این پایان نامه به طراحی و ساخت یک سیستم مقطع نگار خازن الکتریکی (ect) یا مقطع نگار الکتریکی خازنی اشاره دارد. سیستم مقطع نگار الکتریکی خازنی با تخمین ضرایب نفوذپذیری الکتریکی مواد درون سطح مقطع لوله ها و یا مجاری اقدام به بازسازی تصاویر سطح مقطعی از مجاری و لوله ها می کند. تخمین ضرایب نفوذپذیری الکتریکی توسط اندازه گیری خازن های روی سطح شی و حل یک مساله معکوس صورت می پذیرد. تکنیک های مقطع نگاری الکتریکی به واسطه ارزان بودن، امنیت بالا، سرعت بالای گرفتن اطلاعات و مناسب بودن برای مجاری و لوله ها با ابعاد مختلف نقش بسیار مهمی در کاربردهای صنعتی جهت به تصویر درآوردن فرایندها دارند. از میان تکنیک های مقطع نگاری الکتریکی، تکنیک مقطع نگاری الکتریکی خازنی به دلیل طبیعت غیر تهاجمی و توانایی تشخیص بین فازهای متفاوت مبنی بر توزیع ضرائب نفوذپذیری الکتریکی در سطح مقطع مورد نظر، به شکل گسترده ای موضوع بسیاری از تحقیق های روز دنیا شده است. تحقیق در زمینه مقطع نگاری الکتریکی خازنی مربوط به رشته های مختلف علمی می گردد و زمینه های تحقیق آن را می توان به سه دسته (1) طراحی حسگر، (2) الکترونیک سخت افزار و (3) بازسازی تصویر تقسیم بندی کرد. این پایان نامه بر اساس ساخت سیستم مقطع نگار الکتریکی خازنی بنا نهاده شده و به همین جهت مبانی و اصول پایه سیستم مقطع نگار خازنی از قبیل ماتریس حساسیت، مساله مستقیم و مساله معکوس در ect بیان شده است. در این پایان نامه حل مساله مستقیم با روش اجزای محدود انجام شده و دو روش انتگرال گاوسی و روش بار جهت محاسبه خازنها استفاده شده و نتایج با حل تحلیلی برای یک کابل هم محور مقایسه شده است. همچنین دو روش کیفی و کمی جهت محاسبه ماتریس حساسیت شبیه سازی شده و نتایج آنها از لحاظ زمان محاسبه و کیفی نشان داده شده است. سپس روش های مرسوم بازسازی تصویر استفاده شده در مساله معکوس ارائه شده اند و نتایج بازسازی این روش ها با استفاده از هر دو روش حل مساله مستقیم و هر دو روش محاسبه ماتریس حساسیت مقایسه شده اند. نتایج مدلسازی نشان می دهد که روش بار از دقت بالاتری برخوردار بوده و روش کمی نسبت به روش کیفی با وجود نزدیکی پاسخهایشان دارای زمان اجرای کمتری می باشد. در قسمت طراحی سخت افزار حسگر ساختار های متعددی جهت ساخت حسگر معرفی شده است. سیستم مقطع نگار ارائه شده با استفاده از مدار شارژ و دشارژ ساخته شده است. تصاویر بازسازی شده با استفاده از داده های سیستم عملی در اولین نمونه ساخته شده نتایج رضایت بخشی دارد.

در این پایان نامه بهبود نرم افزاری و سخت افزاری سیستم مقطع نگاری امپدانس الکتریکی اولیه ساخته شده در دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی مورد نظر می باشد. مقطع نگاری الکتریکی یک روش شامل نرم افزار و سخت افزار است که در آن جریان ها به دو الکترود اعمال گردیده و ولتاژها از دیگر الکترودها اندازه گیری می-شوند. در سیستم اولیه در روش پیشرو نرم افزار از روش اجزای محدود با المانهای مثلثی خطی و مرتبه بالا و در روش معکوس از روش lsqnonlin استفاده شده است و در سخت-افزار مربوطه به طور خودکار اندازه گیری انجام نشده است. در این پایان نامه، بهبود نرم افزاری سیستم، استفاده از المانهای چهارضلعی و ترکیب المانهای سه ضلعی و چهارضلعی در روش پیشرو می باشد و استفاده از روش نیوتن- رافسون اصلاح شده به همراه محاسبه ماتریس ژاکوبین در حل مساله معکوس می باشد. بهبود سخت افزاری سیستم، شامل ارائه یک سیستم اندازه گیری خودکار، برد کلاک زنی کارا که 7 نوع مختلف آدرس-دهی را با سرعتهای متفاوت داراست، منبع جریان سینوسی کارا و دو سیستم مالتی پلکسری 32 کاناله و 16 کاناله می باشد. کارت طراحی شده که هم کار تقویت دیتا را انجام می دهد و هم ارتباط سیستم را با کامپیوتر به خوبی و با فرکانسهای متفاوت برقرار می کند. همچنین دو نوع فانتوم با 32 الکترود و قابل استفاده برای هر نوع اندازه گیری ساخته شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهند که استفاده از روش اجزای محدود با المانهای چهارضلعی و یا المانهای ترکیبی در حل مساله پیشرو و استفاده از روش ژاکوبین در مساله معکوس منجر به بهبود کیفیت تصویر به نحو قابل ملاحظه ای می گردد که این مساله در نتایج بدست آمده از سخت افزار به وضوح قابل مشاهده است.

این پایان نامه به بهبود روش هایبرید اجزای محدود و اجزای مرزی برای بازسازی تصاویر سیستم های مقطع نگاری می پردازد. سیستم های مقطع نگاری روش هایی کم هزینه، غیر تهاجمی و سریع برای تصویر-برداری از داخل اجسام هستند. تصاویر سیستم های مقطع نگاری بر اساس تخمینی از توزیع پارامترهای مواد درون سطح مقطع مورد نظر به دست می آیند. تفاوت در کمیت های فیزیکی مواد، منجر به پیدایش سیستم های مقطع نگاری متفاوتی می شود. بازسازی تصاویر در سیستم های مقطع نگاری با استفاده از داده-های اندازه گیری روی مرز، یک تخمین اولیه از پارامتر های فیزیکی و حل یک مسئله معکوس به دست می آیند. از نظر ریاضی مسئله معکوس یک مسئله غیر خطی و بد وضع می باشد. در چنین مسائلی باید مدل دقیقی از مسئله پیشرو را ارائه کرد تا در مسئله معکوس باعث افزایش خطا نشود. معادلات حاکم بر مسئله پیشرو روش های مقطع نگاری الکتریکی و نوری از نوع معادله لاپلاس یا هلمهلتز می باشد. در این پایان نامه، هر دو نوع این معادلات حل شده اند. برای حل مسئله پیشرو از روش های عددی حل معادلات با مشتقات جزئی با شرایط مرزی به نام روش اجزای محدود (fem) و روش اجزای مرزی (bem) و ترکیب این دو روش استفاده شده است. همچنین برای افزایش دقت، روش اجزای مرزی در دو حالت المان های ثابت و خطی بررسی می شود. استفاده از المان های خطی در روش هایبرید bem/fem، به دلیل یکسان بودن مرتبه المان ها در مرز مشترک دو ناحیه، می تواند دقت حل مسئله را بالا ببرد. برای مثال های مختلف از جمله یک مدل قفسه سینه در حالت دو بعدی، نتایج روش هایبرید با نتایج fem و پاسخ تحلیلی مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد که استفاده از bem در کنار fem، به خاطر دقت بسیار بالای bem باعث افزایش دقت مسئله می شود. در مدلسازی مسئله پیشرو قفسه سینه در مقطع نگاری امپدانس الکتریکی (eit)، خطای به دست آمده در روش های fem، bem و روش هایبرید به ترتیب برابر 664/6، 0767/0 و 4380/0 درصد به دست آمده است. همچنین در این پایان نامه به بازسازی تصویر برای سیستم eit با روش های fem و هایبرید پرداخته شده است.

این پایان نامه به مدل سازی پیشرو سه بعدی با روش ترکیبی اجزای مرزی _ اجزای محدود (be-fe) در بازسازی تصاویر سیستم های مقطع نگاری امپدانس الکتریکی (eit) می پردازد. سیستم های eit کم هزینه، غیر تهاجمی و سریع برای تصویر برداری از داخل اجسام می باشد. روند بازسازی تصویر در eit شامل حل مسئله پیشرو و مسئله معکوس می باشد. در مسئله پیشرو با داشتن مدل ریاضی مسئله، ضرایب هدایت الکتریکی ناحیه و معلوم بودن منابع جریان، توزیع ولتاژ در ناحیه بدست می آید. در مسئله معکوس با استفاده از داده های اندازه گیری روی مرز، یک تخمین اولیه از پارامتر های فیزیکی و استفاده از یک الگوریتم تکراری، تخمینی از پارامتر های فیزیکی با مینیمم سازی یک تابع هزینه به دست می آید. روش های fe و be برای حل مسئله پیشرو eit در مقالات استفاده شده است. روش fe دارای مزایایی از جمله توانایی در مدل سازی محیط های با اشکال هندسی پیچیده و غیر همگن می باشد، اما جواب این روش وابستگی زیاد به گسسته سازی ناحیه دارد. مزایای اصلی روش be عدم نیاز به گسسته سازی تمام ناحیه ی حل و دقت آن می باشد. از سوی دیگر، این روش فقط می تواند در مورد فضاها یا حجم هایی به کار رود که همگن بوده یا حداکثر از چند زیر فضای همگن تشکیل شده باشند. با ترکیب روشهای fe و be می توان از مزایای هر دو روش استفاده نمود. با توجه به اینکه در مدل سازی دو بعدی طول یک بعد بی نهایت فرض می شود، مدل سازی سه بعدی جواب دقیق تری از مسئله را ارائه می دهد. در این پایان نامه، مدل سازی سه بعدی مسئله پیشرو با روش های fe، be و ترکیبی be-fe برای مدل های سه بعدی ساده torso و breast پیاده سازی شده و با نتایج تحلیلی مقایسه شده است. همچنین بازسازی تصویر با استفاده از روش ترکیبی در حل مسئله پیشرو برای مدل های دو بعدی سر و قفسه سینه و مدل سه بعدی ساده breast با تومور انجام شده است. نتایج حل مسئله پیشرو دقت بالای روش be و زمانبر بودن این روش را نشان می دهد. برای مدل سه بعدی torso خطاهای میانگین روش های fe، be و ترکیبی be-fe به تر تیب برابر 44.01%، 25.51% و 12/31 % هستند. در بازسازی تصویر دو بعدی قفسه سینه، میانگین خطای هدایت الکتریکی محاسبه شده برای تمام المان ها 59/6 % درصد حاصل شد. الگوریتم بازسازی تصویر مدل سه بعدی ساده breast مکان ناهمگنی تومور را به درستی تشخیص داده و خطای میانگین هدایت الکتریکی محاسبه شده برای تمام المان ها 35/8% درصد شد.