（光学工程专业论文）电阻抗成像系统驱动研究.pdf

硕士论文电阻抗成像系统驱动研究 摘要 电阻抗断层成像是近二十多年发展起来的一种新的医学成像技术。通过在目标物 体四周安放电极阵列并注入交流电流，在产生电流场的同时，通过电极测量目标物体 四周的电压，由注入的交流电流信号和测量的电压数据，以及一些附加信息，重构出 目标物体横截面内( 或空间) 的电导率( 或电阻率) 分布，从而得到反映物体内部组 织特性的电导率断层图像。 本文从e i t 系统硬件设计方面入手，分析了整个电路的设计过程，包括系统总体 结构设计和各模块内部结构设计，最终设计完成了一个1 6 电极的电阻抗硬件系统。在 驱动模式方面，重点研究了注入式驱动模式，对比分析了邻近驱动和对向驱动两种方 法，并进一步根据强制等势点的观念，分析了电极对敏感场的分布影响。在激励源部 分，利用直接数字频率合成技术对硬件系统的恒流源模块进行了设计，采用d d s 集成 芯片a d 9 8 5 1 作为信号源，实现了精度高、稳定性好的频率为5 0 k h z 正弦信号的输出。 并根据e i t 技术多频方向的发展趋势，提出了利用d d s 产生多频输出的设计方案。 关键词：电阻抗断层成像，系统驱动，硬件系统，电极，d d s a b s t r a c t t h ee l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ( e i t ) i sai l e wm e d i c i n ei m a g i n gt e c h n i q u e ， w h i c hh a sb e e nd e v e l o p e ds i n c et w e n t yy e a r sa g o 。i ne i ta l la r r a yo ft h ee l e c t r o d e s i s a t t a c h e da r o u n dt h ea i mo b j e c t ，a n das m a l la l t e r n a t i n gc u r r e n ti si n j e c t e d ，a tt h es 锄et i i n e t h ee l e c t r i c a lc u r r e n tf i e l di se n g e n d e r e d t h r o u g ht h es u = o u n d i n ge l e c t r i c a lc u n e n to f t h e a i mo b j e c tm e a s u r e db yt h ee l e c t r o d e s ，w i t ht h ei n j e c t e d a l t e r n a t i n ge l e c t r i c a lc u r r e n t s i g n a l ，t h em e a s u r e dv o l m g ed a t aa n ds o m ea p p e n d i n gi n f o r m a t i o n ，t h ed i s t r i b u t i n go ft h e c o n d u c t a n c e ( r e s i s t i v i t y ) i nt h ec r o s ss e c t i o n ( s p a c e ) o ft h ea i mo b j e c ti sr e c o n s t r u c t e d t h u st h ec o n d u c t a n c et o m o g r a p h yw h i c hr e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ea i mo b j e c ti n t e r i o r t i s s u ei sr e c i v e d i nt h i sp a p e r ，s t a r t e dw i t ht h eh a r d w a r e d e s i g no ft h ee l e c t r i c a li m p e d a n c e t o m o g r a p h y , t h ed e s i g np r o c e s so ft h ew h o l ec i r c u i t r yi sa n a l y z e d ，w h i c hi n c l u d e dt h e c o l l e c t i v i t ys t r u c t u r ed e s i g na n dt h ei n t e r i o rs t r u c t u r ed e s i g no ft h em o d u l e s a n da e l e c t r i c a lh a r d w a r es y s t e mw i t h16e l e c t r o d e si s d e s i g n e d a tt h