基于参数解调方法的ECT技术探究

张军

山东省菏泽市立医院核医学科，山东菏泽 274016

基于参数解调方法的ECT技术探究

张军

山东省菏泽市立医院核医学科，山东菏泽 274016

电容层析成像技术（Electrical Capacitance Tomography,ECT）属于一种新型的过程层析成像技术，这种技术是在20世纪80年代由医学中的CT技术为基础发展而成。ECT技术通过在被测管道周边均匀排列电容传感器而检测电容，进而利用检测到的电容中所包含的投影信息，利用图像算法重新构建内部的介质分布图像。参数解调是一种新型的信号解调方法，在仿真实验以及图像重建中具有计算量小、解调精度高等优点。该次研究主要针对参数解调方法在ECT技术中的应用进行探究。

电容层析成像；参数解调；图像重建

电容层析成像技术作为一种新型的过程成像技术，在检测过程中聚会有非侵入、响应迅速、成本低一级可视化等优点。一般多相流中的各相介质都具有不同的介电常数，而ECT技术就是通过电容敏感机理，借助电极电容的敏感变化，将被检测的物体中的多相介质分布反映出来[1]。在整个过程中中，提取电容信息以及数据的信息的采集与分析是其中的关键性技术，一般在对电容信息进行解调的过程中采用的是模拟解调以及数字解调来完成。参数解调是一种新型的解调方法，这种方法能够将延伸型普朗尼参数识别技术应用到ECT技术中，进而通过建模，用曲线拟合最小二乘法将参数计算出来，最终实现数据参数解调[2]。

1 ECT系统的组成

ECT系统中的主要组成部分包括阵列式电机电容敏感系统、数据采集与处理部分像重建与分析部分阵列式电极电容敏感系统中主要是由一系列的电极组成，在数据采集与处理部分主要有DSP与FPGA两大主要元件，其中包含了数据采集卡、通道切换单元等，另外在图像的重建与分析部分中，主要是通过图像重建算法来重新构建介质的分布图像，ECT系统的组成如下图1所示[3]。

图1 ECT系统的结构组成

2 电容检测技术

在ECT技术中，电极之间的固定电容值比较小，微小电容的检测技术成了ECT技术中的一项关键技术，目前在微小电容检测过程中一般是采用交流桥技术来完成，如下图2所示，Cx属于电极板构成的电容，Cs1与Cs2属于电极两端的杂散电容。Cs1是与正弦电压发生器连接在一起，不会与Cx的测量产生影响，Cx2与Cx连接在了一起，但Cx2接地且与运算放大器的反向端连在了一起，如果将运算放大器的反向端调为虚地状态，则流过Cx2的电流接近于零，因此也并不会对Cx是电容测量产生影响[4]。一般输出电压是

将输出型号交由编程放大器来放大，最后通过解调技术将其中的有用信号提取出来而获取电容信息。

3 ECT技术中的信号处理

3.1 数字滤波

在信号处理过程中，一般先将输出的数字信号用滤波器进行数字滤波，将其中的目标信号提取出来，再进行相应的参数解调。在数字滤波过程中，主要是采用FIR滤波器，这种滤波器的线性相位都比较标准，且结构也比较稳定，一般可以采用海明窗函数来设计FIR数字滤波器，海明窗函数可以让主瓣宽度尽量窄，同时可以限制旁瓣的宽度，过渡带宽一般为8 πM，精确过渡带宽是6.6 π/M，其最小的阻带衰减是53 dB，其函数为[5]：

3.2 参数调解

参数调解是整个ECT系统中最重要的技术之一，参数调解属于ECT系统中信号处理部分，在参数调解过程中主要分为模拟调解、数字调解以及参数解调3种解调方法。参数解调方法是新出现的一种信号解调方法，这种方法主要是在延伸型普朗尼参数辨识的基础上所建立的。参数解调方法在信号解调过程中，一般需要先构建一个具备衰减复合指数以及周期信号，进而比较其模型值与实验值，从中找出模型的信号参数。参数解调方法中的延伸型普朗尼参数主要是通过采集N各数据，然后建造出一个模型，并且设立P为任意一个相位、频率、幅值或者是阻尼系数的指数，但N要大于2P[6]。在构造模型是可以采用利用离散时间函数：

在整个参数解调过程中，可以选择3个指数作为实现信号的解调，其中2个指数可以根据正弦波所产生的频率来定，在引入第3个指数时，需要考虑残留偏置的信号。参数解调作为一种新的解调方法，之所以能够在短时间内被ECT技术系统所应用，主要就是因为在参数解调中能够将ECT系统中的所有频率电容信息进行提取，并全部在一次建模中完成，提取的内容中包含了幅值以及相位两个部分的内容，这样就能够在图像重建的过程中加入更多的有效数据，从而使得图像空间的分辨率更高，最终检测出的介质图像也就会更加清晰，质量更高。

4 实验分析

ECT技术是从医学CT技术的基础上发展起来的，因此这种技术也是医学检测中的一种重要的检测技术。比如在中药提取过程中，由于整个过程都处于封闭的[7]容器中进行，常规的探测方法很难探测到药材的内部饱和度、颗粒的大小、流量以及流型分布等，但是通过ECT技术则能够探测出密闭容器中的各种参数，如果与其它类型的测量仪表灯配合，还能够将密闭容器中的流速参数也探测出来，进而将各种参数与影响反馈到主控装置中，这样就能够大大提升中药提取效率与质量。

针对参数解调的ECT技术效果，该次实验采用了有机玻璃制成的圆柱筒，圆柱筒的高度为500 mm，外径为130 mm，内径为120 mm，外部的屏蔽罩直径是196 mm。在阵列电极电容系统的过程中，采用的是12铜电极，轴长为100 mm，电极的张角θ是26°，电极的宽度是35 mm，在径向屏蔽电极插入时的深度是2 mm。在探测过程中，主要是通过计算机控制所有的电极，针对每一路的电极开关，一般是先打通一路电极作为激励电极，并将其它电极进行虚地测量状态，从中获取电容信号。

在静态模拟实验中，主要是采用简单线性反投影算法来进行，信号的调节方法主要采用参数解调方法，同时也采用了模拟解调来比较不同解调方法所检测出的影响质量。实验检测前在管中的不同位置放入聚乙烯粒子，从而模拟出环状流以及层状流，进而分析参数解调的ECT成像质量[8]。

通过ECT技术进行探测后发现，采用参数解调方法的ECT系统所探测出的影像质量要比其它解调方法好，相比与模拟解调方法所得到的图像质量要更清晰，层次更加的分明，成像的结果如下图2所示，通过参数解调技术所得到的ECT系统影像，完全能够在医学探测中进行应用，为医学技术的发展提供帮助。

图2 层状流与环状流的实验成像图

5 结语

ECT技术作为一种先进的层析成像技术，在医学领域中如果能够得到有效的应用，可以为医学行业的发展提供很多助力。通过本次的研究可以发现，ECT技术主要是通过采集电极电容的信息，继而进行信息数据转换以及信息解调重建介质构成影像，能够将封闭空间中的物质在不介入的情况下进行探测，同时参数解调作为一种新型的解调方法，在ECT系统中应用能够得到良好的效果，因此建议在ECT技术探测中可以采用参数解调方法来分析数据信息，提升ECT技术的成像效果。

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1672-5654（2017）06（a）-0062-02

10.16659/j.cnki.1672-5654.2017.16.062

2017-03-11）

张军（1979-），男，山东菏泽人，本科，主治医师，研究方向:医学影像学。