计算物理 ›› 2022, Vol. 39 ›› Issue (6): 699-706.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8506
收稿日期:
2022-01-12
出版日期:
2022-11-25
发布日期:
2023-04-01
作者简介:
刘广东(1972-), 男, 博士, 教授, 研究方向为微波医学成像, E-mail: gdliu@njpi.edu.cn
Guangdong LIU1(), Kaiyin ZHANG2
Received:
2022-01-12
Online:
2022-11-25
Published:
2023-04-01
摘要:
基于一种单极德拜(Debye)经验模型, 尝试改进其中的一种多频乘性正则化对比源反演方法, 改进的主要思路是: 从直接反演电参数差异, 改进为间接反演4种频率无关的模型参数, 即光频相对介电常数、相对介电常数差、静态电导率和弛豫时间。两个数值算例的仿真结果初步证实了改进方法的可行性和鲁棒性。
刘广东, 张开银. 一种电色散媒质的改进对比源反演方法[J]. 计算物理, 2022, 39(6): 699-706.
Guangdong LIU, Kaiyin ZHANG. A Modified Contrast Source Inversion Method for Electrically Dispersive Media[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2022, 39(6): 699-706.
图2 单极Debye模型参数分布(a) ε∞真实值;(b) ε∞重建值;(c) Δε真实值;(d) Δε重建值;(e) σs真实值;(f) σs重建值;(g) τ真实值;(h) τ重建值
Fig.2 Distribution of single-pole Debye parameters (a) true ε∞; (b) reconstructed ε∞; (c) true Δε; (d) reconstructed Δε; (e) true σs; (f) reconstructed σs; (g) true τ; (h) reconstructed τ
图3 算例1迭代过程反演结果(ε∞、Δε、σs、τ)的归一化相对均方根误差
Fig.3 Normalized relative root mean squared errors of reconstructed results (ε∞, Δε, σs, and τ) versus the number of iterations in Example 1
ε∞ | Δε | σs/(S·m-1) | τ/ps | |
Maximum | 7.12 | 59.03 | 1.41 | 8.48 |
Group1-high | 8.97 | 44.61 | 0.83 | 10.85 |
Group1-median | 10.08 | 38.52 | 0.73 | 11.21 |
Group1-low | 10.04 | 26.48 | 0.46 | 10.93 |
Group3-high | 4.22 | 3.38 | 0.086 | 14.56 |
Group3-median | 3.23 | 1.57 | 0.037 | 15.10 |
Group3-low | 2.98 | 1.09 | 0.021 | 17.20 |
Minimum | 2.32 | 0.097 | 0.002 4 | 17.83 |
Skin (dry) | 6.97 | 32.03 | 0.75 | 8.68 |
Muscle | 11.90 | 41.62 | 0.83 | 9.04 |
表1 在0.5 ~ 20.0 GHz拟合的乳房模型各组织的单极Debye模型参数
Table 1 Parameters of breast tissues in a single-pole Debye model fitted from 0.5 to 20.0 GHz
ε∞ | Δε | σs/(S·m-1) | τ/ps | |
Maximum | 7.12 | 59.03 | 1.41 | 8.48 |
Group1-high | 8.97 | 44.61 | 0.83 | 10.85 |
Group1-median | 10.08 | 38.52 | 0.73 | 11.21 |
Group1-low | 10.04 | 26.48 | 0.46 | 10.93 |
Group3-high | 4.22 | 3.38 | 0.086 | 14.56 |
Group3-median | 3.23 | 1.57 | 0.037 | 15.10 |
Group3-low | 2.98 | 1.09 | 0.021 | 17.20 |
Minimum | 2.32 | 0.097 | 0.002 4 | 17.83 |
Skin (dry) | 6.97 | 32.03 | 0.75 | 8.68 |
Muscle | 11.90 | 41.62 | 0.83 | 9.04 |
图4 基于磁共振成像的二维癌变乳房各单极Debye模型参数的真实分布、最终重建分布、通过肿瘤中心抽取的沿x轴向分布(a)~(c) ε∞;(d)~(f) Δε;(g)~(i) σs;(j)~(l) τ
Fig.4 Ground truth, reconstructed results at the 100th iteration, and their distributions along the x axis through the center of the tumor (A MRI-based 2-D cancerous breast phantom with one tumor) (a)-(c) optical relative permittivity ε∞; (d)-(f) relative permittivity difference Δε; (g)-(i) static conductivity σs; (j)-(l) relaxation time τ, respectively
图5 算例2迭代过程反演结果(ε∞、Δε、σs、τ)的归一化相对均方根误差
Fig.5 Normalized relative root mean squared errors of reconstructed results (ε∞, Δε, σs, and τ) versus the number of iterations in Example 2
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[1] | 刘广东, 余广群, 范士民. 德拜色散媒质的三维时域电磁逆散射技术[J]. 计算物理, 2015, 32(4): 455-468. |
[2] | 杨峰, 聂在平. 利用感应测量信息快速反演地层电导率[J]. 计算物理, 2000, 17(S1): 89-94. |
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