DWUWYMIAROWE MODELOWANIE SONDY DO ELEKTRYCZNEJ TOMOGRAFII POJEMNOŚCIOWEJ W PAKIECIE ECTSIM

Electrical capacitance tomography is used to visualize a spatial distribution of dielectrical permittivity of materials placed in a tomographic sensor. An image is reconstructed from measurements of mutual capacitances of electrodes placed around the examined volume. This technique is characterized by very high temporal resolution – it is possible to achieve even few thousands of images per second. One of drawbacks of the method is low spatial resolution. Electrical capacitance tomography is mainly used in industry, e.g. for multiphase flow visualization. One of important elements of a tomographic system is a sensor which parameters influence quality of measurements and therefore affects quality of reconstructed images. In the Division of Nuclear and Medical Electronics a Matlab toolbox called ECTsim was developed. It is used for modelling of sensors, simulations of electrical field and image reconstruction. In this article we present the latest improvement which is modelling of a sensor using algebra of sets. Using primitive elements like rectangle and sector of a ring it is possible to perform operations like union, intersection and difference of two elements with a designed language. With such tools it is easy to prepare complex models of tomographic sensors which have different geometries. In this paper we show two models of sensors with different geometry in order to show how ECTsim solves forward problem.Elektryczna tomografia pojemnościowa służy do obrazowania rozkładu przenikalności elektrycznej materiałów w sondzie. Obraz rekonstruowany jest dzięki pomiarom pojemności wzajemnych elektrod umieszczonych wokół badanego obszaru. Ta technika obrazowa charakteryzuje się dużą rozdzielczością czasową – możliwe jest obrazowanie nawet kilku tysięcy przekrojów na minutę. Wadą jest niska przestrzenna zdolność rozdzielcza. Elektryczną tomografię pojemnościową stosuje się w przemyśle, między innymi do obrazowania przepływów wielofazowych. Istotnym elementem systemu tomograficznego jest sonda, której parametry wpływają na jakość pomiaru, a tym samym na jakość rekonstruowanego obrazu. W Zakładzie Elektroniki Jądrowej i Medycznej stworzono pakiet ECTsim uruchamiany w środowisku Matlab, który służy do modelowania sond tomograficznych, symulacji pola elektrycznego oraz rekonstrukcji obrazów. W niniejszym artykule opisano najnowszą modyfikację pakietu polegającą na modelowaniu sondy przy pomocy algebry zbiorów. Wprowadzono podstawowe kształty geometryczne, takie jak prostokąt i wycinek pierścienia, oraz zaproponowano język opisujący operacje sumowania, odejmowania i iloczynu elementów, co pozwala na proste tworzenie złożonych modeli sond tomograficznych o różnych geometriach. W artykule pokazujemy modele dwóch różnych sond tomograficznych i prezentujemy, jak ECTsim rozwiązuje problem prosty

PRZEDZIAŁAMI LINIOWE ITERACYJNE ALGORYTMY REKONSTRUKCJI OBRAZÓW W ELEKTRYCZNEJ TOMOGRAFII POJEMNOŚCIOWEJ

The paper concerns the non-linear algorithms for image reconstruction in electrical capacitance tomography for which Jacobi matrix computation time is very long. The paper presents the idea of an iterative linearization in nonlinear problems, which leads to a reduction in the number of steps calculating Jacobi matrix. The linear Landweber algorithm with sensitivity matrix updating and non-linear Levenberg-Marquardt algorithm with Jacobi matrix updating in selected steps only were presented.Artykuł dotyczy nieliniowych algorytmów rekonstrukcji obrazów w elektrycznej tomografii pojemnościowej, dla których czas wyznaczenia macierzy Jacobiego jest bardzo długi. W pracy przedstawiono ideę iteracyjnej linearyzacji w problemach nieliniowych, która prowadzi do zmniejszenia liczby kroków wyznaczających macierz Jacobiego. Przedstawiono liniowy algorytm Landwebera z uaktualnianiem macierzy wrażliwości oraz algorytm Levenberga-Marquardta z wyznaczaniem macierzy Jacobiego tylko w wybranych krokach

