（生物医学工程专业论文）多通道磁感应电阻抗断层成像数据采集系统基础研究.pdf

第四军医大学硕士学位论文 缩略语表 缩略语英文全称中文全称 m t e i t d d s p g a s n r m a 融e t i ci n d u c t i o n1 o m o g r 印h y e l e c f r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s p f o g r a l i l 】m a b l c ( 越na m p l i f i e r s i g l l a lt on o i s er a t i o 磁感应断层成像 电阻抗断层成像 直接数字合成 程控增益放大器 信噪比 p r i r i t e dc i r c u i tb o a r d印刷电路板 s m as u b m i 血a t l 玳v e r s i o na超小体积a 型 a d ca n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t数字模拟转换 第l 页 第四军医大学硕士学位论文 多通道磁感应电阻抗断层成像 数据采集系统基础研究 硕士研究生：李烨 导师：董秀珍教授 第四军医大学生物医学工程系，西安7 1 0 0 3 2 中文摘要 磁感应电阻抗断层成像( m a g n e t i ci n d u c t i o nt o m o g r 印h y ，m h ) 技术， 是一种非接触的阻抗成像技术，它根据涡流检测原理，利用高频磁场在 不接触被测组织的情况下测量生物组织的电导率，从而重构组织内部电 导率的分布情况以及检测不同生理病理条件下电导率的变化情况。m i t 技术对成像区域的中心位置有较高的敏感性，在检测人体深层组织时具 有较大的意义，除了具有一般e i t 技术的优势外，如无创、无损伤、可 连续重复使用、设备小型等，在脑部电阻抗检测中具有潜在的优势。因 为m i t 是利用磁场来测量电导率，磁场可以比较容易的耦合进入颅骨内 部，降低高电阻抗的颅骨对测量的影响，因此m i t 的非接触的特性使其 在区分不同类型的颅内病变时有着重要的应用前景。 本文完成了1 6 通道磁感应成像数据采集系统的设计，并进行了基于 盐水目标的初步实验，主要包括以下工作： 1 激励线圈与检测线圈。研究了线圈设计方法，阻抗匹配方法以及线 圈参数与频率的关系。利用漆包线制作了单层螺线管激励线圈和检测线 圈，并将两者组合起来制成同轴线圈组，1 6 个这样的线圈组共同组成了 第2 页 第四军医大学硕士学位论文 圆形的线圈阵列。 2 新型数控多频激励源。基于d d s 数字直接合成技术实现了高稳定 度的信号发生，使用1 6 0 m h z 高频晶振有效的提高了输出信号的质量， 采用d d s 同步设计的方法实现了激励信号与参考信号同步控制，相位同 步调整，最小可调相距为1 1 2 5 。利用集成滤波芯片实现了8 阶切比雪夫 低通滤波器，其衰减斜率可达1 6 0 d b 十倍频，有效的滤出了高频杂波分 量。激励源驱动能力较强，最大可以输出1 1 安培的电流，带有过热保护 功能。 3 高精度弱信号程控放大处理电路。采用新型主动反馈放大器实现了 弱磁感应信号的有效检测，能在工作频率为l o m h z 时提供最小7 0 d b 的 共模抑制比。采用双通道增益倍增的方法实现了大范围( 一2 8 d b + 6 8 d b ) 增 益调整。 4 高精度鉴相电路。实现了l m h z 3 0 m h z 正弦信号的高精度相位鉴 别，电路的等效相位分辨率达到了o 0 0 3 0 ，线性相关系数大于o 9 9 。 5 基于盐水目标的初步实验。实验结果可以明显的区分被测目标的电 导率差异，测量结果近似与被测物体的电导率成正比。 另外，我们还基于继电器和数字控制卡实现了高隔离度的高频信号 切换，使用v c + + 编写了系统的驱动程序，控制协调信号检测和数据采集。 