Система вимірювання та обробки електричної провідності біологічних тканин методом імпедансної томографії

Abstract

Кваліфікаційна робота присвячена теоретичному обгрунтуванню та опису системи вимірювання і обробки електричної провідності біологічних тканин методом імпедансної томографії. Розроблено математичну модель прямої задачі електроімпедансної томографії (ЕІТ) для двовимірної геометрії з 16 електродами на основі методу скінченних елементів з повною моделлю електродів (CEM). Теоретично обгрунтовано гібридний алгоритм реконструкції розподілу провідності, що поєднує регуляризовану зворотну проекцію (метод Тихонова) з ітераційним уточненням методом ГауссаНьютона. Описано структурну схему та принцип роботи апаратної частини системи на базі мікроконтролера STM32F407VGT6, що включає DDSгенератор зондуючого струму (50 кГц, 1 мА), матрицю комутації 16 електродів, вимірювальний канал з інструментальним підсилювачем INA128 та цифровий синхронний детектор. Розроблено опис програмного забезпечення для персонального комп'ютера (Python 3.10, NumPy, SciPy, Matplotlib) для реконструкції та візуалізації розподілу провідності. Проведено теоретичну оцінку метрологічних характеристик системи: динамічний діапазон ≥ 80 дБ, просторова роздільна здатність ≤ 15 % від діаметру об'єкта, частота кадрів ≥ 5 Гц.

The qualification thesis is devoted to the theoretical justification and description of a system for measuring and processing the electrical conductivity of biological tissues by the method of impedance tomography. A mathematical model of the forward problem of electrical impedance tomography (EIT) has been developed for a two-dimensional geometry with 16 electrodes based on the finite element method with the Complete Electrode Model (CEM). A hybrid reconstruction algorithm has been theoretically justified, combining regularized back-projection (Tikhonov regularization) with iterative refinement using the Gauss-Newton method. The structural scheme and operating principle of the hardware part based on the STM32F407VGT6 microcontroller have been described, including a DDS current source generator (50 kHz, 1 mA), a 16-electrode switching matrix, a measurement channel with the INA128 instrumentation amplifier, and a digital lock-in detector. The description of the software for a personal computer (Python 3.10, NumPy, SciPy, Matplotlib) for reconstruction and visualization of the conductivity distribution has been developed. A theoretical evaluation of the metrological characteristics of the system has been carried out: dynamic range ≥ 80 dB, spatial resolution ≤ 15% of the object diameter, frame rate ≥ 5 Hz.