1. А.В. Корженевский. Бесконтактная томография электропроводящих сред квазистатическим переменным электрическим полем. Радиотехника и электроника, 2004, Т. 49, № 6, с. 761-766
2. A.V. Korjenevsky. Maxwell-Wagner relaxation in electrical imaging. Physiol. Meas., 2005, Vol. 26, No. 2, pp. S101-S110
3. A.V. Korjenevsky. Electric field tomography for contactless imaging of resistivity in biomedical applications. Physiol. Meas., 2004, Vol. 25, No. 1, pp 391-401
4. A.V. Korjenevsky and T.S. Tuykin. Experimental demonstration of electric field tomography. Physiol. Meas., 2010, Vol. 31, pp. S127-S134
5. Ю.В. Гуляев, А.В. Корженевский, Т.С. Туйкин, В.А. Черепенин. Визуализация электропроводящих сред методом электрополевой томографии. Радиотехника и электроника, 2010, Т. 55, № 9, с. 1132-1139
6. A.V. Korjenevsky and T.S. Tuykin. Phase measurement for electric field tomography. Physiol. Meas., 2008, Vol. 29, pp. S151-S161
7. K.S. Yee. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations in isotropic media. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1966, Vol. AP-14, No. 3, pp. 302-307.
8. Решение уравнений Максвелла методом FDTD [электронный ресурс]. Сайт Александра Зеленина. Режим доступа http://zfdtd.narod.ru
9. А.В. Корженевский, В.Н. Корниенко, М.Ю. Культиасов, Ю.С. Культиасов, В.А. Черепенин. Электроимпедансный компьютерный томограф для медицинских приложений. Приборы и техника эксперимента, 1997, № 3, с. 133-140
10. A.V. Korjenevsky and T.S. Tuykin. Electric field tomography: setup for single-channel measurements. Physiol. Meas., 2007, Vol. 28, pp. S279-S289