Modelling Errors in Electrical Impedance Tomography, Dissertations in Forestry and Natural Sciences 32

Uuden laskennallisen menetelmän avulla parempia impedanssitomografiakuvia teollisuuden ja lääketieteen sovelluksissa\n\nVäitös fysiikan alalta \n\nVäittelijä FM Antti Nissinen \n\nVäitösaika ja -paikka pe 3.6.2011 klo 12.00, L22, Snellmania, Kuopion kampus \n\nYksi suurimmista haasteista impedanssitomografian käytännön sovelluksissa on kuvan rekonstruktio-ongelman herkkyys mittaus- ja mallinnusvirheille. Mittausvirheiden huomioiminen laskennassa on ollut tunnettua jo pitempään, mutta teoria mallinnusvirheiden huomioimiseksi on julkaistu vasta muutama vuosi sitten. Tässä väitöskirjatyössä mallinnusvirheteoriaa sovelletaan useisiin keskeisiin mallinnusvirheisiin impedanssitomografiassa. Väitöskirjassa esitettävät tulokset perustuvat simuloituihin ja laboratoriomittauksiin. Väitöskirjan tuloksista havaitaan, että käsiteltyjen mallinnusvirheiden aiheuttamat virheet tomografiakuvissa voidaan kompensoida tehokkaasti soveltamalla mallinnusvirheteoriaa. Lisäksi laskenta-aikaa voidaan monissa tapauksissa lyhentää huomattavasti, koska kuvan laskennassa voidaan käyttää epätarkkoja, mutta laskennallisesti nopeampia matemaattisia malleja. \n\nImpedanssitomografia on kuvantamismenetelmä, jossa ratkaistaan kohteen johtavuusjakauma kohteen pinnalta tehtyjen sähköisten mittausten perusteella. Impedanssitomografiassa kohteeseen syötetään virtaa kohteen pinnalle kiinnitetyiltä elektrodeilta ja jännitteet mitataan kaikilta elektrodeilta. Johtavuusjakauma lasketaan mitattujen jännitteiden ja tunnettujen virtojen perusteella. Impedanssitomografian sovelluskohteita teollisuudessa ovat esimerkiksi teollisten virtaus- ja sekoitusprosessien seuranta ja säätö. Tyypillisiä sovelluksia lääketieteessä ovat rintasyövän tunnistaminen, aivoverenvuodon ja aivoveritulpan diagnosointi ja tekohengityspotilaiden keuhkojen monitorointi. \n\nImpedanssitomografiassa kuvan laskenta johtaa tyypillisesti optimointiongelmaan, jossa matemaattisen mallin avulla lasketut jännitteet sovitetaan mitattuihin jännitteisiin. Kuten aiemmin on mainittu, tämä optimointiongelma on erityisen herkkä mittaus- ja mallinnusvirheille. Mittausvirheitä ovat esimerkiksi sähköisestä kohinasta aiheutuvat virheet mitattuihin jännitteisiin. Jännitteiden laskentaa varten tarvitaan matemaattinen malli, joka kuvaa sähkövirran käyttäytymistä väliaineessa. Mallinnusvirheillä tarkoitetaan matemaattisen mallin yksinkertaistuksista ja huonosti tunnetuista parametreista aiheutuvia virheitä. \n\nVäitöskirjassa tarkasteltiin seuraavia mallinnusvirheitä: diskretointivirheitä, osittain tuntemattomasta geometriasta aiheutuvia virheitä, laskenta-alueen katkaisemisesta aiheutuvia virheitä ja matemaattisessa mallissa olevien tuntemattomien parametrien aiheuttamia virheitä. Matemaattisen mallin ratkaisemisessa ei usein voida käyttää tarpeeksi tiheää diskretointia, koska laskenta on suoritettava rajatussa ajassa. Samasta syystä laskenta-alue joudutaan usein katkaisemaan. Tässä väitöskirjassa huonosti tunnetuilla parametreilla tarkoitetaan elektrodien ja kohteen välisiä kontakti-impedansseja ja rintakehän muodon parametreja. Kontakti-impedanssi elektrodien ja kohteen välillä on usein tuntematon ja se voi olla myös ajasta riippuva. Esimerkiksi teollisissa sovelluksissa elektrodien likaantuminen voi muuttaa kontakti-impedanssin arvoa. Todellista rintakehän muotoa ei tunneta monissa rintakehän kuvantamistilanteissa, joten siksi joudutaan käyttämään approksimatiivista mallia rintakehän muodolle. Approksimatiivisesta mallista aiheutuvat virheet huomioitiin mallinnusvirheteorian avulla. Lisäksi väitöstyössä esitetään menetelmä, jonka avulla rintakehän muoto voidaan estimoida impedanssitomografia mittauksista. \n\nVäitöskirjatyön tuloksista havaitaan, että kaikkien edellä mainittujen mallinnusvirheiden ja epävarmuuksien aiheuttamat virheet voidaan kompensoida tehokkaasti käyttämällä mallinnusvirheteoriaa. Mallinnusvirheteoria mahdollistaa redusoitujen matemaattisten mallien käyttämisen kuvan laadun heikkenemättä. Tällöin laskenta-aika on myös huomattavasti lyhyempi kuin perinteisillä menetelmillä. \n\nFilosofian maisteri Antti Nissisen väitöskirja Modelling Errors in Electrical Impedance Tomography (Mallinnusvirheet Impedanssitomografiassa) tarkastetaan Itä-Suomen yliopiston Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa. Vastaväittäjänä on professori Samuli Siltanen Helsingin yliopistosta ja kustoksena professori Marko Vauhkonen Itä-Suomen yliopistosta. \n\nVäittelijän painokelpoinen kuva löytyy osoitteesta: http://www.uef.fi/vaitoskuvat\n\nLisätietoja: Antti Nissinen, p. 040 741 9102, antti.nissinen@uef.fi \n

ISBN-10:
978-952-61-0427-0
Kieli:
eng
Sivumäärä:
60 s.
Tekijät:
Nissinen Antti (diss)
Tuotekoodi 020711
25,25 €