PAKIET DO TRÓJWYMIAROWEGO MODELOWANIA I REKONSTRUKCJI OBRAZÓW W ELEKTRYCZNEJ TOMOGRAFII POJEMNOŚCIOWEJ

Electrical Capacitance Tomography is used to visualize a spatial distribution of electric permittivity in a tomographic sensor. ECT is able to create even thousands of frames per second which is suitable for application in the industry, e.g. monitoring of multiphase flows or material mixing. A tool for sensor modelling and image reconstruction is needed in order to develop improved solutions and to better understand phenomena in ECT. A software for 2D and 2D modelling is developed in the Division of Nuclear and Medical Electronics. In this paper a Matlab toolbox called ECTsim for 3D modelling is presented.Elektryczna tomografia pojemnościowa jest używana do obrazowania przestrzennego rozkładu przenikalności elektrycznej w sondzie tomograficznej. Elektryczna tomografia pojemnościowa pozwala uzyskać nawet kilka tysięcy obrazów na sekundę co sprawia, że znajduje zastosowanie w przemyśle, na przykład do monitorowania przepływów wielofazowych lub mieszania materiałów.  Dla uzyskania lepszych rezultatów obrazowania i lepszego zrozumienia zjawisk zachodzących w elektrycznej tomografii pojemnościowej potrzebne są narzędzia do modelowania i rekonstrukcji obrazów. W Zakładzie Elektroniki Jądrowej i Medycznej rozwijane jest oprogramowanie do modelowania 2D i 3D. W artykule przedstawiono pakiet ECTsim dla środowiska Matlab do modelowania trójwymiaroweg

OCENA SYSTEMU ELEKTRYCZNEJ TOMOGRAFII POJEMNOŚCIOWEJ DO POMIARÓW Z WYKORZYSTANIEM SONDY 3D

Further tests of EVT4 data acquisition system for electrical capacitance tomography are presented. The modular system, which can have up to 32 channels with an individual analogue to digital converter, was designed to ensure small uncertainty of capacitance measurement at high speed of imaging. The system’s performance in the context of 3D imaging was experimentally verified. In particular, we show that the measurement of changes in capacitance due to a small change of an electric permittivity distribution for the most distant electrodes in a suitably designed 3D sensor is possible using our system. Cross-plane measurements together with the measurements for the pairs of most distant electrodes are essential for accurate reconstruction of 3D distributions. Due to sensitivity of capacitance measurements obtained in the hardware, the measurements for all electrode pairs can be used in the inverse problem – the system of equations can be extended. Although the numerical condition number of a matrix of such a system is high, image reconstruction is possible from the data obtained in our system. The results of 3D image reconstruction for simple test objects are shown.Przedstawiono dalsze testy systemu akwizycji danych EVT4 do elektrycznej tomografii pojemnościowej. Modułowy system, który może mieć do 32 kanałów z indywidualnym przetwornikiem analogowo-cyfrowym, został zaprojektowany w celu zapewnienia małej niepewności pomiaru pojemności przy dużej prędkości obrazowania. Wydajność systemu w kontekście obrazowania 3D została zweryfikowana eksperymentalnie. W szczególności pokazujemy, że możliwy jest pomiar zmian pojemności wywoływanych niewielką zmianą rozkładu przenikalności elektrycznej dla najbardziej odległych elektrod odpowiednio zaprojektowanego czujnika 3D przy pomocy naszego systemu. Pomiary międzypłaszczyznowe wraz z pomiarami par elektrod najbardziej odległych są niezbędne do dokładnej rekonstrukcji rozkładów 3D. Ze względu na wrażliwość pomiarów pojemności uzyskanych w opracowanym urządzeniu, pomiary dla wszystkich par elektrod mogą być wykorzystane w problemie odwrotnym – układ równań może zostać rozszerzony. Chociaż współczynnik uwarunkowania numerycznego macierzy takiego układu jest wysoki, możliwa jest rekonstrukcja obrazu z wykorzystaniem danych uzyskiwanych w naszym systemie. Pokazane są wyniki rekonstrukcji obrazu 3D dla prostych obiektów testowych

