lnu.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Sensitivity Analysis for Measurement Configuration Evaluation in Electrical Impedance Tomography
Linnaeus University, Faculty of Technology, Department of Mathematics.
Linnaeus University, Faculty of Technology, Department of Physics and Electrical Engineering.ORCID iD: 0000-0002-7018-6248
2015 (English)Manuscript (preprint) (Other academic)
Abstract [en]

Fisher information and sensitivity analysis can be used to compare, evaluate, and optimize measurement configurations. In this paper, an electrical impedance tomography measurement is considered. Four-electrode measurement pairs are applied on a circular, two-dimensional disk. Adjacent and polar current configurations are compared. Adjoint field techniques are used for gradient calculation. Gradient methods, connected to Fisher information and singular value decomposition, are used for the reconstructions. The impact of different noise models is studied. According to the Fisher information analysis, the adjacent current configurations consistently outperforms the polar in the present formulations. The conclusion is verified by numerical reconstructions based on synthetic data.

Place, publisher, year, edition, pages
2015.
Keyword [en]
Fisher information, sensitivity analysis, electrical impedance tomography, current configurations, maximum likelihood
National Category
Signal Processing Other Physics Topics
Research subject
Physics, Waves and Signals
Identifiers
URN: urn:nbn:se:lnu:diva-18687OAI: oai:DiVA.org:lnu-18687DiVA: diva2:526949
Available from: 2012-05-15 Created: 2012-05-15 Last updated: 2017-01-10Bibliographically approved
In thesis
1. Sensitivity Analysis and Material Parameter Estimation using Electromagnetic Modelling
Open this publication in new window or tab >>Sensitivity Analysis and Material Parameter Estimation using Electromagnetic Modelling
2012 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Alternative title[sv]
Känslighetsanalys och estimering av materialparametrar med elektromagnetisk modellering
Abstract [en]

Estimating parameters is the problem of finding their values from measurements and modelling. Parameters describe properties of a system; material, for instance, are defined by mechanical, electrical, and chemical parameters. Fisher information is an information measure, giving information about how changes in the parameter effect the estimation. The Fisher information includes the physical model of the problem and the statistical model of noise. The Cramér-Rao bound is the inverse of the Fisher information and gives the best possible variance for any unbiased estimator.

This thesis considers aspects of sensitivity analysis in two applied material parameter estimation problems. Sensitivity analysis with the Fisher information and the Cramér-Rao bound is used as a tool for evaluation of measurement feasibilities, comparison of measurement set-ups, and as a quantitative measure of the trade-off between accuracy and resolution in inverse imaging.

The first application is with estimation of the wood grain angle parameter in trees and logs. The grain angle is the angle between the direction of the wood fibres and the direction of growth; a large grain angle strongly correlates to twist in sawn timber. In the thesis, measurements with microwaves are argued as a fast and robust measurement technique and electromagnetic modelling is applied, exploiting the anisotropic properties of wood. Both two-dimensional and three-dimensional modelling is considered. Mathematical modelling is essential, lowering the complexity and speeding up the computations. According to a sensitivity analysis with the Cramér-Rao bound, estimation of the wood grain angle with microwaves is feasible.

The second application is electrical impedance tomography, where the conductivity of an object is estimated from surface measurements. Electrical impedance tomography has applications in, for example, medical imaging, geological surveillance, and wood evaluation. Different configurations and noise models are evaluated with sensitivity analysis for a two-dimensional electrical impedance tomography problem. The relation between the accuracy and resolution is also analysed using the Fisher information.

To conclude, sensitivity analysis is employed in this thesis, as a method to enhance material parameter estimation. The sensitivity analysis methods are general and applicable also on other parameter estimation problems.

Abstract [sv]

Estimering av parametrar är att finna deras värde utifrån mätningar och modellering. Parametrar beskriver egenskaper hos system och till exempel material kan definieras med mekaniska, elektriska och kemiska parametrar. Fisherinformation är ett informationsmått som ger information om hur ändringar i en parameter påverkar estimeringen. Fisherinformationen ges av en fysikalisk modell av problemet och en statistisk modell av mätbruset. Cramér-Rao-gränsen är inversen av Fisherinformationen och ger den bästa möjliga variansen för alla väntevärdesriktiga estimatorer.Den här avhandlingen behandlar aspekter av känslighetsanalys i två tillämpade estimeringsproblem för materialparametrar. Känslighetsanalys med Fisherinformation och Cramér-Rao-gränsen används som ett redskap för utvärdering av möjligheten att mäta och för jämförelser av mätuppställningar, samt som ett kvantitativt mått på avvägningen mellan noggrannhet och upplösning för inversa bilder.

Den första tillämpningen är estimering av fibervinkeln hos träd och stockar. Fibervinkeln är vinkeln mellan växtriktningen och riktningen hos träfibern och en stor fibervinkel är relaterad till problem med formstabilitet i färdiga brädor. Mikrovågsmätningar av fibervinkeln presenteras som en snabb och robust mätteknik. I avhandlingen beskrivs två- och tredimensionella elektromagnetiska modeller som utnyttjar anisotropin hos trä. Eftersom matematisk modellering minskar komplexiteten och beräkningstiden är det en viktig del i estimeringen. Enligt känslighetsanalys med Cramér-Rao-gränsen är estimering av fibervinkeln hos trä möjlig.

Den andra tillämpningen är elektrisk impedanstomografi, där ledningsförmågan hos objekt bestäms genom mätningar på ytan. Elektrisk impedanstomografi har tillämpningar inom till exempel medicinska bilder, geologisk övervakning och trämätningar. Olika mätkonfigurationer och brusmodeller utvärderas med känslighetsanalys för ett tvådimensionellt exempel på elektrisk impedanstomografi. Relationen mellan noggrannhet och upplösning analyseras med Fisher information.

För att sammanfatta beskrivs känslighetsanalys som en metod för att förbättra estimeringen av materialparametrar. Metoderna för känslighetsanalys är generella och kan tillämpas också på andra estimeringsproblem för parametrar.

Place, publisher, year, edition, pages
Växjö, Kalmar: Linnaeus University Press, 2012. 111 p.
Series
Linnaeus University Dissertations, 87/2012
Keyword
sensitivity analysis, material parameter, Fisher information, Cramér-Rao bound, electromagnetic modelling, grain angle, wood, electrical impedance tomography, inverse problems, känslighetsanalys, estimering, materialparameter, Fisher- information, Cramér-Rao-gränsen, elektromagnetisk modellering, fibervinkel, trä, elektrisk impedanstomografi, inversa problem
National Category
Other Physics Topics Signal Processing
Research subject
Physics, Waves and Signals
Identifiers
urn:nbn:se:lnu:diva-18689 (URN)978-91-86983-60-4 (ISBN)
Public defence
2012-06-05, Vidéumsalen, D1136, Vejdes plats 6, Växjö, 16:45 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2012-05-16 Created: 2012-05-15 Last updated: 2016-03-11Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Search in DiVA

By author/editor
Sjödén, ThereseNordebo, Sven
By organisation
Department of MathematicsDepartment of Physics and Electrical Engineering
Signal ProcessingOther Physics Topics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

Total: 189 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf