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硕士论文电阻抗成像系统数字相敏解调器的研究 摘要 电阻抗断层成像是近三十多年在世界范围内兴起的一种全新的生物医学成像技 术。该技术通过在生物体表面安放适当数目的电极并注入电流，注入的电流在生物体 组织内产生电流场，按照特定的驱动模式测量相关电极的电压，根据注入的交流电流 信号和测量获得的若干组电压值，并将这些值作为电阻抗成像软件算法的参数值，通 过软件算法计算便可获得生物体内的电阻抗分布，继而得到反映生物体内部组织特性 的电阻抗断层图像。由于该技术具有无辐射，可实现对人体连续监护，价格低廉等传 统医学成像技术所不能达到的优点，使之成为当今最理想的、最具有前景研究课题之 一。 论文阐述了电阻抗断层成像技术的理论基础、发展概况，详细叙述了电阻抗成像 技术数据采集系统的原理、电极驱动模式以及相敏解调技术，并实现了适用于数字相 敏解调器的非均匀采样技术；论文完成了基于f p g a 的数字相敏解调器的v h d l 语 言和模块原理图的实现，并对该数字系统进行了时序仿真；最后基于该数字系统设计 了p c b 硬件电路，并对该电路进行了硬件测试。实验结果表明：该系统能够使用低 速率a d c 实现高采样率，降低了a d c 量化误差，提高了电阻抗成像系统中相敏解 调器的信噪比。 关键词：电阻抗成像，非均匀采样，相敏解调。f p g a ，p c b 垒! ! 皇竺! 硕士论文 a b s 仃a c t e 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 ( e i t ) i so n eo ft h en e wb i o m e d i c a li m a g i n g t e c h n 0 1 0 9 yw h i c hr o s ei nn e 砌y3 0y e a r si nt 1 1 ew o r l d t h et e c 王u 1 0 1 0 9 yi sa c h i e v e db y p l a c i n gm ee l e c t r o d eo nt h es u r f - a c eo f1 i v i n go 昭捌s ma n d e c t i n gt h ec 咪n tw h i c h c r e a t e sc u r r e n tf i e l di nt h el i v i n go 珞a 工l i s m ，t h e nm e a s u r i _ n gt h ev 0 1 t a g eo ft h ee l e c t r o d ei n a c c o r d a i l c e 晰mt l l es p e c i f i c “v em o d e t h e 蜥e c t e da c s i g n a la n ds e v e r a lv o l t a g ev a l u e s i ss e ta st h ep 猢e t e rv a l u e so ft 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 ys o 觚a r ea 1 9 0 d t h m s w h i c hc a i lb eu s e dt oo b t a i nm ed i s t r i b u t i o no fe l e c t r i c a li i i l p e d a l l c eo fm el i v i n gb o d y a t l a s t ，a i l a l y s i n gt h ee l e c 砸c a li m p e d a l l c et o m o g r a p l l i ci m a g er e f l e c tt h ei n t e m a lo 曙m i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f b i o l o g i c a lo b j e c t a sm e t e c l l l l o l o g yh a sn or a d i a t i o n ，i tc a l la c h i e v et h e p r o t e c t i o nf o rh u m a l lb o d yc o n t i n u o u s l y 锄dl o wc o s t ，a 1 1 dt h e s ea d v a n t a g e sc a l ln o tb e a c h i e v e db yt h et r a d i t i o n a lm e d i c a li m a g i n gt e c h n i q u e s ，砌c hm a k e si tb e c o m eo n e o ft l l e m o s ti d e a ja n d p r o m i s i n gt o p i c s t h i sp a p e rd e s c r i b e s 也eb a s i c 也e o 矗e so ft h ee l e c t r i c a l i m p e d a l l c et o m o g r a p h y t e c h n o l o g ya n di t sd e v e l o p m e n ts i t u a t i o n ；o 丘e r st h ep r i n c i p l eo fe l e c t r i c a li m p e d a n c ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，a n dt l l ee l e c 廿o d e 缸v em o d ea 1 1 dd h a l s e s e n s i t i v ed e m o d u l a t i o n t e c h n o l o g yi nd e t a i l i na d d i t i o n ，m i sp a p e ra c l l i e v e sas u i t a b l en o n u n i f o ms 锄p l i n g t e c l l i l i q u ef o rd i g i t a lp h a s es e n s i t i v ed e m o d u l a t i o n b a s e do nf p g a ，t h ep a p e rc o m p l e t e s t h ed i g i t a l p h a s e - s e n s i t i v ed e m o d u l a t o rv i av h d l ，m o d u l es c h e m a t i c sa n dt i m i n 2 s i m u l a t i o no fm ed i g i t a ls y s t e m f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h ed i g i t a ls y s t e m ，d e s i g nt l l ep c b h a r d w a r ec i r c u i t t h ec i r c u i th a r d w a r et e s t sr e s u l t ss h o wm a tt h es v s t e mi sa b l et ou s et h e l o w - r a t ea d ct oa c l l i e v eah i g hs 锄p l i n gr a t e ，r e d u c e st h ea d c q u a i l t i z a t i o ne m ra j l d i m p r o v e st h es n r ( s i g n a lt on o i s er a t i o ) o fe l e c 讲c a li m p e d a n c et o m o 铲a p h ys y s t e m p h a s e s e n s i t i v ed e m o d u l a t o r k e yw o r d ：e i t ，n o n - u n i f o ms a m p l i n g ，p h a s e s e n s i t i v ed e m o d u l a t i o n ，f p g a ，p c b i i 硕士论文 电阻抗成像系统数字相敏解调器的研究 目录 摘墨要。i a b s t r a c t 。i i 1 绪论1 1 1 电阻抗成像概述1 1 1 1 电阻抗成像特点1 1 1 2 电阻抗成像方法一2 1 2 国内外研究概况2 1 2 1 国外e i t 发展状况一2 1 2 2 我国e i t 研究进展3 1 3 电阻抗成像的应用前景以及技术难点4 1 4 本课题主要研究工作5 2e i t 数据测量技术6 2 。1e i t 的理论基础6 2 1 1 生物组织的电特性一6 2 1 2 电流的生物效应一7 2 1 3e i t 技术的基本原理8 2 2e i t 驱动模式8 2 2 1 相邻驱动模式一9 2 2 2 交叉驱动模式1 0 2 2 3 相对驱动模式12 2 2 4 自适应驱动模式13 2 3 相敏解调技术1 4 2 3 1 模拟解调技术1 5 2 3 2 数字解调技术1 8 2 4 非均匀采样技术2 l 2 4 1 数字相敏解调器的噪声性能分析2 1 2 4 2 非均匀采样的实现2 4 2 5 小结2 6 3 基于f p g a 的数字相敏解调器的实现2 7 3 1d d s 信号发生器2 7 3 1 1 相位累加器2 8 i i i 目录硕士论文 3 1 2 相位调节器2 9 3 1 3r o m 存储器3 0 3 1 4 时钟调节模块3l 3 1 5 时序仿真3 2 3 2 数字相敏解调器的f p g a 实现3 3 3 2 1 偏移二进制转有符号二进制模块3 4 3 2 2 参考正弦、余弦数字序列3 5 3 2 3 乘法器3 6 3 。2 4 累加器3 6 3 2 5 时序仿真3 9 3 3 七段数码显示系统4 3 3 3 1 数据刷新模块4 3 3 3 2 七段数码显示模块4 5 3 3 3 时序仿真4 7 3 4 系统模块连接4 8 3 5 小结4 9 4e i t 数字相敏解调系统的硬件电路设计5 0 4 ，lf p g a 芯片外围电路5 l 4 1 1 时钟电路5 3 4 1 2 下载配置电路5 4 4 1 3 电源和滤波电路5 4 4 ，2 数模转换系统5 6 4 2 1 数模转换器5 6 4 2 2 放大接收电路5 7 4 3 滤波电路5 8 4 4a d c 采样电路6 1 4 4 。1a d c 驱动电路6 l 4 4 2 模数转换器6 2 4 5 显示和控制电路6 4 4 6 小结一6 5 5 结果和分析6 6 5 1 无增益时的实验结果和分析6 6 5 2 有增益时的实验结果和分析6 8 5 3 小结6 9 硕士论文电阻抗成像系统数字相敏解调器的研究 6 总结和展望7 0 6 1 工作总结7 0 6 2 展望7 0 致 射7 2 参考文献7 3 v 硕士论文 电阻抗成像系统数字相敏解调器的研究 1 绪论 不同生物组织和器官的电阻率不同，且同一组织和器官在不同的健康状况下电阻 率也不同，因此，生物体的生理或者病理的变化会引起电阻率的变化。电阻抗成像 ( e l e c t r i c a li i i l p e d a l l c et o m o g r a p h y ，e i t ) 技术正是根据上述特性，通过给生物体注 入适当大小的安全电流，测量生物体表面的电位，再由相应的电位信息来重建生物体 内的电阻率分布以及电阻率变化的图像，这是一种可以反映生物体内部结构及组织器 官功能的新颖医学成像技术【l j 。自2 0 世纪7 0 年代s w 趾s o nd k 提出电阻抗成像的方 法后，电阻抗成像技术便引起不同学科研究人员的高度关注和研究兴趣【2 9 j 。 e i t 系统一般由数据采集系统和计算机成像系统( 包含图像重建算法) 两大部分 组成i l j 。图1 1 是电阻抗成像系统的原理图，数据采集系统的作用是在电流激励下从 体表测量电信号，经a d 转换及数据处理后为电阻抗图像重建算法提供高精度的数 据。 斯究赶套、卜八 电位检 a d 卜计算机成像 电流源 y转换叫 ( 重建、显示) 心暨广叫 测系统 1 1 电阻抗成像概述 图1 1 电阻抗成像系统框图 1 1 1 电阻抗成像特点 研究证明：生物体各个组织的电阻抗分布，会随着该部位的健康状况发生改变， 尤其在病变初期，病变部位在结构上和正常部位并无太大差异，但是该部位的阻抗已 经发生了很大的变化【1 0 】。对生物体组织电阻抗的检查有助于提早发生病变部位，防微 杜渐【l l 】。 e i t 技术是基于这种生物体特性而产生的，通过对生物体注入适当频率的安全电 流，然后测量相应体表的电位信息，最后通过相关软件算法获取生物体组织的电阻抗 分布或者电阻抗变化的分布图像，相对于现有的成像技术，它具有以下优点【1 0 】： ( 1 ) 无创、可重复：e i t 使用低频、小电流形成的电场来获取生物体组织内部 信息，无放射性。无毒无害，可以长期、连续监护病变组织，这是现有的成像技术无 法企及的。例如：在监测体内局部出血、血肿的发生与发展过程，胃排空检查以及评 价人工透析等方面的应用，具有广阔的前景。 ( 2 ) 对功能变化敏感：e i t 技术获取的生物组织的电特性主要反映其功能的变 化，对体液、气体和不同组织结构和组成变化等具有独特的辨别能力，对于血液的流 1 l 绪论 硕士论文 动、肺的气体交换、体液成分和含量的变化特别敏感，所以，e i t 技术属于功能成像 的范畴。实验发现：通过检查该器官的电阻率的改变，在数分钟内便可发现生物器官 局部损伤或者缺血，但c t 和m 则只能在生物组织已经发生明显的病变后，才能 发现生物组织的这种异常，这时可能已经错过最佳的治疗时间。 ( 3 ) e i t 系统设备结构简单、廉价：e i t 硬件系统主要由计算机以及数据采集系 统等构成，这些设备在当前科技水平的条件下完全可以达到，而且费用相对于其他成 像设备比较低廉。与现有的医学成像仪器如c t 和m 相比，e i t 系统体积小，容易 维护，方便携带，因此它更容易被医疗单位和患者接受，且可以在例如汶川大地震的 自然灾害造成道路被毁，大型设备无法送达时，作为急救医疗设备。 1 1 2 电阻抗成像方法 对于不同的成像目标，电阻抗成像主要分为静态成像和动态成像两种。对于不同 的测量方式，电阻抗成像又可分为接触式成像和非接触式成像【lo 】。动态成像，也称为 差分成像，是利用两个时刻的测量数据，通过成像算法得到这两个时刻的电阻抗分布 的差值，然后构成一幅差分图像。由于差分计算可以抑制硬件系统中数据采集时的系 统噪声，因而可以降低对数据采集系统的高精度和低噪声要求，而且相对于其他方法， 其计算量较小，所以比较容易实现。但是，如果两个时刻得到电阻抗分布相同则无法 得到图像，因此，该方法应用范围较窄。 静态成像是以生物体组织的电导率绝对值分布为成像目标，因而它有更广的应用 范卧1 0 】。但是，该方法也存在对硬件系统的要求较高，且计算量大，成像质量也相对 较差等问题，对于上述问题的研究也成了当今e i t 学界的研究重点。 以上方法都需要电极接触被测生物体表面，所以可统称为接触式成像。近年来， e i t 学术界开始了对非接触e i t 的研究，其中最为典型的是磁感应e i t ，其原理是磁 场中的容积导体内任意一区域电导率的改变时，该区域外部磁场会相应发生变化，以 此原理可以重建目标导体内部电导率变换的分布。它具有激励源不与人体接触，不受 电极数目的限制等优点，但目前该方法的重构算法不甚成熟，且现有硬件系统对弱磁 场的检查精度也不够高。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外e i t 发展状况 早在上世纪3 0 年代a t z l e r 和l e h a 加n n 等人便提出了阻抗容积描记术( 一维) ， 这便是最初的e i t 技术和未来e i t 技术的雏形【1 2 1 。 1 9 7 8 年，h e n d e r s o n 和w e b s t e r 通过组建电极系统，获得了人体肺脏位置的电阻 抗图像【1 3 】。 2 硕士论文电阻抗成像系统数字相敏解调器的研究 1 9 8 3 年，英国s h e m e l d 大学的b a r b e r 和b r 0 、v n 领导的小组利用等位线反投影算 法获得了人体前臂的断层电阻抗图像【1 4 j 。 1 9 9 5 年，s m i t h 和b r o w n 等【”j 改进了m a r ki 并研制出可用于临床研究的新系统 m 破i i ，该系统采集数据部分有1 6 个电极，成像算法为反投影法，图像刷新率可达 到2 5 帧渺。它已在英国皇家h a i l a m s k r e 医院进行临床实验1 1 6 】。 1 9 9 6 年，r a b b a n j 等【1 7 】e i t 界的学者研究了三维e i t 与二维e i t 之间的相互关联， 他们发现二维e i t 断层平面外的阻抗变化会导致该断层平面内图像的阻抗发生改变， 且成像目标向中心位置的漂移与成像目标到电极平面的距离成比例，该比例的比值约 等于成像目标的径向距离。根据这种发现，他们提出了一种通过两个二维e i t 获得一 个三维e i t 的方法。 9 0 年代以后，e i t 技术得到空前的发展。1 9 9 9 年，v a n h k n e n 等人利用全电极系 统构建三维e i t 图像，在同一成像目标中，静态图像与动态扫描图像相似衅；f i 纠。2 0 0 1 年，h y a r i c 等将g a p 模型和n o s e r 算法结合在一起也取得了较好的成像效果【2 0 】。 当前国际上从事e i t 技术研究的组织超过3 0 个，国际e 王t 研讨会每年郝在英国 举行次，而且，在维也纳也举行过多次欧洲e i t 研讨会。 1 2 2 我国e i t 研究进展 我国对于e i t 的研究开始于2 0 世纪9 0 年代中期，相对国外较晚。为了便于对 e i t 的研究，第四军医大学董秀珍教授在1 9 9 5 年便开发了一套软件实验系统，该系 统可以实现模型的建立、仿真成像和物理模型成像等功能【2 1 】【2 2 1 。 随后，第四军医大学和重庆大学开发并研制出高精度的e i t 实验平台，同时也深 入研究了该技术的临床应用。