METODY POMIARU MAŁYCH POJEMNOŚCI W ELEKTRYCZNEJ TOMOGRAFII POJEMNOŚCIOWEJ

The paper presents the main methods of small capacitance measurement used in electrical capacitance tomography: the AC method with a sine wave excitation and the charge-discharge method with square wave excitation. Construction of synchronous detector for both circuits was discussed. A modified "charge-discharge" method was presented.W artykule przedstawiono główne metody pomiaru małych pojemności stosowane w elektrycznej tomografii pojemnościowej: metodę częstotliwościową z pobudzeniem za pomocą fali sinusoidalnej oraz metodę „ładuj-rozładuj” z pobudzeniem za pomocą fali prostokątnej. Przedstawiono budowę detektora synchronicznego dla obu układów. Zaprezentowano również modyfikację metody „ładuj-rozładuj”

ROZWÓJ KONSTRUKCJI ELEKTRYCZNEGO TOMOGRAFU POJEMNOŚCIOWEGO W ZAKŁADZIE ELEKTRONIKI JĄDROWEJ I MEDYCZNEJ

Electrical Capacitance Tomography is a technique which allows to visualize a  spatial distribution of electric permittivity in an examined volume. ECT allows to achieve hundreds of frames per second which is suitable for the industrial application, e.g. monitoring of multiphase flows or material mixing. Construction of such ECT system which enables precise data acquisition with sufficient speed  is a challenge. In the Division of Nuclear and Medical Electronics ECT systems which have found applications in many research facilities in Poland and all over the world have been constructed for over 15 years. In this article a multichannel ET3 tomograph and its successor,EVT4, are presented. EVT4 will allow to obtain more than 10 thousand frames per second. This will allow to make progress in studies of dynamic processes and 3D visualization.Elektryczna tomografia pojemnościowa pozwala na obrazowanie przestrzennego rozkładu przenikalności elektrycznej w badanej objętości. Technika ta pozwala na uzyskanie setek obrazów na sekundę, dzięki czemu istnieje możliwość wykorzystania jej w przemyśle, na przykład do monitorowania procesów dynamicznych, takich jak przepływy wielofazowe lub mieszanie materiałów. Skonstruowanie systemu tomograficznego pozwalającego na bardzo szybką akwizycję obrazów o dobrej jakości jest jednak dużym wyzwaniem. W Zakładzie Elektroniki Jądrowej i Medycznej Politechniki Warszawskiej od lat powstają konstrukcje tomografów pojemnościowych, które znajdowały zastosowanie w placówkach naukowych w Polsce i na świecie. W tym artykule prezentowany jest wielokanałowy tomograf ET3 oraz jego następca, EVT4, który pozwoli na uzyskiwanie 10 tysięcy obrazów na sekundę. Pozwoli to na dokładniejsze badanie procesów dynamicznych oraz wizualizację trójwymiarową

Comparison of openEHR and HL7 FHIR standards

Health informatics is characterized by the need tosecurely store, process and transmit large amounts of sensitivemedical data while ensuring interoperability with other systems.Among many standards used in such systems there are two whichhave gained interest in recent years and cover most of thoseneeds: openEHR and HL7 FHIR. In this paper, both standardsare discussed and compared with each other. The architecture ofboth systems, the similarities and differences, methods of datamodeling and ensuring interoperability were presented

