電阻抗成像系統的原理及設計

摘要：介紹了電阻抗成像系統，該系統以PC機作為上位機，用來進行可視化控制、實時成像顯示操作。下位機採用高速單片機，控制電極選通、數據採集及預處理，並與PC機進行通訊;採用直接數字頻率合成(DDS)技術產生高精度激勵信號源，用相敏解調方法實現高質量數據獲取。實驗結果表明該系統能達到電阻抗成像(EIT)的性能要求。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/246742.htm

關鍵詞：電阻抗成像 直接數字頻率合成 相敏解調

電阻抗成像(Electrical Impedance Tomography，簡稱EIT)技術是一種新穎的圖像重建技術。它根據物體內部不同物質的導電參數(如電阻率、電容率)不同，通過在物體表面施加電流、電壓並進行測量來獲知物體內部導電參數的分布，進而重建出反映物體內部結構的圖像。對人體組織電性能的研究表明，人體內不同組織以及組織處於不同功能狀態下具有不同的電阻抗，即當人體的器官發生局部病變時，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部的電阻抗分布的圖像的。它的成像機理完全不同於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功能成像。電阻抗成像技術具有X射線、CT和MRI等技術無法比擬的優點，即對人體檢測無創無害，且其成像設備成本低廉、體積小、操作簡便，不要求特殊的工作環境。這些特點使得電阻抗成像技術特別適用於相關疾病的普查、預防等醫學輔助診斷場合。目前，電阻抗成像技術已成為21世紀醫學成像研究的熱點。

1 系統構成

本系統採用上-下位機的結構，上位機由PC機擔任，進行可視控制、圖像實時顯示;下位機由單片機擔任負責電極選通切換、數據採集以及與PC機進行數據通信。這裡單片機選用美國Cygnal公司最近推出的高速C8051F121(最高處理速度達100MIPS)，其片內具有128KFlash、(256+8)KRAM以及增益可編程放大器和採樣率達100ksps的12位A/D轉換器。

圖1 系統設計的整體框圖 EIT數據採集系統包括恆流源激勵信號發生器、電極選通與驅動單元、可編程增益放大器、解調處理單元、A/D轉換(C8051片內12位A/D)單元等，系統結構如圖1所示。 PC機作為上位機提供一個可視界面，可設置激勵源的頻率、激勵模式(如相鄰模式、相對模式)，命令單片機進行數據採集並根據接收的反應阻抗信息的數據來重建圖像。單片機按PC機發出的要求對激勵信號源進行頻率選擇、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轉換並將數據存儲後轉發給PC機。

2 激勵注入與信號提取

2.1恆流源 恆流源由信號源和電壓控制電流源(VCCS)兩部分組成。正弦信號源採用直接數字頻率合成(DDS)技術，即以一定頻率連續從EPROM中讀取正弦採樣數據，經D/A轉換並濾波後產生EIT所需的正弦信號。本系統採用AD公司的DDS集成晶片AD9830，其內部有兩個12位相位寄存器和兩個32位頻率寄存器。在單片機的控制下對相應的寄存器置數就可以方便地得到2MHz以下的任意頻率和相位的輸出，其中頻率精度為1/ 2 32，相位解析度為2π/2 12，輸出幅度也可以在一定的範圍內調節，因此能滿足系統多頻激勵(10kHz～1MHz)的要求。

 

 

正弦信號源輸出信號經1：1的隔離變壓器輸出到VCCS。VCCS採用的三運放轉換電路，如圖2所示。 當運放工作在理想狀態時，則輸出電流為：

 

 

輸出電流Io的大小可以由輸入電壓Vi和採樣電阻R5來控制，其精度取決於R1、R2、R3、R4的匹配程度。

2.2 電極陣列的設計 由於本系統中使用的是峰-峰值為1～5mA的交流小信號，因此如果模擬開關(又稱多路開關)選擇不當，它會成為系統中的一個顯著的誤差源。經比較，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)，導通電阻RON<100Ω，通道間匹配誤差<5Ω，通道間串擾<-92dB，導通時對地洩漏電流<25nA，導通時對地等效電容<140pF，開關時間<400ns。 每組四個MAX306並聯可以完成32選2任意的電流注入方式和電壓測量模式。圖3是電壓測量的原理圖，驅動電流注入的原理圖與圖3類似。它們之間的區別只是信號的流程相反，前者是流出開關，後者則是流入開關。設計時為減小幹擾，採用了高速光耦6N136進行隔離。

2.3 激勵注入與電壓測量模式 本系統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機發出命令，由單片機來控制開關電極陣列依次選通激勵電極對和測量電極對。當激勵注入電極對轉動一周時，就得到了能重建圖像的一個數據組。

 

 

2.4 電壓測量放大與解調 EIT系統中注入的為交流小信號，所以在測量端先進行隔直、緩衝和差動放大，同時要濾除信號中的噪聲，以使後面的測量能得到較好的效果。這就要求選用的儀表運放具有高的CMMR和足夠的帶寬。本系統選用了AD公司的AD620。在頻率小於100kHz的情況下，10倍增益時的共模抑制比可以達到60dB，它的3dB帶寬達到300kHz。經差動運放後，信號中除激勵源頻率信號外還混有噪聲信號，所以還要利用相敏解調將反映阻抗大小的信號的幅度解調出來。本系統中的解調器選用AD630。它採用一路待解調信號和一路載波信號作為輸入，待解調信號根據載波信號的正負進行翻轉。從AD630的信號源到解調端，信號有一個相位變化， 這個變化是一個可以通過實驗測量得到的定值，所以在解調器前需加一個移相器，以達到信號同步的目的。

3 數據採集與通訊 經解調輸出的信號幅值較小，需經放大後送到A/D轉換器。C8051F121片內有可編程增益放大器(PGA)和一個12位的採樣率達100ksps的A/D轉換器，用軟體設置放大增益使信號在A/D轉換器輸入信號的範圍(0～2.4V)內。為保證數據的精度，系統對10次採樣結果做平均後存於片內RAM中。每次按一定模式採集完一組數據後，單片機通過串口通知PC機接收。由於PC機串口是RS232電平，兩者之間採用了MAX232晶片進行電平轉換後再進行數據通訊。

4 圖像重建結果 在直徑為145mm的鹽水槽中放入濃度為0.9%的鹽水溶液(750Ω/cm)，在鹽水槽的邊緣上放入一根直徑為2cm的木棒，採用相鄰注入模式，通入峰-峰值為2mA的電流，利用敏感係數法採用256個有限元進行剖分。

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