第四军医大学研制了模拟人脑颅骨和脑白质导电性能配 比的颅骨实验水槽，重庆大学研制了一维无创脑水肿动态监护仪和二维脑电阻抗地形 图仪，并进行了临床应用研究【2 3 1 。 目前专注于e i t 基础研究的国内单位超过1 0 个，主要研究方向是硬件电路和软 件算法【2 4 1 。而且，我国的众多大学，如河北工业大学、重庆大学、上海大学，第四军 医大学等都设立了e i t 研究小组，我国在e i t 技术的基础研究已经取得了很大的进步。 我校e i t 小组自成立以来也取得多项研究成果，戎立峰主要研究了e i t 的硬件系 统，完成了e i t 硬件系统的主要模块的电路设计【2 5 1 。姜爱霞也从硬件设计方面入手， 分析了整个电路的设计过程，设计并改进了e i t 系统的单频恒流源模块【1 3 】。马静通 过m a t l a b 重建出电阻抗分布图，并通过使用迭代算法和修正算法，提高了e i t 成 像质量【2 6 】。陈姝君运用m a t l a b 软件基于e i d o r s 3 d 软件包对三维e i t 问题进行了 仿真分析，为三维e i t 研究奠定了基础【1 9 l 。 l 绪论硕士论文 1 3 电阻抗成像的应用前景以及技术难点 近年来，电阻抗成像技术了引起了学界越来越多的关注。他们发现，对于不同的 生物体组织，其电阻抗分布不同，且即使对于同一生物组织，注入电流的方向不同时， 其电阻抗分布也存在差异，此外，生物体内各个组织还具有电阻抗分布范围较广的特 点，通过e i t 技术，可以获得反应器官组织边界的电阻抗分布图像。由于生物体在不 同生理状态或健康状态下，其组织器官的电阻抗存在差异，使得当生物体组织发生病 理和生理变化时会导致生物体组织电特性也发生改变。e i t 技术是通过获得反应组织 器官功能变化的电特性信息，并利用e i t 算法对携带了反应生物体生理和病理状况的 电特性信息进行图像重建，而且e i t 技术还能够鉴别血液和脂肪等软组织的成分及其 变化。虽然e i t 技术还不够成熟，但是，作为医学诊断的重要补充，e i t 成像技术可 以被应用到只要求低分辨率的场所。例如：e i t 成像技术不仅可以在脑损伤，周期性 偏头痛，脑供血等有关脑部成像的研究中作出独特贡献，还可以在肺栓塞，肺大泡以 及左下叶肺不张等肺部成像体现其独特优势。 作为一种新的诊断方法，e i t 技术有着无损伤、低成本和无辐射等诸多优点。但 是其软硬件技术，还存在一些不可忽视的问题，有待进一步完善【2 刀。 ( 1 ) 成像算法 e i t 成像算法是通过电极对生物组织体表注入的电流并从其他电极获得的电压， 通过电流和电压值获得组织的电阻抗分布，这也就表明，e i t 成像算法是逆问题的求 解。但e i t 成像算法的逆问题是病态的【2 引，也即该逆问题的解不收敛，其边界数据 的微小变化会使解发生巨变，现在己知的e i t 重建算法都是越靠近被测物内部，其分 辨率越低，而物体边界附近的分辨率相对较高。这就需要高速高精度的成像算法，实 现对逆问题的求解。 ( 2 ) 电极系统 主要体现在电极数量与计算量的矛盾上。e i t 的信息量较小，所以需要增加电极 以增大信息量，但是如果单纯地增加电极数量会使得计算量迅速增长，同时，由于 e i t 电极需要与生物体体表直接接触，这也制约了电极能够增加的量。 ( 3 ) 高精度的数据测量系统 研究发现：生理性阻抗变化最大的情况下只会引起测量电压1 0 左右的变动，这 要求e i t 硬件系统的误差必须在o 1 以下。所以选择系统结构，提高现有系统速度 与精度、信噪比，对于e i t 的发展显得尤为重要。 除以上问题外，如何减小e i t 算法的计算量，物理模型的建立，从物理模型到临 床研究的过度，都是现阶段e i t 技术研究的主要问题和主要方向。所以就临床角度来 说，e i t 技术要被广泛接受还有很长的一段路要走，但就发展前景来看，e i t 技术是 4 硕士论文电阻抗成像系统数字相敏解调器的研究 最具应用前景和潜力的技术之一。 1 4 本课题主要研究工作 我国对电阻抗成像的研究主要为软件算法的改进，对硬件系统的研究还有待深 入，且没有用于相关临床实验的e i t 仪器。由于软件算法的病态性，也需要个高精 度的硬件数据采集系统。基于这种现状，本课题对e i t 技术的数字相敏解调系统作了 深入的研究，实现了适用于数字相敏解调技术的非均匀采样技术，并根据该技术理论 设计了一个完整的基于f p g a 的e i t 数字相敏解调系统。此外，还实现了该e i t 数 字相敏解调系统的p c b 硬件电路设计和电路调试，并进行了相关的测试实验。本课 题主要的设计过程和实现方法将在本文一一介绍。 