面向生物组织的EMT传感器特性研究

作     者：周旭 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：狄长安;费凡

授予年度：2016年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：电磁层析成像 传感器特性 COMSOL 耦合 

摘      要：电磁层析成像(Electromagnetic Tomography, EMT)传感器特性研究对于应用于生物医学成像,检测生物组织不同生理状态下电导率变化,提高电磁层析成像系统灵敏度与精度有着重要的意义。基于此本文展开电磁层析成像传感器特性研究。研究了激励传感器特性,建立了传感器参数与RLC的理论模型,推导了电容的求解方程,运用COMSOL多物场耦合有限元分析软件,得到了传感器的参数包括(匝数、半径、导线线径)与RLC的关系曲线;研究了传感器参数对空间磁场分布的影响,利用matlab软件分析了传感器产生的磁场梯度;对传感器中通入的交变电流的幅值和频率在生物组织内产生的涡流进行了分析,并与生物组织的安全涡流进行了对比;基于响应面方法对传感器的参数进行了优化设计。对检测传感器的电路模型进行了分析,求解出系统的传递函数,提出通过为传感器添加匹配电阻的方法提高检测传感器的谐振频率,并推导了匹配电阻与传感器各参数之间的计算公式,并用matlab仿真了不同匹配电阻下,系统的响应;基于激励传感器与检测传感器的耦合模型,分析了检测传感器参数对互感的影响;并对检测传感器的灵敏度进行了分析。推导了生物组织涡流分布的数学模型,基于此数学模型运用COMSOL仿真软件建模,计算了生物组织内部的涡流分布云图;分析了生物组织的电导率、磁导率、相对介电常数、空间位置、形状对激励传感器产生的磁场影响以及对检测传感器的输出影响;计算了系统的灵敏度矩阵,仿真分析了激励、检测传感器半径匹配对信载比的影响。制作了不同规格的激励、检测线圈传感器,验证了优化后的激励线圈磁场强度和磁场梯度的分布特性,验证了检测线圈加入匹配电阻后的输出特性,并对激励传感器与检测传感器的匹配性能进行了实验验证;通过不同电导率的NaCl溶液模拟颅脑组织进行了实验研究,结果表明优化后的线圈可以识别盐溶液浓度的微小变化;并对实验中可能出现的误差进行了分析,主要包括传感器的位置误差和屏蔽层参数对系统输出的影响,最后在COMSOL中仿真设计了屏蔽层参数。