電阻抗成像系統(tǒng)的設(shè)計

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1、電阻抗成像系統(tǒng)的設(shè)計

2、第1　摘要：介紹了電阻抗成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PC機(jī)作為上位機(jī)，用來進(jìn)行可視化控制、實時成像顯示操作?鴉下位機(jī)采用高速單片機(jī)，控制電極選通、數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理，并與ＰＣ機(jī)進(jìn)行通訊；采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生高精度激勵信號源，用相敏解調(diào)方法實現(xiàn)高質(zhì)量數(shù)據(jù)獲取。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能達(dá)到電阻抗成像（EIT）的性能要求。關(guān)鍵詞：電阻抗成像直接數(shù)字頻率合成相敏解調(diào)電阻抗成像（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＩｍｐｅｄａｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ，簡稱ＥＩＴ）技術(shù)是一種新穎的圖像重建技術(shù)。它根據(jù)物體內(nèi)部不同物質(zhì)的導(dǎo)電參數(shù)（如電阻率、電容率）不同，通過在物體表面施加電流、電壓

3、并進(jìn)行測量來獲知物體內(nèi)部導(dǎo)電參數(shù)的分布，進(jìn)而重建出反映物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。對人體組織電性能的研究表明，人體內(nèi)不同組織以及組織處于不同功能狀態(tài)下具有不同的電阻抗，即當(dāng)人體的器官發(fā)生局部病變時，病變部位的阻抗必然與其它部位不同。因此，可以通過阻抗的測量對人體器官的病變進(jìn)行診斷。ＥＩＴ是通過給人體注入小的安全電流，再測量體表的電位來重建出人體內(nèi)部的電阻抗分布的圖像的。它的成像機(jī)理完全不同于Ｘ射線、ＣＴ、超聲波成像和核磁共振（ＭＲＩ）等。它是一種功能成像，即充分利用阻抗所攜帶的豐富的生理和病理信息實現(xiàn)功能成像。電阻抗成像技術(shù)具有Ｘ射線、ＣＴ和ＭＲＩ等技術(shù)無法比擬的優(yōu)點，即對人體檢測無創(chuàng)

4、無害，且其成像設(shè)備成本低廉、體積小、操作簡便，不要求特殊的工作環(huán)境。這些特點使得電阻抗成像技術(shù)特別適用于相關(guān)疾病的普查、預(yù)防等醫(yī)學(xué)輔助診斷場合。目前，電阻抗成像技術(shù)已成為２１世紀(jì)醫(yī)學(xué)成像研究的熱點。１系統(tǒng)構(gòu)成本系統(tǒng)采用上－下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，上位機(jī)由ＰＣ機(jī)擔(dān)任，進(jìn)行可視控制、圖像實時顯示；下位機(jī)由單片機(jī)擔(dān)任負(fù)責(zé)電極選通切換、數(shù)據(jù)采集以及與ＰＣ機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這里單片機(jī)選用美國Ｃｙｇｎａｌ公司最近推出的高速Ｃ８０５１Ｆ１２１（最高處理速度達(dá)１００ＭＩＰＳ），其片內(nèi)具有１２８ＫＦｌａｓｈ、（２５６＋８）ＫＲＡＭ以及增益可編程放大器和采樣率達(dá)１００ｋｓｐｓ的１２位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器。圖1系統(tǒng)設(shè)計

5、的整體框圖ＥＩＴ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括恒流源激勵信號發(fā)生器、電極選通與驅(qū)動單元、可編程增益放大器、解調(diào)處理單元、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換（Ｃ８０５１片內(nèi)１２位Ａ／Ｄ）單元等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示。ＰＣ機(jī)作為上位機(jī)提供一個可視界面，可設(shè)置激勵源的頻率、激勵模式（如相鄰模式、相對模式），命令單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并根據(jù)接收的反應(yīng)阻抗信息的數(shù)據(jù)來重建圖像。單片機(jī)按ＰＣ機(jī)發(fā)出的要求對激勵信號源進(jìn)行頻率選擇、相位及幅值控制；按激勵模式依次選通激勵電極與測量電極；選擇可編程增益放大器的增益；啟動Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)存儲后轉(zhuǎn)發(fā)給ＰＣ機(jī)。２激勵注入與信號提?。玻焙懔髟春懔髟从尚盘栐春碗妷嚎刂齐娏髟矗ǎ郑茫茫樱﹥刹糠纸M成

6、。正弦信號源采用直接數(shù)字頻率合成（ＤＤＳ）技術(shù)，即以一定頻率連續(xù)從ＥＰＲＯＭ中讀取正弦采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換并濾波后產(chǎn)生ＥＩＴ所需的正弦信號。本系統(tǒng)采用ＡＤ公司的ＤＤＳ集成芯片ＡＤ９８３０，其內(nèi)部有兩個１２位相位寄存器和兩個３２位頻率寄存器。在單片機(jī)的控制下對相應(yīng)的寄存器置數(shù)就可以方便地得到２ＭＨｚ以下的任意頻率和相位的輸出，其中頻率精度為1/232，相位分辨率為2π/212，輸出幅度也可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因此能滿足系統(tǒng)多頻激勵（１０ｋＨｚ～１ＭＨｚ）的要求。正弦信號源輸出信號經(jīng)１：１的隔離變壓器輸出到ＶＣＣＳ。ＶＣＣＳ采用的三運放轉(zhuǎn)換電路，如圖２所示。當(dāng)運放工作在理想狀態(tài)

7、時，則輸出電流為：輸出電流Ｉｏ的大小可以由輸入電壓Ｖｉ和采樣電阻Ｒ５來控制，其精度取決于Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４的匹配程度。２．２電極陣列的設(shè)計由于本系統(tǒng)中使用的是峰－峰值為１～５ｍＡ的交流小信號，因此如果模擬開關(guān)（又稱多路開關(guān)）選擇不當(dāng)，它會成為系統(tǒng)中的一個顯著的誤差源。經(jīng)比較，選用ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ３０６，它具有下列功能：程序控制１６選１（由４個地址端和１個選通端決定），導(dǎo)通電阻ＲＯＮ＜１００Ω，通道間匹配誤差＜５Ω，通道間串?dāng)_＜－９２ｄＢ，導(dǎo)通時對地泄漏電流＜２５ｎＡ，導(dǎo)通時對地等效電容＜１４０ｐＦ，開關(guān)時間＜４００ｎｓ。每組四個ＭＡＸ３０６并聯(lián)可以完成３２選２任意的電

8、流注入方式和電壓測量模式。圖３是電壓測量的原理圖，驅(qū)動電流注入的原理圖與圖３類似。它們之間的區(qū)別只是信號的流程相反，前者是流出開關(guān)，后者則是流入開關(guān)。設(shè)計時為減小干擾，采用了高速光耦６Ｎ１３６進(jìn)行隔離。２．３激勵注入與電壓測量模式本系統(tǒng)中激勵源按一定的模式注入（如相鄰模式或相對模式），通過ＰＣ機(jī)發(fā)出命令，由單片機(jī)來控制開關(guān)電極陣列依次選通激勵電極對和測量電極對。當(dāng)激勵注入電極對轉(zhuǎn)動一周時，就得到了能重建圖像的一個數(shù)據(jù)組。