关键词磁感应非接触阻抗成像鉴相 第3 页 第四军医大学硕士学位论文 t h ef u n d a m e n t a lr 七s e a r c hi nm u l t i c h a n n e ld a t a a c q u i s i t i o n s y s t e mo fm a g n e t i ci n d u c t i o nt o m o g r a p h y c a l l d i d a t ef o rm a s t e r ：l iy s u p e n r i s o r ：p r o fd o n gx i u z h e n d 印咖趾to f b 删c a le 1 1 啦e 血g ，f 0 u 曲m i l 畸m c d i c a l 删商t y ) ( i a n7 1 0 0 3 2 ，c h i n a a b s t r a c t m a 口e t i ci n d u 硝o nt o m o g r a p h y ， ac o n t a c t l e s s i r n p e d a l l c ei m a g i n g t e c l l i l i q u e ，m e a 伽。e s 廿l ec o n d u c t i v i t yo f b i o t i s s u e su n d e rt h ep 血c i p l eo f e d d yc u r r e m 泌p e c t i o n ，w 1 1 i c hu s e st h e 王1 i 曲龀q u e n c ym a g n e t i cf i e l dt o m e a s u r et h e c o n d u c t i v 酊o fb i o - t i s s u e s ， a i m i n g a t r e c o n s t m c t i n gm e d i s 仃i b u t i o no fc o n d u c t i 啊t yo ft 1 1 ei 曲e rt i s s u e s 龇1 dd c t e c t i n gt h ev a r i a t i o no f c o n d u c t i v i t yc a u s e db yp h y s i o l o g i c a lo rp “h o l o g i c a lr e a s o n s b e s i d e st h e c o m m o na d v a l l 箩o f e i t ，s u c ha sh a r i n l e s s n e s s ，c o n v e n i e n c ea n ds m a l l i n 姆p e ，m i tt e c l l n i q u ei ss e n s i t i v et o 也ec e m e rp o s i t i o no f t h ei m a g i n gr e g i o n ， w h i c hm a k e sm i t v e r yp r o s p e c t i v ei ni m a g i n gt h ei r u l e rt i s s u e s b e c a u s em i t u s e s 也em a g n e t i cf i e l da st 1 1 em e d i ai 1 1m e a s u r e m e ma n dt h em a g n e t i cf i e l d c 雒g ot 1 1 r o u 曲也es k u i ie 删y ，m en e g a 埴v ee f f e c t so fs k u u 谢t hl l i 曲 i m p e d a l l c ea r ea v o i d e d ，r kc o n t a c e s s ，a yo f m i tm a k e si tv e r yp r o s p e c t i v e i nm e d i c a lr n e a s e m e n t ，e s p e c i a u y 证d e t e c d n gt b ep a m o l o 舀c a lc h a n g e si i l t h es h m i nt h i sa n i c l e ，、ed e s i g na n de s t a b l i s ha1 6 c h a l l n e im r r 唧e 血q e n t a l s y s t e m f u n d a m e m a le x p e r i m e m sb a s e do nt h es a l i n ew 砒e ro b j e c t sa r e 第4 页 第四军医大学硕士学位论文 c o n d u c t e d m 血j o b s 盯el i s t e da sf o l i o w s ： 1 d e t e c t i n ga i l de x c i t i n gc o i l s t h ec o i ld e s i g i l i n ga i l di m p e d a i l c e m a t c h i n gm e t h o d sa r es n m i e d t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ep a r a m e t e r so fc o i l s a 1 1 dt h e 舵q u e n c yi sd i s c u s s e d t h ei s o l a t e dc o p p e rw i r e sa r eu s e dt om a k et h e s i n g l el a y e rs o l e n o i dc o i l s 0 n ec h a l l n e lc o l p o s e do f 趾e x c i t i i l gc o i la i l da d e t e c t i n gc o i l ac o 订sa r r a yw i t h1 6c h a n n e l si sc o m p l e t e d 2 an e wt y p eo fd i g i t a lc o n t r o l l e dm u l t i 如q u e n c ye x c i t e r b a s e do nm e d d st e c l l n i q u e ，w ed e s i 趴ah i 曲l ys t a b l ea 1 1 dp r e c i s ee x c i t e r ，w h i c hc a l l o u t p u tt w ow a y so fi s o l a t e ds m ew a v e s 肌da d j u s tt h e i rp h a s e sw i t l la m i n j m 啪s t e po f1 1 2 5 。ac r y s t a lo s c i l l a t o r 谢mah i 曲f r e q u e n c yo f 1 6 0 m h zi su s e di no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l 时o fo u t p u tw a v e f o n n w e d c s i 驴e da8s t a g e sl o wp a s sc h e b y s h e vf i l t e rw 胁t h ea t t e n u a t i o nr a t eo f 1 6 0 d bp e rd e c a d et i m e so f 丘e q u e n c y t h ep o w e ra m p l i f i e rc a no u t p u ta m a x i m 啪c u r r e n to f1 1 aa i l dh a st 1 1 ef h n c t i o no fa u t o _ p r o t e c t i o nw h e n o v e r h e a t e d 3 h i g hp r e c i s es m a l ls i g n a lv a r i a b l eg a j n 锄p l i f i e r e f f e c t i v e l y 眦p l 毋 m ew e a km a g n e t i cs i g n a lb yu s i n gt h ea c t i v ef e e d b a c ka m p l i f i e r ，、 ，h i c hc a n p r o v i d eac m r ro f7 0 d ba t1 0 m h z w ea l s 0d e s i g n e dav a r i a b l eg a i n 锄p l i f i e r ，w h i c hh a saw i d eg a i na d j u s t m e n ts c o p eo f9 6 d b ( 一2 8 d b 6 8 d b ) b y u s i l l go n e 锄p l i f i e r st w oc h a n n e l s 4 h i 出p r e c i s ep h a s ed e t e c t i o nc i r c u i t t h ec i r c u i tc a nd e t e c tt h ep h a s e o f 王l i 曲盘e q u e n c y ( 1 m h z 3 0 m h z ) s i n ew a v e sp r e c i o u s l yw i m a ne q u i v a l e n t r e s o l 诚o no fo 0 0 3 。1 1 1 el i n e 砌yd e p e n d e mc o e m c i e mi sb e t t e rt 1 1 a i lo 9 9 5 p r i i n a r ye x p e r i m e n t so ns a l i n ew a t e r 谢也d i 丘舐n tc o n d u c 垃v m e s 1 1 1 e r e s u n sc a nr e n e c t 1 ed i 髓r e n c eo fc o n d u c t i 啦o fs a l i ew a t e ra n da r ei n p m p o n i o nt o 1 ec o n d u c t i 、r i 够a p p r o x 珊l a t e l y 第5 页 第四军医大学硕士学位论文 a tt h es 锄et i m e ，w ed e s i 印e d 也es i 印a ls 、i t c hb o a r db a s e do nt h e r e l a y sa n dt 1 1 ed i g i 协1i ob o a r d w ec a ns e l e c t 吐1 eh i 9 1 1 1 yi s o l a t e ds i 弘a 1 c h a n n e l s 讹e l yb yu s i n gr e l a y s w ea l s op r o g r 锄m e da 1 1t h ed r i v e r si nv c + + 6 o ，w 1 1 i c hm a k e s 也es y s t c mw o r ks m o o t i l l ya 1 1 dc o o r d i n a t e l y k e y w o r d s ： m a g n e t i ci n d l l c t i o n ；c o m a c t l e s s ；i r n p e d a n c ei m a g i n g p h a s ed e t e d i o n ； 第6 页 第四军医大学硕士学位论文 1 引言 前言和文献回顾 生物磁感应断层成像( m a g n e t i ci n d u c t i o nt o m o 口a p h y ，m i t ) 是一种新 兴的成像方法，是阻抗成像的分支，但是又有别于电阻抗成像( e l e c 仰n i c i m p e d a n c et o m o 鲫h y ，e i t ) 。m i t 不需要使用电极，而是采用中高频弱 磁场作为检测媒介，与被测组织不直接接触，是一种非接触的阻抗成像 方法。它主要用于重构生物组织内部电导率的分布。m i t 除了具有一般 e i t 技术的优势外，如无创、无损伤、可连续重复使用、设备小型等，还 具有非接触的特点，且采用交变磁场旋加激励从而易于穿透颅骨，在脑 部电阻抗检测中具有潜在的优势。 各种研究以及实验表明不同原因导致的脑水肿会导致脑电导率的变 化，例如：细胞毒素水肿，癫痫发作和广泛性衰竭会使脑电导率下降， 而寒冷引起的水肿，人脑肿瘤组织及神经外科手术中造成的水肿会使脑 电导率上升。另外，血肿也会导致组织电导率的交化。电阻抗成像可以 在一定程度上反映生物组织电导率的改变，磁感应成像利用交变磁场作 为检测的媒介，磁场可以较容易的穿过颅骨，从而反映颅内的电导率变 化，因此具有重要的研究意义。此外，根据目前的研究，磁感应阻抗成 像工作频率在1 0 k h z 2 0 m i z 时，适用于长时间监护测量，具有较好的 应用前景。 磁感应阻抗成像主要的优势在于：1 非接触的测量方式：测量中的目 标与装置之间是通过磁场进行耦合，不存在直接电流耦合，因此不需要 使用电极。2 脑的成像与监护：由于脑组织被包绕在低电导率的颅骨中， 颅骨的电导率很低，面磁场可以比较容易地穿透颅骨进而检测颅内组织 第7 页 第四军医大学硕士学位论文 的信息，所以该技术在脑组织病变的检测中具有很好的应用前景。3 中心 敏感性：该技术对成像区域的中心位置有较高的敏感性，这在检测人体 深层组织时具有较大的意义。 目前，在阻抗成像领域，有许多与e i t 相关的研究以及成果，对m i t 的研究还处于起步阶段，m i t 技术的发展也还不十分成熟。我们课题组 进行了m i t 技术的探索研究。 本论文的研究内容是国家自然科学基金重点课题( 5 0 3 3 7 0 2 0 ) “生物电 阻抗图像监护技术研究”中的“非接触阻抗成像技术探索研究”分题的 一部分，着眼于多通道磁感应成像技术的探索研究，致力于优化感应线 圈的设计，提高系统检测精度，研究合适的数据采集方式。 2 国内外进展及文献回顾 2 0 世纪9 0 年代，用于人体结构成像的磁感应断层成像实验系统首次 被报道出来，至今m i t 已经有十余年的发展历史。以涡流检测原理为基 本原理，国内外先后对m i t 进行了实验系统研究和仿真研究，研究结果 表明m i t 具有实际应用的可行性和很好的应用前景。 2 1 磁感应成像的基本原理 磁感应成像基本原理为涡流检 测原理，它利用交变磁场作为媒介， 在不接触被测组织的情况下测量生 物组织的电导率。相隔一定距离的两 个电感线圈分别用作激励线圈和检 测线圈，以一定频率的交变电流通过 激励线圈产生交变磁场，当磁场穿过 图1 磁感应阻抗成像示意图 被测组织后，会在组织内部感应出涡 第8 页 第四军医大学硕士学位论文 电流，电流的强弱与被测组织的电导率有关，该涡电流又会产生一个次 级磁场，从而反作用于主磁场。将检测线圈检测到的磁场信号与原激励 磁场信号相比较，得到与被测物体电导率相关的磁场变化量，从而间接 的得到组织内部电导率的分布情况。图1 形象的表示出了磁感应成像的 基本检测方法。 2 1 1 涡流检测原理 g r i m t l l s 解释了磁感应成 像的基本原理：将容积导体置于= 斑= i 妄：二：二) 似嘞 激励磁场b 中，容积导体内因电 图2 磁场矢量关系 磁感应作用而产生涡流，该涡流 同时会感生出扰动磁场b 并能改变原激励磁场b 的空间分布，在测量 线圈上可以检测到b + b 当容积导体内部的电导率分布发生变化时，涡 流的强度和分布也会相应发生变化，进而使得测量线圈的电压和电流也 发生改变，通过检测到的测量线圈的电压和电流的变化可以间接地反映 导体的电导率分布，进行图像重构。扰动磁场b 的实部由位移电流引起， 与导体的介电常数有关，虚部由涡旋电流感生与导体的电导率近似成线 性关系。分析其相位矢量图( 图2 ) 可以看出检测到的磁场b + b 的相角落 后主磁场( p 。因此，只要检测出( p 的大小就可以推导出磁场的改变量，最 终得到被测组织的电导率。 2 1 2 t 基本原理的数学描述 k o 巧e n e v s k y 圆应用电磁场理论 详细的推导了m i t 的原理，得到了 相位变化与线圈互感系数，磁场频 率以及被测物电导率之间的关系。 如图3 所示，在近似的准静态自由 第9 页 图3 互感等效电路 第四军医大学硕士学位论文 空间中，当 1 ，那么电感上会出现超过 外加电压q 倍的电压。用此方法可以产生较高的激励电压从而在一定程 度内提高系统信噪比，检测线圈的设计也要遵循串联谐振电路的设计原 则，根据上述升压原理将微弱的感应信号送入由检测线圈和前置放大电 路组成的谐振电路中，可以提高检测线圈的灵敏度，这在设计大型线圈 阵列时，可以保证检测信号的质量。 线圈设计的另一个原则就是尽量减少线圈的等效电感，除了可以提 高谐振频率之外，电感小的线圈还有两个优点：一是有利于降低通道切 换时的尖峰电压和浪涌电压，因为对于固定磁通来说，电压与频率是线 性关系，而与电感的增长为平方根关系，在发射过程中，大电感会产生 高电压，这种电压有可能对放大器产生冲击，降低线圈系统的稳定性， 严重者甚至会损坏放大器。减小电感的另一个优点在于它将有利于减少 被检体中的杂散电场的影响，在频率不太高的情况下，上述电场可以用 静电屏蔽的办法加以隔离，但是在频率较高的时候，静电屏蔽的办法不 再适用，原因是屏蔽罩本身有很大的分布电容，对线圈谐振频率的提高 有影响，另一方面，在高频场里屏蔽罩本身的电感也使其难以真正接地。 