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전기 임피던스 단층촬영법에서 빠른 반복적 가우스-뉴턴 방법을 이용한 온라인 영상 복원
Online Image Reconstruction Using Fast Iterative Gauss-Newton Method in Electrical Impedance Tomography 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.54 no.4 = no.473, 2017년, pp.83 - 90  

김창일 (한국승강기대학교 승강기공학부) ,  김봉석 (한국승강기대학교 승강기공학부) ,  김경연 (제주대학교 전자공학과)

초록
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전기 임피던스 단층촬영법은 전극을 통해 주입된 전류와 측정된 전압을 기반으로, 내부 도전율 분포를 복원하는 기술로, 비교적 새로운 비파괴 영상 복원 기법이다. 본 논문에서는 이원 혼합물 유동 응용분야에서 온라인으로 적용시킬 수 있도록, 역문제의 계산시간을 줄일 뿐만 아니라 공간 해상도도 함께 향상시킬 수 있는 역문제 해법인 빠른 반복적 가우스-뉴턴 방법을 제안하였다. 제안한 방법의 영상 복원성능을 평가하기 위해 모의실험을 수행하고 그 결과를 비교분석하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Electrical impedance tomography is a relatively new nondestructive imaging modality in which the internal conductivity distribution is reconstructed based on the injected currents and measured voltages through electrodes placed on the surface of a domain. In this paper, a fast iterative Gauss-Newton...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그리고 제안한 방법을 보다 효율적이면서 복원성능을 극대화시키기 위해서는 최적의 조정인자가 필요하다. 그러므로 앞으로 제안한 방법에 최적의 조정인자를 찾는 알고리즘을 접목시키는 연구를 계속 진행하고자 한다.
  • 따라서 본 논문에서는 공간 해상도와 역문제의 계산 시간을 함께 향상시킬 수 있는 빠른 역문제 해법을 제안하고자 한다
  • 따라서 본 논문에서는 이원 혼합물 유동 응용분야에서 온라인으로 적용시킬 수 있도록, 역문제의 계산시간을 줄일 뿐만 아니라 공간 해상도도 함께 향상시킬 수 있는 역문제 해법인 빠른 iGN 방법을 제안하고자 한다. iGN 방법에 일반적 Tikhonov 조정을 적용하고 일반 조정 행렬을 역행렬 항목에서 분리시킨다.
  • 본 논문에서는 이원 혼합물 유동 응용분야에서 온라인으로 도전율 분포를 추정하는데 적용 가능한 역문제 해법을 제안하였다. 먼저 기존의 반복적 가우스-뉴턴 방법에서 일반 조정 행렬을 역행렬 항목에서 분리시키고 나서, 그 역행렬 항목의 차원을 원소의 개수 대신에 데이터의 개수로 변환하였다.

가설 설정

  • 더불어, 배경의 도전율은 85×10-6 S/cm이고 기포의도전율은 3×10-17 S/cm로, 각각 수돗물과 공기의 도전율 값과 유사하다고 가정하였다.
  • 정문제의 해를 구하기 위해서 유한요소법을 사용하였다. 도메인을 유한개의 작은 삼각형 원소로 세분화하고 각 원소내의 도전율 값은 일정하다고 가정한다. 그리고 몇 단계를 거치면 정문제 해법인 다음의 선형방정식을 얻을 수 있다[10]
  • 제안한 역문제 해법의 성능을 검증하기 위해 다음과같이 세 가지 시나리오를 가정하였다. 첫 번째는 기포하나가 도메인 중앙에 위치한 경우이고, 두 번째는 기포 두 개가 도메인 하단부에 위치하는 경우이며, 세 번째는 크기가 유사한 기포 다섯 개가 도메인에 퍼져있는 경우이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전기 임피던스 단층촬영법이란? 전기 임피던스 단층촬영법은 전극을 통해 주입된 전류와 측정된 전압을 기반으로, 내부 도전율 분포를 복원하는 기술로, 비교적 새로운 비파괴 영상 복원 기법이다. 본 논문에서는 이원 혼합물 유동 응용분야에서 온라인으로 적용시킬 수 있도록, 역문제의 계산시간을 줄일 뿐만 아니라 공간 해상도도 함께 향상시킬 수 있는 역문제 해법인 빠른 반복적 가우스-뉴턴 방법을 제안하였다.
EIT은 내부 도전율 분포를 어떻게 영상으로 복원하는가? EIT는 관심 도메인 내부의 전기적 특성을 복원하는 비침투식 영상 기법이다. 즉, 경계면에 부착된 전극들을 통해 전류를 인가한 후, 측정되는 전압을 기반으로 내부 도전율 분포를 추정하고 영상으로 복원한다[2~3].
전기 임피던스 단층촬영법의 장점은 무엇인가? 전기 임피던스 단층촬영법(EIT)은 비파괴 단층촬영 영상 기법들 중의 하나로서, 저비용과 높은 순간 해상도 등을 자랑한다. 이런 특징들 덕분에, EIT는 빠른 천이과정의 이상 유동(two-phase flow)을 모니터링하기에 적합하다[1].
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참고문헌 (14)

  1. O. C. Jones, J. T. Lin, L. Ovacik and H. Shu, "Impedance imaging relative to gas-liquid systems," Nucl. Eng. Des., Vol. 141, pp. 159-176, June 1993. 

  2. J. G. Webster, Electrical Impedance Tomography, Adam Hilger, 1990. 

  3. D. S. Holder, Electrical Impedance Tomography: Methods, History and Applications, IOP Publishing, 2005. 

  4. M. Cheney, D. Isaacson, J. C. Newell, S. Simske and J. Goble, "NOSER: An algorithm for solving the inverse conductivity problem," Int. J. Imaging Syst. Technol., Vol. 2, pp. 66-75, June 1990. 

  5. D. C. Barber and B. H. Brown, "Progress in electrical impedance tomography," ed. D. Colton, R. Ewing and W. Rundell, Inverse Problems in Partial Differential Equations, SIAM, Chapter 10, pp. 151-164, 1990. 

  6. T. J. Yorkey, J. G. Webster and W. J. Tompkins, "Comparing reconstruction algorithms for electrical impedance tomography," IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. 34, pp. 843-852, November 1987. 

  7. B. Zhao, H. Wang, X. Chen, C. Shi and W. Yang, "Linearized solution to electrical impedance tomography based on the Schur conjugate gradient method," Meas. Sci. Technol., Vol. 18, pp. 3373-3383, September 2007. 

  8. B. S. Kim, H. J. Park and K. Y. Kim, "Conductivity image reconstruction using modified Gauss-Newton method in electrical impedance tomography," J. Inst. Korean Electr. Electron. Eng., Vol. 19, pp. 219-224, June 2015. 

  9. E. Somersalo, M. Cheney and D. Isaacson, "Existence and uniqueness for electrode models for electric current computed tomography," SIAM J. Appl. Math., Vol. 52, pp. 1023-1040, August 1992. 

  10. M. Vauhkonen, Electrical Impedance Tomography and Prior Information, Ph.D. Thesis, University of Kuopio, Finland, 1997. 

  11. A. Adler, T. Dai and W. R. B. Lionheart, "Temporal image reconstruction in electrical impedance tomography," Physiol. Meas., Vol. 28, pp. S1-S11, July 2007. 

  12. B. S. Kim, A. K. Khambampati, S. I. Kang and K. Y. Kim, "Conductivity image reconstruction based on singular value decomposition method in electrical impedance tomography," 31st Int'l Tech. Conf. on Circuits/Syst., Comput. and Commun., pp. 241-244, Okinawa, Japan, 10-13 July 2016. 

  13. W. Q. Yang and L. Peng, "Image reconstruction algorithms for electrical capacitance tomography," Meas. Sci. Technol., Vol. 14, pp. R1-13, January 2003. 

  14. M. Vauhkonen, W. R. B. Lionheart, L. M. Heikkinen, P. J. Vauhkonen and J. P. Kaipio, "A MATLAB package for the EIDORS project to reconstruct two-dimensional EIT images," Physiol. Meas., Vol. 22, pp. 107-111, February 2001. 

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