ed r i v e rp a r t e m ，t l l e 蝎e c t e dd r i v e rp a t t e r ni ss t u d i e d ，t h et w om e t h o d so ft h ea d ja c e n td r i v e ra n dt h es u b t e n d d r i v e ra r ec o n t r a s t i v e l ya n a l y z e d ，a n db a s e do nt h ec o n c e p to ft h ee q u i p o t e n t i a ln o d e t h e d i s t r i b u t i n go ft h es e n s i t i v i t yf i e l dt h r o u g ht h ee l e c t r o d e si sa n a l y z e d a tt h es o u r c ep a r t ， t h ec o n s t a n t - c u r r e n ts o u r c em o d u l eo ft h eh a r d w a r es y s t e mi s d e s i g n e dt h r o u g ht h ed i r e c t d i g i t a ls y n t h e s i st e c h n i q u e ，w i t ht h ed i r e c td i g i t a ls y n t h e s i si n t e g r a t i o nc m o sc b j d a d 9 8 51a st h es o u r c e ，t h eo u t p u to ft h eh i g ha c c u r a t ea n ds t e a d ys i n u s o i ds i g n a l 。w h o s e f r e q u e n c yi s5 0 k h z ，i sr e a l i z e d a n db a s e do nt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ee 1 e c t r i c a l i m p e d a n c et o m o g r a p h yi nt h em u l t i f r e q u e n c y ，t h ed e s i g no ft h em u l t i f f e q u e n c yo u t p u t e n g e n d e r e dw i t ht h ed i r e c td i g i t a ls y n t h e s i si sb r o u g h tf o r w a r d k e yw o r d ：e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ；s y s t e m d r i v e r ；h a r d w a r es y s t e m ； e l e c t r o d e ；d d s 声明户j 凋 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月 日 硕士论文 i 乜阻抗成像系统驱动研究 1 绪论 电阻抗断层成像技术( e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ，简称e i t ) 是近二十年来 出现的一种基于生物组织电学特性的医学成像技术，可以得到反映生物组织生理状态 短时变化的图像，使得这项技术在研究人体功能和疾病诊断方面有重要的临床价值， 它是继形态、结构成像以后，出现的新一代更为有效的无损伤功能成像技术。研究表 明，人体组织的生理功能变化和病理改变都能引起组织阻抗的变化【n ，所以利用电阻 抗成像技术，可以显示出人体组织的阻抗分布图像、人体组织阻抗随频率变化图像、 人体器官完成生理活动( 如呼吸、一i i , 脏搏动) 时的阻抗变化图像，这些图像对生物医学 工程领域具有重要的意义。 电阻抗成像是根据人体内不同组织具有不同的电阻抗特性这一物理现象，通过对 人体施加一个安全恒定的电压或电流，通过测量电极测量体表电流或电压的来重建人 体内部的电阻抗分布图像，它是医学成像技术的一个新的研究方向。e i t 系统原理图 如图1 1 所示。 图1 1e i t 的原理框图 正是因为e i t 技术具有功能成像、无损伤和医学监护三大突出优势，所以非常适 合对病人进行长期和连续的临床监护：并且该技术结构简单、测量简便、造价低、信 息丰富，在近十几年受到了国际学术界的广泛关注，呈现出很好的应用前景。 1 1e i t 技术的应用前景 医学研究表明，当疾病发生时，相关组织与器官的功能性变化要先于器质性病变 和其他的临床症状，经过一定的潜伏期后，发展成器质性病变，才开始出现组织与器 官的结构性变化或其他临床症状。