另外，当线圈绕制后，每一匝都相当于一个导体，匝间的空气就相当于 介质，因此构成了匝间电容。使用中应尽量减少匝间电容量c 。而容抗 第2 2 页 第四军医大学硕士学位论文 x c = 1 ( 2 时c ) ，等效电容c 小则x c 大，x c 大则匝间的电场强度较小，则c 对检测的影响较小，利于检测。另外，当被测体置入检测区域时，由于 线圈中存在着集总参数和分布参数的电容，它的谐振频率要发生变化， 因为电容值与介电常数成正比，未加被测物体时检测区域内为空气介质， 加载后生物体或者水的介电常数比空气高出许多倍，其结果等效于线圈 电容的增大，因此，加载后的线圈谐振频率会降低。 根据系统的实际需要，我们设计了螺线管激励线圈，用线径为1 2 m m 的铜漆包线紧密缠绕而成，线圈直径2 6 m m ，匝数为1 l 。其电感量为 o 0 1 8 5 n m ，如图8 所示。 图8 激励线圈实物图 我们设计的激励线圈采用增加线径减小直径的方法获得了较小的电 感量，其在高频时的感抗较小，即使在1 0 m h z 时其感抗也只有1 8 5 欧姆。 激励源功放极具有较强的带载能力可以在1 0 m h z ，1 2 v 供电时输出峰峰 值为1 8 v 的驱动电压和最大为1 - 1 安培的驱动电流，相当于在1 0 胤z 时输出 约p - u i = o 8 7 5 瓦特的激励功率。在此为了保证激励磁场的稳定性，激励线 圈并不工作在谐振点上。激励线圈在不同频率下的阻抗和相位特性曲线 第2 3 页 第四军医大学硕士学位论文 见图9 。 8 0 8 5 卫9 0 s9 5 1 0 0 1 0 1 沪1 驴1 0 71 妒 f 陀q u e n q ( h 萄 图9 激励线圈阻抗和相位特性 检测线圈也采用圆形螺线管结构，其线径为o 5 1 m m ，线圈直径5 5 m m ， 匝数为2 8 ，其电感量约为0 3 5 5 m h 。在线圈阵列中检测线圈直接与前置放 大器的输入端相连。检测线圈的实物图见图1 0 ，相位和频率特性见图1 l 。 图l o 检测线圈实物图 第2 4 页 第四军医大学硕士学位论文 1 0 0 t h e0 杷 1 0 0 1 口1 口1 盯1 口 f 陀q u e n c y ( h z ) 1 01 口1 口1 口 1 口 f 悖q u e n c y ( h z ) 图l l 检测线圈的阻抗和相位特性 图1 2 线圈阵列实物图 激励线圈和检测线圈共同组成一个同轴的线圈组，将1 6 个这样的线圈 组等角度的固定于直径为3 6 c m ，高度为1 6 c m 的有机玻璃圆筒之上就构成 第2 5 页 第四军医大学硕士学位论文 了一个如图1 2 所示的圆形线圈阵列。 1 3 双路多频程控激励源 生物组织的电阻抗特性随着激励信号频率而变化，不同的频率下组 织电阻抗变化趋势和速度不同，导致其测量区分度不同。在某些频点， 一些组织的电阻抗特性会表现出明显的特异性。因此，一个多频的激励 源可以更好的发现这些特异性，寻找区分度较大的频点或者频段，选定 测量敏感区域和最佳工作频率，从而为磁感应电阻抗测量提供更多的信 息。 1 3 1 生物组织的多频特性 当频率增加时组织的电阻抗会慢慢减少，这种现象与细胞组织结构 的频率特性有关，频率与组织电阻抗的关系可以由三个主要的频率范围 来界定，分别为旺散射( 伍一d i s p e r s i o n ) ，6 一散射( p d i s p e r s i o n ) ，7 - 散射 ( y _ d i s p e r s i o n ) 。旺散射发生的频率范围在1 0 h z 1 0 k h z 之间，组织的电学 特性与细胞外液中的电解质溶液的量和离子浓度有关，此外，细胞膜表 面的活化及离子扩散也对其电阻抗特性有影响；b 一散射则发生在1 0 0 k h z l o m h z ，此阶段的散逸与细胞本身及细胞内外侧的电容充电有关，当频 率增加时，细胞膜容抗减少，使得穿过细胞膜的电流增加，导电性的增 加会使得细胞膜电容无法在一个充电周期完全充电，因此导致介电常数 产生大幅变化：y 一散射发生在l 1 0 0 g h z 微波范围之间，由于在极高频时， 生物组织将失去原有的电学特性，其行为与电解质相近，因而所测到的 介电常数和电导率均是来自水分子的迟滞作用3 4 】。 