本文详细章节内容安排如下： 第一章为电阻抗成像技术的介绍，主要为国外发展概况以及我国在该领域取得的 进展，并简述了电阻抗成像技术的应用前景以及技术难点。 第二章介绍了电阻抗成像测量技术的理论基础，驱动模式以及数字解调技术和模 拟解调技术，并提出了适用于数字相敏解调的非均匀采样技术新的实现方法。 第三章主要介绍了本课题中基于f p g a 的数字相敏解调系统各个组成模块的 v h d l 语言实现，相关代码和模块连接原理图的时序仿真。 第四章主要介绍了相关元器件的技术参数，并详细阐述了e i t 数字相敏解调系统 的硬件电路实现过程。 第五章主要展示了实验结果，并对实验结果进行了相应的分析。 第六章为对本文工作的总结和对未来e i t 技术发展的展望。 2 e i t 数据测量技术硕士论文 2e i t 数据测量技术 2 1e i t 的理论基础 17 8 0 年，意大利解剖医学家及物理学家g a l v a l l i 通过观察蛙的神经肌肉收缩现象， 建立了生物电理论【2 9 1 。此外，他还发现当使用两种不同的金属接触青蛙的大腿肌肉时， 青蛙会受到电流的刺激。当这些发现被公诸于世，便激起了学界广泛的研究兴趣。 2 1 1 生物组织的电特性 生物体由各种具有不同电特性的组织构成，因此，生物体是由这些不同电特性的 生物组织按一定空间分布所组成的一个混合导体。生物体组织可以看成是溶液，其导 电性与电荷的多少无关，而是与离子的运动有关。所以，生物组织的传导电流厶与生 物组织的带电离子类型和带电离子的运动剧烈程度有关。实验证明，生物组织的温度 每增加一摄氏度，该组织的导电性大约增加2 。 组织内的束缚电荷将会使膜薄柔软的组织层表面和类似于蛋白质的极性分子上 存在两层导电层【1 1 ，使组织内的介电性能变得更加复杂，而且随着时间的推移，位移 电流历将会使组织的电特性也发生改变。为了方便说明，现假设存在一种组织且其形 状为正方体，向相对的两个表面注入正弦电压信号y 时，产生的位移电流厶和传导电 流厶可表示成如下两式： l d = y o ic = v 6 其中： 国= 2 丌厂为正弦电压信号的频率( h z ) ； 岛是真空介电常数( 8 8 5 4 l0 1 2 f m 一，) ； 是相对介电常数( 无量纲) ； 仃是生物组织的电导率( s m j ) 。 不同组织的相对介电常数与电导率不同，即使同一组织，当注入不同频率的电压 信号时，其传导电流厶和位移电流厶也会不同。厶、厶与频率之间的关系如图2 1 所 示： 6 硕士论文电阻抗成像系统数字相敏解调器的研究 l o b d 一1 o 一2 3 l23456789 1 01 l1 2 l o g 厂( h z ) 图2 1 生物组织的厶、历与频率的关系 测试生物组织的电特性时，应该特别重视组织电特性与注入的电场强度之间的线 性关系。电生理学家研究认为：当注入的电场强度小于或等于1 0 5v m ，生物组织与 电场强度为线性关系，但是，当电场强度超过1 0 7 v m 时，生物细胞膜会被击穿，此 时生物组织与电场强度之间将呈现非线性关系。当施加电场的频率低于1 m h z 时，将 生物组织与电场强度之间的关系仍然可以假设成线性关系，只有在施加的电场频率超 过1 m h z 时，生物组织与电场强度之间的非线性关系才会变得比较明显。 此外，电生物学家通过对骨骼肌电导率的研究实验发现：骨骼肌在沿着肌肉纤维 方向的电导率是其正交方向上电导率的近1 0 倍b 明，这说明组织的各向异性结构也会 对电特性的测量产生重要的影响。而且生物体被看做由不同电特性的生物组织按一定 空间分布所组成的一个混合导体，如果组织内部发生改变，这种特殊的混合导体的空 间分布也会发生改变，那么该组织的电特性也会发生改变。例如，肺部组织，其电特 性和内部空气的含量密切相关，当肺部吸入空气时，其电导率和介电常数都会随之减 小。 2 1 2 电流的生物效应 除了以上电特性之外，由于许多生物组织本身就是一个电流源，即使不注入电流， 生物组织也存在一定大小的电流。所以，向组织注入适当的电流时，组织不会受到损 害。此外，注入电流的频率增大，极限电流增大。而且在不同的电流频率下，会产生 截然不同的生物效应。 2 e i t 数据测量技术硕士论文 当注入电流的频率低于o 1 h z 时，电流主要起电解作用，即使注入1 0 0 n a 的微 小电流，也会导致电极下的皮肤产生溃疡。 当注入的电流频率在o 1 h 驴1 0 k h z 之间时，生物电效应为神经刺激。不同的神 经系统对于电流的敏感度不同，当电流逐渐增增大时，感觉神经先受到影响，然后才 是运动神经。 当注入电流的频率超过1 0 z 时，影响神经系统的电流阈值更高，此时主要的生 物电效应转变为组织变热。以上的生物电效应都可能对生物组织造成伤害，因此，当 向人体注入电流时，需要非常小心谨慎。 2 1 3e l t 技术的基本原理 通过在被测生物体组织周围安放电极并注入适当大小和一定频率的电流，便可以 在被测组织内部和周围产生电场，并测量相关电极的电位，由注入的电流和获得的电 压数据以及重构算法便可获得该组织电导率的空间分布，继而获得该组织的电阻抗图 像。典型的e i t 测量过程简化图如图2 2 所示： 图2 2e l t 测量过程简化图 其基本步骤是：第一步，在人体被测组织周围等距离放置一定数量的电极( 目前 较普遍的电极数目为1 6 个) ，根据特定的电极选取策略选取特定的激励电极并注入电 流( 电流频率应该在l o k - 1 0 0 k h z 之间，典型值为5 0 k h z ) 。第二步，同时测量其余电 极的电压值。第三步，更换注入电流的电极并重复前两步。最后，将获得的电压参数 和注入的电流值作为参数送入电阻抗断层成像软件算法，获得被测组织内部电阻抗分 布。 2 2e i t 驱动模式 由于e i t 采用的是对体表注入电流并获得体表电压，导致测量的数据含有组织边 r 硕士论文电阻抗成像系统数字相敏解调器的研究 界的信息多，组织内部的信息少；而且，e i t 成像算法的逆问题是病态的，所以软件 算法的计算量很大，对测量数据精度的要求高。对于特定精度的数据采集系统，激励 电极和激励源的选取是否得当直接决定了原始测量数据的信嗓比和信息量的大小。这 种选取激励电极和激励源的方法或策略被称为e i t 驱动模式。不同的e i t 驱动模式具 有不同的激励电极和激励源选取策略。而且，选取策略的侧重点不网，驱动模式的含 义也不同。例如，当强调激励源的性质时，e i t 驱动模式被分为电流驱动模式( c u 仃e n t “v e np a t t e m ) 和电压驱动模式( v o 】t a g e 鲥v e np a n e m ) 。但如果侧重于施加激励的技 术时，e i t 驱动模式包含注入驱动模式和感应驱动模式两种。以下介绍强调激励电极 和测量电极的选取，默认激励源为电流，施加激励的方式为注入式驱动时，e i t 的几 种驱动模式。 2 2 1 相邻驱动模式 该驱动模式由b r o 、n 和s e a g a r 提出，顾名思义，相邻驱动模式是在指电流通过 相邻的两个电极注入，然后测量其他所有相邻电极上的电压。这是最基本的驱动模式， 硬件上容易实现且相对应的软件算法较多，可以说，相邻驱动模式在技术上较为成熟。 早期的e i t 驱动模式多为相邻驱动模式，图2 3 是采用相邻驱动模式的带有1 6 个相 等间距电极的圆柱形导体。 ( a ) 显示1 3 个一组测量数据 中的前4 个电压测量 ( b ) 通过更换注入电流得到另 一组1 3 个测量数据 图2 3 采用相邻驱动模式采集数据 如图2 3 ( a ) ，首先在l 号和2 号电极施加电流，在1 号和2 号电极的电流密度 也最高，并且随着距离的增加，电流密度向外急剧减小。然后连续测量3 4 ，4 5 ， 1 5 1 6 电极的电压。这1 3 次测量都是独立的。 9 2 e i t 数据测量技术硕士论文 同理，如图2 3 ( b ) ，当从2 号和3 号电极施加电流时，可以得到另一组独立的 1 3 个电压的测量值。以此类推，选取的激励电极依次是1 2 ，2 3 ，3 4 ，1 6 1 。 对于一个拥有1 6 电极的系统，完成一轮电压测量可以得到( 1 6 3 ) 1 6 = 2 0 8 个电压值。 由于互易性，电流注入电极和电压测量电极互换会产生相同的测量值，所以其实际上 相互独立的电压测量值只有1 0 4 个。 2 2 2 交叉驱动模式 a v i s 和b a r b e r 首先提出交叉驱动模式，即两激励电极相差9 0 度，在相邻的电极 上测量电压。这种方法在较远距离的电极上注入电流，可以获得生物体更均匀的电流 分布。 ( a ) 显示1 2 个一组测量数据 中的前3 个电压测量 ( b ) 通过更换注入电流得到另 一纽1 2 个测量数据 图2 4 采用交叉驱动模式采集数据 如图2 4 ( a ) 中所示，首先选择1 6 号与4 号电极作为激励电极，在注入激励电 流后，分别连续测量1 2 ，2 3 ，5 6 ，1 4 1 5 的电压值。这1 2 次测量所获得的值 都是独立的。 在完成第一次测量后，如图2 4 ( b ) 所示，选择1 号和5 号电极注入激励电流， 可获得另一组1 2 个独立的电压测量值。激励电极的选择顺序依次是1 6 4 ，1 5 ，2 6 ， 1 5 3 。对于一个1 6 电极系统，一共可以得到( 1 6 4 ) 1 6 = 1 9 2 个电压值。与相邻驱动 模式类似，a v i s b 舶e r 交叉驱动模式也存在互易性，电压测量电极和电流注入电极 相互交换而产生的电压值相同，因此，相互独立的电压测量值只有1 0 4 个。 