而c t 等第二代成像技术只能在疾病发生并已形成 器质性病变，即相关组织与器官的结构已经改变，才能诊断出结果。以至当患者到医 院检查时，往往已经发展到了中期、晚期，耽误了治疗时间。相反e i t 可以功能成像， 很好的弥补了这一点，检测组织与器官的功能性病变，正是阻抗成像的优势 2 】。 大多数生物组织的电学特性都具有各向异性。沿不同方向测量时，其阻抗各不相 同，因此可以根据各方向测得的阻抗重建组织的阻抗图。实验观察发现，人体器官在 1 绪论 硕士论文 完成生理活动的不同阶段，相应组织的阻抗可发生变化，如肺在呼吸和胃在进食及排 空过程中，容积和位置要发生变化，其阻抗也会发生相应变化 3 】o 利用生物组织的这 一特性，可以观察人体器官的生理活动情况。 曲中枢神经系统 脑室内脑脊髓的电阻率低于血液的电阻率，因此e i t 可用来检测新生儿脑室内出 血。神经细胞的活动、心动周期也会导致脑内电阻率的变化，故在成人脑显像中e i t 图像可望在脑损伤、周期性偏头痛、脑供血的研究方面作出贡献。 b ) 心血管系统 血液的电阻率低于多数组织，因而血液在器官的灌注情况可通过动态e i t 图像反 映出来，e i t 可显示深部静脉电阻抗变化以帮助诊断静脉栓塞，并在测量每博输出量、 心输出量等心脏参数方面发挥作用。通过比较体位变化过程中妇女骨盆区电阻抗变 化，可望在骨盆充血诊断方面提供依据。 c ) 肌肉骨骼系统 骨折处的血液变化情况可由e i t 图像反映，所有e i t 可用于显示骨折的早期愈合 过程。 呼吸系统 肺部阻抗变化与吸入气体量有关，e i t 可用于肺通气的研究，具有连续呼吸监测 功能，并能识别肺栓塞、肺大泡和左下叶肺不张。 e 1 消化系统 胃部电阻率在摄入导电性较好的食物后将会降低，可反映在e i t 图像上并能够识 别肥厚性幽门狭窄，反映流质食物的胃排空及胃酸的分泌情况。 f ) 无创体温测量 组织的电导率随温度的变化可以反映在动态e i t 中，因此e i t 系统可记录高温热 疗过程中人体某区域的热流图。 总之，e i t 技术可望应用于人体各领域的临床实验。但当前临床应用处于探索阶 段，只有e i t 技术的深入发展和完善，才会实现其在临床的普及【4 1 。 1 2e i t 技术的国内外发展历程 电阻抗断层成像足国外近些年的一个研究热点，欧洲、北美、前苏联等地区有许 多研究小组在进行这方面的工作。欧洲已建立了欧洲e i t 统一行动组织( c a i t ) 来组织 和协调e i t 研究工作。 e i t 的发展至今虽然只有十余年的历史，但它却以其无损、低成本的功能性图像 吸引了越来越多的研究者。国外的e i t 研究一直很活跃，每年都有新的研究进展和成 2 硕士论文电阻抗成像系统驱动研究 果发表。三年一次的国际生物电阻抗会议( i c e b i ) i 有关e i t 的研究论文数占第一位。 分布在世界各国的e i t 研究小组己超过2 0 个。其中以英国s h e f f i e l d 大学的b r o w n 研 究组和d em o m f o r t 大学王伟研究组的工作最为突出，已开始从实验室研究向临床应 用过渡。 电阻抗断层成像的起源可以追溯到上个世纪2 0 年代，地球物理学研究者提出了 线性电极阵列的电阻率成像( r e s i s t i v i t yi m a g i n g ) 技术。在7 0 年代，生物医学研究者提 出了圆形电极阵列的断层电阻率测量技术( t o m o g r a p h i cr e s i s t i v i t ym e a s u r e m e m t e c h n i q u e ) 。第一幅电阻抗图像结果是由h e n d e r s o n 和w e b s t e r 于1 9 7 8 年报告的。他 们使用固定于胸部上的由一大电极和与之相对的若干小电极组成的电极系统。通过测 量从各小电极流向大电极的电流所形成的等位差，获得了可以清楚地显示肺脏位置的 阻抗图像。但是这还不是断层图像，而是类似x 胸片的透视图像。1 9 8 2 年由英国 s h e f f i e l d 大学b r o w n 和b a r b e r 实现了第一个手臂的阻抗层析图像，开辟了电阻抗层 析成像( e i t ) 技术这一新的研究领域。1 9 8 3 年，英国s h e f f i e l d 大学的b a r b e r 研究组报 导了一种成像新方法，为外加电位断层图像法。并于1 9 8 4 年又报告了使用这一方法 进行的电导率分布图像的尝试，而且用模拟数据，获得了单一的电导率分布图像。这 是对e i t 研究的一个推动。1 9 8 6 年，第次毋t 专题国际会议在谢菲尔德大学召开。 第一本全面论述e i t 的参考书于1 9 8 9 年出版。可以说8 0 年代末特别是进入9 0 年代 以来，e i t 技术进入了迅速发展时期，1 9 9 0 - 1 9 9 3 年间g r i f f i t h s ，d i j i k t r a 等人根据他 们的研究对e i t 成像技术、成像原理、及临床应用前景作了综合评述，实时e i t 系统 的设计也开始起步，相继出现了一些精度高速度快的e i t 系统。