TEORIA WZMOCNIENIA JEDNOFOLIOWEGO DETEKTORA Z GAZOWYM POWIELANIEM ELEKTRONÓW

Gain prediction theory of single foil Gas Electron Multiplier detector was developed. Gas electron multiplier (GEM) detector with single foil was developed. Soft X-ray spectra with an energy of 5.9 keV emitted by the isotope Fe-55 were measured. On this basis, the dependence of gain and energy resolution from the detector voltage was determined. The simple theory of gain dependence on various detector parameters was developed. Preliminary results of the study confirmed the potential usefulness of the GEM detector as a substitute for the multiwire proportional chamber.Opracowano teorię wzmocnienia jednofoliowego detektora z gazowym powielaniem elektronów. Opracowano detektor z gazowym powielaniem elektronów z pojedynczą folią. Zmierzono widmo miękkiego promieniowania X, o energii 5,9 keV, emitowanego przez izotop Fe-55. Na tej podstawie wyznaczono zależność wzmocnienia i energetycznej zdolności rozdzielczej od napięcia zasilającego detektor. Opracowano prosta teorią zależności wzmocnienia od różnych parametrów detektora. Wstępne rezultaty badań potwierdzają potencjalną przydatność detektora GEM jako substytutu wielodrutowej komory proporcjonalnej

SYSTEM DO POMIARU ZESPOLONEJ PODATNOŚCI MAGNETYCZNEJ NANOCZĄSTEK Z WYKONANYM W TECHNOLOGII DRUKU 3D KARKASEM ZINTEGROWANYCH CEWEK ODBIORCZYCH

The article concerns the research on the properties of core-shell superparamagnetic nanoparticles in the context of their use in medicine for diagnostics and therapy. The article presents a system for impedance (AC) spectroscopy of nanoparticles with a new arrangement of receive coils. A significant modification was the position of the reference coil in relation to the receive coils as well as the method of winding and routing the wires on the carcass. The 3D printing technique was used in the production of the measuring coil system. The aim of the work was to experimentally verify the developed measurement system and analyze its properties. The system tests were carried out at low frequencies ranging from 2 to 50 kHz. Complex magnetic susceptibility was measured for superparamagnetic iron oxide nanoparticles in polymer shells in a physiological saline solution. The obtained results confirmed the relevance of the concept of the measurements. In summary, the observed properties of the realized system are discussed and further directions of its development are proposed.Artykuł dotyczy badań właściwości nanocząstek superparamagnetycznych typu rdzeń-powłoka w kontekście wykorzystania ich w medycynie do diagnostyki jak i terapii. W artykule przedstawiono układ do spektroskopii impedancyjnej (AC) nanocząstek z nowym układem cewek odbiorczych. Istotną modyfikacją była pozycja cewki referencyjnej względem cewek odbiorczych jak również sposób nawijania i prowadzenia przewodów na karkasie. W realizacji układu cewek pomiarowych wykorzystana została technika druku 3D. Celem pracy była eksperymentalna weryfikacja opracowanego układu pomiarowego i analiza jego własności. Testy układu zostały przeprowadzone dla niskich częstotliwości w zakresie od 2 do 50 kHz. Pomiary zespolonej podatności magnetycznej dokonano dla nanocząstek superparamagnetycznych tlenku żelaza w otoczkach polimerowych w roztworze soli fizjologicznej. Uzyskane wyniki potwierdziły poprawność koncepcji realizacji pomiarów. W podsumowaniu omówiono zaobserwowane własności zrealizowanego układu i zaproponowano dalsze kierunki jego rozwoju

A Run-Time Reconfiguration Method for an FPGA-Based Electrical Capacitance Tomography System

A desirable feature of an electrical capacitance tomography system is the adaptation possibility to any sensor configuration and measurement mode. A run-time reconfiguration of a system for electrical capacitance tomography is presented. An original mechanism is elaborated to reconfigure, on the fly, a modular EVT4 system with multiple FPGAs installed. The outlined system architecture is based on FPGA programmable logic devices (Xilinx Spartan) and PicoBlaze soft-core processors. Soft-core processors are used for communication, measurement control and data preprocessing. A novel method of FPGA partial reconfiguration is described, in which a PicoBlaze soft-core processor is used as a reconfiguration controller. Behavioral reconfiguration of the system is obtained by providing run-time access to the program code of a soft-core control processor. The tests using EVT4 hardware and different algorithms for tomographic scanning were performed. A test object was measured using 2D and 3D sensors. The time and resources required for the examined reconfiguration procedure are evaluated