除了上述的交叉模式外，h u a 还提出另一种交叉模式，这种交叉模式也叫对角模 式。即将临近的两个电极分别作为电流流出的电极和电压参照。 1 0 硕士论文 电阻抗成像系统数字相敏解调器的研究 ( d ) 图2 5 利用h u a 交叉驱动模式采集数据( 从( a ) 到( d ) 显示采集过程的4 个不同步骤) 如图2 5 ( a ) 所示，首先选取相邻的电极1 6 和电极1 分别作为电流流出电极和 测量电压参考电极也即公共端。并选择2 号电极最为电流的注入电极。测量其他1 3 个电极与电极1 的电势差，获得1 3 个独立的电压值。完成上一步后如图2 5 ( b ) 所 示，电流由电极4 注入，电极1 6 和电极1 仍作为电流流出电极和测量电压参考电极， 测量其他1 3 电极与电极1 之间的电压，最后分别选取6 ，8 ，1 4 电极作为电流注 入电极，重复上述过程，一共可以得到9 1 个测量值。 然后如图2 5 ( c ) 和图2 5 ( d ) ，将电极3 和电极2 作为电流流出电极和测量电 压参考重复进行上文的操作。首先在5 号电极注入电流，然后同样以2 号电极作为公 共端分别测量该端口与其他电极之间的电势差。再从7 ，9 ，1 1 ，1 号注入电流重 2 e i t 数据测量技术 硕士论文 复上述过程。并测量2 号电极与其他1 3 电极间的电压，整个过程又可以得到9 1 个测 量值，电流的注入顺序是5 ，7 ，9 ，1 5 ，l 。但上述1 8 2 个测量值中只有1 0 4 个 时相互独立的，相比相邻驱动模式，交叉驱动模式在目标边缘处不具有很好的敏感性， 但在整个区域的敏感性较好。 上述两种虽然都是交叉驱动模式，但是区别性较大，在电流的注入方式上，h u a 交叉驱动模式的电极间隔并不固定于4 个电极；在电压的测量的方式上，h u a 交叉驱 动模式对电压的测量也不仅仅局限于相邻的两个电极。 2 2 3 相对驱动模式 当被选择的激励电极处于相对位置，而在相邻电极上获取电压时，即为相对驱动 模式。如图2 6 ( a ) 所示，电流首先施加在1 6 号和8 号电极，在1 2 ，6 7 ，9 1 0 ， 1 4 1 5 获取电压测量值。这1 2 次测量都是相互独立的。 ( a ) 显示1 2 个一组测量数据( b ) 通过更换注入电流得到 中的前4 个电压测量 另一个1 2 个测量数据 图2 6 采用相对驱动模式采集数据 如图2 6 ( b ) ，选择1 号和9 号作为激励电极并注入电流，获得另一组1 2 个电压 值。以此类推，注入电流的顺序依次是1 6 8 ，1 9 ，2 1 0 ，7 1 5 。同样设置 电极数目为1 6 个时，可以获得( 1 6 4 ) 1 6 2 = 9 6 个电压值。 相对驱动模式还存在另一种表现方式，该模式也叫对立驱动模式，如图2 7 ，该 激励法由h u a 等人在1 9 8 7 年提出，其电流注入方式和上述相对驱动模式一样，由两 个相对的电极注入，将任意一激励电极附近的一个电极做为电压参考电极，测量该电 极与除激励电极外其他所有电极的电势差。 1 2 硕士论文 电阻抗成像系统数字相敏解调器的研究 ( a ) 显示l3 个一组测量数据 中的前4 个电压测量 ( b ) 通过更换注入电流得到 另一个1 3 个测量数据 图2 7 采用独立驱动模式采集数据 具体方法是：首先，选取电极1 6 和电极8 作为激励电极，然后分别测量电极2 、 3 、4 、1 4 、1 5 与电极1 的电势差，也即各电极与电极l 的电压，可以得到1 3 个 测量值。当本次测量完成时，切换电极，选取电极l 和电极9 作为激励电极，分别测 量除电极1 和9 以外的所有电极相对于电极2 的电势差，可以再次获得1 3 个电压值。 然后依次选取电极2 和电极1 0 、电极3 和电极“、电极7 和电极1 5 作为激励 注入电流，并分别测量其他电极的电压，一共可以得到1 3 8 = 1 0 4 个电压值。由于电 极间的互易性，其独立的边界电压的个数为( 1 3 x 8 ) 2 = 5 2 个。 相对驱动模式最大的优点在于注入的电流分布均匀，被测量物体的中心场域的电 流密度也相对得到提高，因此，中心场域的敏感度可以得到很大的改善。 2 2 4 自适应驱动模式 基于i s a a c s o n 在1 9 8 6 年给出的关于“对于一个电导率分布，存在一个最佳的电 流注入模式，使得在边界测得的电压具有最大分辨率 【3 1 j 的数学证明，1 9 8 7 年，g i s s e r 、 i s a a c s o n 和n e w e u 等人提出自适应驱动模式，也叫最优驱动模式( o p t