其中具代表性和重大 成果的是英国o x f o r d 大学设计完成的o x b a c t 系统，现已经发展到第四代 o x b a c t4 ，可用于实现三维成像p j 。 目前，国际上有3 0 多个研究小组从事e i t 方面的基础及应用基础研究，每年在 英国都要召开e i t 国际研讨会，并在维也纳已连续召开了两届欧洲e i t 联合会，在其 他相关国际会议中也都设有e i t 专题讨论会；在国内约有1 0 多个研究小组从事e i t 方面的基础研究，主要都集中在模型成像算法和硬件系统的设计等方面的研究。近年 来该技术又有了许多新的发展，出现了以人体三维阻抗分布为成像目标的三维e i t 技术、以外围线圈激励的感应e i t 以及多频激励测量进行复阻抗成像的多频e i t 这些 研究都得到了初步的实验结果。 为了加速推动我国e i t 技术的研究，2 0 0 1 年1 2 月在西安第四军医大学召开了国 内第一届e i t 学术讨论会，北京航空航天大学、河北工业大学、天津大学、中国医学 科学院生物医学工程研究所、上海大学、重庆大学、第四军医大学生物医学工程系等 7 个单位参加会议，并由上述几个单位为主成立联合研究小组。现在e i t 已成为国内 外研究的热点，由于阻抗成像技术的广阔应用前景，所以吸引了一大批专家学者投入 1 绪论 硕士论文 到研究行列之中。相信它会不断有新的发展、新的突破，逐渐走向成熟，并广泛应用 于临床，造福人类 6 】o 图1 2 为生物电阻抗研究概况。 接触式 ：三兰三茎：i 阻抗成像临床应用探索研究 1 3 本文主要研究工作 静态成像 动态成像 准静态成像 核磁阻抗成像 图1 2 生物电阻抗研究概况 目前，国内对于e i t 在硬件方面的研究一直都是处于实验室试验阶段，没有真正 应用于临床检测的硬件系统实现。本课题在王智伟师兄已经初步完成了e i t 数据采集 电路的设计基础上，进一步对驱动部分进行系统的分析研究。 本文主要的工作有以下几个方面： ( 1 ) 设计并实现了基于物理模型1 6 电极e i t 硬件系统，对驱动模块和信号检测 模块等各功能子模块进行了分析、论证。 ( 2 ) 研究了系统的驱动模式，与测量方法相结合重点分析了系统所采用的注入式 驱动模式，得出适合本系统的对向驱动。进一步对与系统驱动模式相关的电极的优化 进行了详尽的分析研究。 ( 3 ) 利用d d s 技术，对恒流源模块进行优化设计，实现5 0 k h z 正弦信号输出， 并进一步给出了实现多频输出的信号源的设计方案，为进一步工作打基础。 4 像 像 成 成 维 维 二 三v 八 t n 町 m 配 像 像 成 成 抗 流 阻 电 应 应 感 感 磁rljl 式触接非 ，、，i 阻抗成像 硕：匕论文 电阻抗成像系统驱动研究 2 e i t 系统总体设计 电阻抗断层成像是根据人体内不同组织的电阻抗特性这一物理原理，通过给人体 注入微小安全电流，在人体内部形成一个电场分布，在体表就会形成有规律的电位， 通过测量体表电位，重建人体内部电阻抗分布图像分布。但是在e i t 的求解过程中， 由于e i t 逆问题的病态，边界电压数据的微小扰动会引起解的巨大变化，即图像重建 算法对测量数据中的噪声特别敏感，这就要求e i t 测量系统有很高的精度。目前最大 可实现的生理性阻抗变化只引起测量电压1 0 的变动，所以通常认为e i t 测量硬件 必须有至少o 1 的精度【7 j 。这就要求一方面恒流源要有足够高的输出阻抗，另一方面 又要求测量放大器的共模抑制比及输入阻抗也要足够的高。 本章主要工作包括：分析e i t 系统的工作原理和e i t 硬件系统结构，完成了1 6 电极e i t 系统的总体设计方案。 2 1e i t 系统的基本工作原理 2 1 1e i t 的生物电特性 研究表明，生物组织是由大量的细胞以及周围的细胞间质共同构成。其中细胞间 质为具有电解特性的组织液及悬浮于其中的大分子化合物构成，可等效为一定阻值的 电阻。细胞膜为具有低的漏电特性的绝缘膜，是组织阻抗容性成分的主要贡献者。细 胞质与细胞间质相类似，表现为阻性。在高频激励电流下细胞膜上的容抗短路了其阻 抗，电流可以穿过细胞层：在低频激励下细胞主要表现为阻抗性，可以忽略其容抗效 应。图2 1 为细胞的电特性模型。 r 1 图2 1 细胞的电特性模型 其中电阻犬，和电容c l 代表细胞膜，置和r 分别代表细胞内外的流质【9 】。 对生物体来说，一方面由于细胞种类、排列的疏密、细胞间质及细胞膜通透性的 不同，不同组织、甚至于同种组织的不同方向及状态所表现出来的阻抗特性都有可能 不同；另一方面由于组织的生理或病理改变必然会影响到细胞膜的通透性和细胞间质 的电解质浓度的变化，从而影响到其组织的频率特性。所以某些组织器官的阻抗值在 5 2 e i t 系统总体设计 硕：十：论文 病变状态和正常状态下的差异非常大。如正常的乳腺组织的阻抗为3 7 0 f 2 c m ，而乳 腺肿瘤组织的阻抗约为1 5 0 f 1 c m ，其阻抗值减少了一半以上。e i t 技术用于临床的 重点就是要寻找出类似病变的区域，以便及早治疗。表2 1 给出了在正常情况下各种 不同组织在不同信号频率激励下的电导率【1 0 】，表2 2 给出了人体部分组织在激励频率 为2 0 , - 一1 0 0 k h z 内的阻抗值【l l 】。 表2 1 由试管测量得到的不同组织的电导率( 单位铴- 1 ) 表2 2 部分人体组织正常状态下的阻抗值 2 1 2e i t 的基本原理 e i t 技术通过在目标物体四周安放电极阵列并注入交流电流，在产生电流场的同 时通过电极测量目标物体表面的电位，由注入的交流电流和测量的电压数据，以及一 些附加信息，可以重构出目标物体横截面内电导率( 或电阻率) 的空间分布，从而得到 电阻抗断层图像。e i t 技术原理如图2 2 所示。 图2 2e i t 技术原理 图2 2 是典型的医学e i t 简化系统，阻抗成像的基本原理是：通过在被测人体的 周围放置一系列的电极，从电极上注入安全的交流电流( 对于人体测量时，电流的频 率通常小于1 0 0 k h z ，常采用5 0 k h z ) ，同时测量其余电极上的电压值，由获得的电压 数据及电流、电导等一些先验参数经过一定的算法计算得到被测体内部的电阻抗分 6 硕士论文乜阻抗成像系统驱动研究 布，最后得到阻抗断层图像。 由图2 2 可知，完整的e i t 系统主要包括两大部分：数据采集系统和图像重构系 统。数据采集系统主要包括精准的恒流源、激励和测量电极阵列、测量电路、相敏解 调电路，a i d 转换电路，控制电路和p c 机等，它是整个e i t 技术的硬件部分。恒流 源的作用就是产生安全的正弦激励，实现高精度的恒流输出：激励和测量电极阵列主 要用于对驱动电极和测量电极的选通；解调电路是要从信号中解调出有用的阻抗信 息。控制电路主要是负责激励源及测量电路的参数及模式设置，以及校正和定标等功 能。计算机主要是进行总体控制及软件应用等。图像重构系统以图像算法为核心，还 包括图像处理，数据分析等等，主要功能就是用数据采集系统得到的数据，采用一定 的算法重建出反映阻抗信息的图像。 2 2e i t 硬件系统结构 e i t 系统从最初的单通道激励、单通道测量，发展到后来的并行激励i l 、并行测 量技术，直到现在的感应线圈激励、感应线圈测量技术，以及大规模集成电路、数字 信号处理技术的应用，e i t 系统的测量精度越来越高，测量速度越来越快。能否合理 地设计硬件系统的结构，也就决定了整个硬件系统的精度和速度。 2 2 1e i t 系统的驱动测量方式 按驱动测量方式分，目前的e i t 数据采集系统主要有3 种基本形式【1 2 】：电流驱 动电压测量方式、电压驱动电流测量方式及近年来出现的感应电流方式。因电压驱动 电流测量方式需要有效的去除接触阻抗的影响，电路结构往往非常复杂，这种模式目 前己不多见，而感应电流模式又未能在数据测量的精度上显示出其优势，故多数的研 究小组的硬件系统仍以电流驱动电压测量方式为基础。由于电流在容积导体内的非线 性分布，容积导体内阻抗的变化所引起的外围电信号的变化量非常小，大家普遍认为 数据测量系统的精度不得小于0 1 。这一方面要求恒流源具有足够高的稳定度和输 出阻抗，另一方面又要求测量放大器的精度及输入阻抗也要足够的高。 2 2 2e i t 系统的硬件结构 按硬件系统的结构分，e i t 数据采集系统主要分为串联系统、并联系统和分布式 系统。每个系统都有各自的优缺点，下面以电流激励、电压测量的e i t 系统为例分别 给予介绍。1 6 个驱动及测量电极放置在被测对象的周围，5 0 k h z 的交流电流经多路 开关通过其中的两个电极注入被测对象，同时经多路开关测量其它两个电极间的电 位。当测完所有两个电极间的电位后，更换驱动电极，再测量所有其它两个电极间的 电位。在此系统中，只有一个激励通道、一个测量通道，称之为串联系统。如图2 4 7 2 e i t 系统总体设计硕= 卜论文 所示，仅有电流源通过多路开关加到被测对象，而每种电极组合都有独立的电压测量 电路的系统，称之为半并联系统。此系统中，测量通道的仪表放大、程控增益放大和 解调同时进行，但所有的通道共用模数转换功能。也有的半并联系统只是仪表放大器 采用并联方式。当系统具有和电极数量一致的采集通道( 包括模数转换) 时，称之为并 联系统。串联结构e i t 硬件系统的原理如图2 3 所示，半并联结构e i t 硬件系统的原 理如图2 4 所示。 电 流 源 多路 开关 多路 开关 图2 3串联结构的e i t 硬件系统 仪表fl 程控增益 放大i 放大 _ j 一一 l 一 仪表ij 程控增益 放大l 放大 _ j 一 一 仪表li 程控增益 放大l 放大 _ j 一 一 仪表i1 程控增益 放大l放大 解调 滤波器 解调 滤波器 解调 滤波器 解调 滤波器 图2 4 半并联结构e i t 的硬件系统 重k | | 恤 为了提高系统的测量精度和简化系统与电极间的连接，有必要将测量的部分电路 靠近电极，也就是将测量电路分布在电极的周围，因此产生了半分布式和分布式系统。 例如测量电路通过短导线连接到电极，利用长导线连接到主系统，这样的系统即为半 分布式系统。这种结构比前两种系统有较小的误差，但造成电极与主系统间连线的复 杂。这些缺点随着电子元件的小型化和集成化可以逐步得到解决。 2 3 总体设计方案 由于串联结构的e i t 系统共用驱动通道和采集通道，结构简单，没有并联系统和 分布式系统对器件对称性的要求，虽然以牺牲采集速度为代价，但更容易实现较高精 度的数据采集，所以本系统采用了串联结构的方案。 e i t 硬件系统( 数据采集系统) 是阻抗断层成像技术中重要组成部分，系统的精度、 速度、稳定性、信噪比等对e i t 进行实时图像重构的质量与速度起着十分重要的作用， 8 硕士论文 电阻抗成像系统驱动研究 是e i t 能否用于临床应用的关键。e i t 作为种无创的成像手段，采用外部激励，体 表测量，使e i t 中被测量较弱且动态范围较大，加上图像重建算法对初始测量数据的 误差特别敏感，因此e i t 硬件系统以高精度为前提。本章节将详细介绍由单片机控制 的1 6 电极e i t 硬件数据采集系统，图2 5 为整个e i t 数据采集系统框图。 r j 垂m 因咂斗匿雏 li 羹hf 1 6 电极 多h 蓁团咂 单片机 d d s 信号源 图2 5e i t 数据采集系统框图 整个硬件部分可以分为驱动模块、信号检测模块、系统控制模块三大部分。主要 包括：恒流源( 信号源和v c c s ) 、两套模拟开关、电极和待测物理模型、信号放大电 路、同步解调电路、1 2 位精度的a d 转换电路、单片机控制系统、计算机及其相应 电路。 待测量的物理模型一般使用盐水槽，加入密度不同的其它物体( 如木棒等) ，以便 测量其阻抗分布情况；物体模型周围分布有电极，通过电极可以注入电流，然后从其 它电极测量电压。测量时，由恒流源产生一定频率的正弦信号，再由v c c s 转化为电 流源，通过多路模拟开关将电流注入其中一对电极，同时分别测量其余电极上的电压， 经解调电路解调后由a d 转换电路转换成数字量，采集到的信号再通过串行口传给 计算机重建图像。整个采集系统在单片机a t 8 9 s 5 1 的控制下进行工作。下面详细介 绍以下各个功能模块。 2 3 1 驱动模块的设计 e i t 作为一种无创的成像手段，目前均采用外部激励( 包括体表激励和感应激励) 、 体表测量技术，致使e i t 中的被测量信号较弱且动态范围较大，因而e i t 硬件系统的 设计均以高精度为前提。为充分利用e i t 无创及功能成像的优势，满足临床实时图像 监护的需要，e i t 成像速度理论上应大于2 5 帧秒，即硬件系统采集组成像数据的 获取时间加上算法重构一幅图像的重构时间应小于4 0 m s 。因此，e i t 成像中的硬件 系统在高精度的前提下还应有高速度的特性。 驱动模块作为硬件系统中主要功能模块，激励源( 恒流源) 与模拟开关是驱动模块 的核心。这一部分的精度和速度直接影响到后面电路，所以，这一部分电路是否可以 达到系统要求高精度高速度对整个硬件系统起着关键作用。 9 2 e i t 系统总体设计 硕十论文 2 3 1 1 恒流源 恒流源由信号发生器和v c c s 两部分组成。恒流源是e i t 系统中非常关键的组 成部分，它的设计好坏直接关系着整个系统的设计质量。 考虑到人体的安全，并且为了研究方便，本系统要求产生频率为5 0 k h z ，初始 相位为0 的正弦信号。本系统的信号发生器部分采用了直接数字合成( d i r e c td i g i t a l s y n t h e s i s ，d d s ) 技术，使用了a n a l o gd e v i c e s 公司推出的d d s 的集成芯片a d 9 8 5 1 ， 并且使用单片机a t 8 9 s 5 1 作为微处理器。对于这一部分的具体实现，在第四章进行 详细的介绍。 2 3 1 2 激励测量模式设置模块设计 激励测量模式设置模块用于设置电流激励输入模式和电压测量模式，即按需要的 激励方式将激励电流加载到要求的1 6 个激励电极中的一对电极上，按需要的测量方 式将1 6 个测量电极中的一对电极上的电压加载到信号检测模块的输入端。此模块的 设计主要考虑以下因素：模式设置灵活方便、通道一致性好、导通电阻小、切换速度 高。 因为无论电流输入还是电压测量信号都是弱信号，采用了目前常用的集成模拟开 关作为激励测量模式设置模块的基本电路单元。目前集成模拟电子开关在小信号领域 已成为主导产品，与以往的机械触点式电子开关相比，集成电子开关有许多优点，例 如切换速率快、无抖动、耗电省、体积小、工作可靠且容易控制等。 模拟开关( 又称多路开关) 是驱动电路和测量电路的必须器件。对电极施加驱动电 流以及从电极上提取测量电压，都要通过模拟开关来完成。由于e i t 系统采用的激励 交流信号小于5 毫安，因此电极开关阵列的选择需要满足一定的要求，即选择的模拟 开关的性能一定要好，否则极易造成误差。本系统选用m a x i m 公司的m a x 3 0 6 集 成模拟开关，m a x 3 0 6 是1 6 选1 的多路模拟开关，其主要功能如下【1 3 】： 1 ) 程序控制1 6 选1 ( 1 4 ：14 个地址端a o ，a l ，a 2 ，a 3 和1 个选通决定) ； 2 、导通电阻r o u l o o f 2 ； 3 、通道间匹配误差 5 q ，通道间串扰 9 2 d b ； 4 1 导通时对地泄漏电流 2 5 n a ，导通时的对地等效电容 1 4 0 p f ； 5 ) 开关时间 11 0 d b ，转换速率s r 4 5 叫p s 。片内补偿电容 经外管脚连接，不需要外接电容即可稳定工作在闭环增益上，利用片内电阻可以组成 闭环增益为1 和2 的对称增益放大器，闭环增益精度高于0 0 5 【1 7 】。图2 1 l 为 a d 6 3 0 的内部解调电路。 1 6 争纷 调输出 图2 1 1a d 6 3 0 的内部解调电路 a d 6 3 0 实现的是开关解调，载波是同频率的方波。当载波大于0 的时候，待解 啊十论zl u - z 一 海系统qr 宄 调皓号从通道a 鞔八，相应特解调信号倪拌不变：当载波信号小于01 1 9 时惯b 通 道接通，相应朗鲥请信号取反，从而实现了待解调信号与载波信号的相乘。 在实际测试中，输入载波为5 0 k t l z 的方波，让待解调信号接入a d 6 3 0 进行解恻， 罔2135 - x 别为通过丌关解谓器的待解洞信号、载波信号和输出信号。 a ) 待解调信号 ( bj 载波信号 ( c ) 输出信号 图213 通过开关解调器a d 6 3 0 前后的信号 低通滤波器也是组成解调电路的关键部分这里仍采用m a x i m 公司生产的通用 型有源滤波器m a x 2 7 5 ，这一部分将在第四章介绍信号源的部分详细讲解，这里不在 韫址，川关群呐话, d 6 3 u 与眦址。e 杖i _ ； 迎战囟划酯2j 4 嘶小： 岫i 论文 2 4 设计结果 图21 4a d 6 3 0 与m a x 2 7 5 构成的解调电路 本章主要从e i t 系统的实现原理以及具体的硬件系统两个方面进行了研究，重点 是刘r 整个硬件系统的殴计研究。并且采用e d a 软件p r o t e l 9 9 s e 设计完成了本系统 的原理图以及p c b ，完成了实验用的电路板的制作。图215 分别为e i t 数据采集系 统电路板。 图2 】5e i t 数据采集系统电路板 硕：f 论文 电阻抗成像系统驱动研究 2 5 本章小结 本章详细地分析了整个硬件系统的设计过程：系统结构的设计、各模块内部结构 设计、硬件电路的具体实现。 串联结构的e i t 系统共用驱动通道和采集通道，结构简单，没有并联系统和分布 式系统对器件对称性的要求，同时考虑设计e i t 硬件系统的基础，虽然此种结构牺牲 了采集速度，但更容易实现较高精度的数据采集，所以采用串联结构方案。各功能模 块子电路的设计，尽量采用高性能集成电路，以增加每个电路的精度，从而达到提高 整个系统精度的目的。 1 9 3 e i t 系统的驱动模式 硕十论文 3 e i t 系统的驱动模式 在体表激励体表测量中，驱动模式不同，即驱动电流加载的方式不同，成像目标 内电流场的分布不同，从而导致体表电压分布不同，测量值、测量精度、动态范围以 及体表测量对中心区域的敏感性均不同。同时，驱动模式不同，需要与之相对应的图 像重构算法，对图像重构结果也有较大的影响。因此，对驱动模式的深入研究，在指 导硬件系统的设计、提高测量精度和改善重构图像质量等方面都有重要意义。e i t 系 统驱动模式按施加激励的方式，可分为注入驱动模式和感应驱动模式两大类。 注入驱动模式( i n j e c t e dd r i v e np a t t e m ) 指通过接触电极向成像目标内注入安全限 以下的交流电流( 电压) 的驱动模式，是一种较为成熟的驱动技术，目前大多数实验小 组都是采用的这种驱动模式；感应电流电阻抗断层成像( i n d u c e dc u r r e n te l e c t r i c a l i m p e d a n c et o m o g r a p h y ， i c e i t ) 是一种新的e i t 技术，即在被测目标的外围放置若 干个激励线圈，对其施加时变电流，在空间产生交变磁场， 从而在被测目标内激 励出感应电流。测量目标表面相邻电极的电压差， 并用此数据进行目标区域电导率 图像重建。如图3 1 为注入式驱动示意图，结构如图3 2 为感应式驱动示意图。 图3 1注入式驱动示意图 图3 2 感应式驱动示意图 硕士论文电阻抗成像系统驱动研究 同注入驱动模式相比，感应驱动模式具有以下新的特性【8 】： a ) 成像目标内的电流不受电极处的电流密度的限制，因而有可能使用更大的电 流密度以提高信噪比； 一 b ) 由于周围电极仅测量输出电压，不用于电流驱动，所以可以简化电极设计； c ) 独立测量结果的数量可以通过增加外部线圈的个数而增加，不受电极数目的 限制； d ) 在理论上，感应驱动有可能控制被测目标内的电流分布。从而提取某一部分 的细节。 在e i t 技术的发展前期，各个研究小组都是采用的注入式驱动模式，该技术现在 已经是一项相对来说十分成熟的技术，所以现在的各个研究小组大多采用的还是注入 式驱动，并且它的工艺以及实验资料都比感应式驱动丰富一些。 感应式驱动是近几年才发展起来的一种驱动模式，因为在提高信噪比，简化电极 设计，不受电极数目的限制和可以提取某一部分的细节等方面有自己的优势，所以有 很好的发展前景。但是，作为一种新兴的工艺，在技术方面还不是十分成熟。并且， 相对于注入式驱动模式，感应式驱动的实验结构相对复杂，不容易实现。这对实验室 的要求很高。根据以上因素的分析，本系统采用的是注入式驱动模式。 3 1 注入式驱动模式 3 1 1 注入式系统的基本原理 k o h n 和v o g e l i u s 已从理论上证明了只要获得覆盖全部被测区域边界的无限精度 的电压( 或电流) 测量数据，就可以唯一确定被测区域内各向同性的阻抗分布【1 3 4 1 。但 是在实际应用中，由于只能通过在被测区域外围放置有限个数的电极而获得有限精度 的测量电压( 或电流) 数据，而且生物组织阻抗往往会表现出各向异性的特征，这些条 件的限制，常常会导致对被测区域阻抗分布的求解成为一个非适定的问题，从而使得 在实际e i t 成像系统中重建出的图像往往是对真实阻抗分布图像的近似【”6 1 。因此 在建立e i t 图像重建模型的过程中，虽然对某些条件的假定和近似是必然的，通过假 定和近似有利于简化对复杂问题的求解。所以在对模型的建立和计算要有一些特定的 假设f 1 7 1 ： 1 ) 被测体的电导率分布是呈线性和各向同性的； 2 ) 电磁场强度的变化是非常缓慢的； 3 ) 所要研究的场域内没有与激励电流源相同频率的电流源，这样保证敏感场就 各处电流的散度为零，可以在该场域内应用欧姆定理，电位和电场强度之间的关系式； 4 ) 电导率的分布和电流密度无关，这样电导率的分布就可以采用标量形式表示 3 e i t 系统的驱动模式 硕：卜论文 仃( 石，y ) ； 5 ) e i t 的电场是个似稳场，即在场域四周施加交流信号时，认为电流同时在场内 各点都引起变化。 根据以上假设，就可以对场内的任一点任一区域运用电磁场理论进行分析。 3 1 2 数学模型 当对一个物体施加激励电流时，其周围就会产生电磁场，并且生物组织体内的电 磁场分布总是满足m a x w e l l 方程【1 8 】： vk 矗：j 堕 西 v x 豆：一望 8 f ( 3 1 ) v b = 0 飞丙= p 式中，v=三o吴+昙为泊松算子，疗为磁场强度，e为电场强度，豆为磁感应强o锻钟z一一 度，西为电位移矢量， 厂为电流密度，p 为电荷密度。 实际上大多数生物组织的电学特性都具有各向异性，假定生物组织是纯电阻介 质，且成各向同性，则上述物理量满足如下关系【1 7 】： 西= 西歹= 露云= 旃 ( 3 2 ) 式中，占为介电常数，盯为电导率，为磁导率。 对于线性介质它们都是一常数，对于非线性介质，它们是随着场强的变化而变化。 由v v x 疗= 0 ，对式3 i 中的第一个方程求散度运算可得： v v 厅以( ，+ 争= 0 ( 3 3 ) 将3 2 式代入式( 3 3 ) 得 v ( 葩+ j c o # e ) = v p + - ，嬲) 豆= 0 ( 3 4 ) 式中，仞为注入电流的角频率。 硕士论文f u 阻抗成像系统驱动研究 引入场内部的节点的标量电压v ，则由豆= 一v y 可得： v ( 盯+ j o e ) ( - v v ) = 0 这样场域q 内任意一点( x ，y ) 处的电压v ( x ，y ) 就满足l a p l a c e 方程 ( 3 5 ) v 。( 仃( x ，y ) + 嬲( x ，j ，) ) v 矿= v 。r ( x ，y ) v 矿= o ( 3 6 ) 式中，r ( x ，y ) = 盯( x ，y ) + j c 0 6 ( x ，y ) 称为该点的复电导率。 在e i t 技术中人们常用的激励电流源的频率较( 氐( 1 0 k h z - 1 0 0 k h z ) ，在此频率下 可以忽略介电常量的影响，即内部组织表现出的是纯电阻特性，可以忽略其虚部信息， 所以式( 3 6 ) 的泊松方程便可以简化为： v ( c r ( x ，j ，) v v ) = 0 ( 3 7 ) 其边界条件为： v = o n 孢( d i r i c h l e t 边界条件) 盯娑= 一山o n 孢( y e u m a n n 边界条件) o n e i t 就是要求解该方程的电导率盯( x ，y ) 的大小和分布，即复电导率的实部，省略 其虚部分量。式( 3 7 ) 实际上是一个椭圆型的偏微分方程，对于这类偏微分方程的求解 只有对具有径向对称的正规几何场域时才存在解析解，而对于不规则区域内的求解必 须采用数值技术。也就是说e i t 问题不能使用解析法来求解，而需要用“解正问题最 优化”的方式借助于叠代计算来实现【1 9 1 ，即先假定已知电导率仃。( x ，y ) 的分布，通过 求解正问题，解出各点的电位分布值，再根据已知的边界条件不断的修改假定的电导 率分布( 即迭代步长) ，通过不断的迭代求解正问题，直到收敛到满足已知边界条件， 从而最终求出未知的电阻抗分布值，再重建出其图像。 3 2邻近驱动和对向驱动 根据上节的分析，本系统采用注入式驱动模式，注入式模式又分为三种情况：邻 近、对向和最优驱动模式。对于特定成像区域，采用多电极