第2 6 页 第四军医大学硕士学位论文 1 妒1 f1 疗矿1 矿 口e q u e n 碍f k 窿】 图1 3 生物组织的多频特性 图1 3 显示了几种生物组织在1 k h z 和1 05 k h z 之间的频率特性( 数据 来自g 出r i e l 等人1 9 9 6 年的工作) 和目前其它研究小组的测量结果。以往 的研究( g r i f f i m se ta 11 9 9 9 ，s c 1 a l 矗骶re ta l1 9 9 9 ) 表明由于物理方面的限制 因素，用磁感应方式测量电导率，其频率应该大于1 0 k h z 【2 9 】，因此磁感 应成像的频率范围可以从几万赫兹扩展到几十兆赫兹，工作频率的上限 取决于预期的探测深度以及电磁场的穿透深度。电导率的频率相关性可 以很好的反应生物组织的水合状态，特别是在b 一散射范围内，因为在低 频时的电导率主要取决于细胞外液，随着频率的升高细胞内液的附加作 用使得生物组织的电导率显著升高。因此测量组织水合状态的改变以及 区分细胞内外液对电导率的贡献都可以通过多频率测量的方法实现。 1 3 2 设计思路 激励源的主要作用是产生高频交变电流驱动激励线圈从而生成高频 第2 7 页 第四军医大学硕士学位论文 交变磁场，另外为了优化设计，简化信号切换电路，激励源还要生成一 路与激励信号相位差确定的参考信号，作为后级鉴相的参考标准。这就 要求激励源有较强的电感驱动能力，稳定的频率和相位输出特性，高度 隔离的双路信号通道，以及灵活高速的控制接口。整个激励源的结构如 图1 4 所示。 图1 4 激励源系统框幽 为了实现灵活的控制以及稳定的输出特性，采用直接数字频率合成 器( d i r e c td i g i t a ls y r m l e s i s ，d d s ) 作为信号产生的基础。其中，时钟信号 由高稳晶振产生，用于提供d d s 各种部件的同步工作；相位累加器是d d s 的核心，它由一个n 位字长的二进制加法器和一个由时钟f b 取样的n 位寄 存器组成，作用是对频率控制字k 进行线性累加；波形存储器中所存储的 是一张函数波形查询表，对应不同的相位码址输出不同的幅度编码。当 相位控制字为o ，幅度控制字为1 时，相位累加器输出的相位序列对波形 存储器寻址，得到一系列离散的幅度编码。该幅度编码经d a 转换后得到 对应的阶梯波，最后经低通滤波器平滑后可得到所需的模拟波形。设相 矿， 位累加器字长为n ，则d d s 输出频率f o 和频率分辨率f i l l i n 为：工= 三；i 笋 z ， 帆。= 告通过改变相位控制字p 可以控制输出信号的相位参数，令相位 二 加法器的字长为m ，当相位控制字由o 变到p ( p o ) 时，波形存储器的输入 为相位累加器的输出与相位控制字p 之和，因而其输出的相位编码会增加 2 兀p 2 m ，使最后输出的模拟信号产生相移。相移最小步进主要取决于相 第2 8 页 第四军医大学硕士学位论文 位加法器的字长，相移分辨率则取决于相位累加器的字长n ： p 。= 等 二 1 一 凸p 。= 筹。由以上分析可知，当d d s 的相位累加器字长和相位加法器 二 字长固定后，通过改变k 、p 可有效地控制d d s 输出模拟信号的频率和相 位。d d s 是一个全数字结构的开环系统，无反馈环节，因此其速度极快， 一般都在毫微秒量级。 由d d s 技术的原理可知其他条件确定的情况下，工作频率越高输出 波形质量越高，杂波成分越少。为此，特意为激励源定制了1 6 0 m h z 的 高频晶振。根据系统性能要求，选用两片最高工作频率1 8 0 m h z 的a d 9 8 5 1 集成d d s 芯片作为信号发生器。其控制字输入接口用安捷伦( a g i l e n t ) 公 司的数字光耦2 6 3 1 隔离，切断地环路，降低干扰，配合使用思密特触发 器，调整控制信号的极性和边沿陡度。为了实现参考信号的移相，将两 片d d s 设置成同步工作模式，共同使用一个高频晶体振荡器和两根数字 控制输入通道。 为了抑制全数字结构的d d s 的杂波分量，就要对d d s 生成的信号 进行低通滤波，滤除高频杂波分量。由于磁感应成像系统本身的工作频 率在1 0 m h z 左右，因此滤波电路应该对有用信号衰减较小，转折频率处 的衰减斜率较大即滤波器阶数要高。根据上述要求，选用凌特( 1 i n e 啪公司 的高截止频率( 2 0 m h z ) 集成低通滤波器l 1 二6 6 2 0 对输出信号进行平滑滤 波。每一路输出信号依次通过两片滤波芯片构成的8 阶切比雪夫低通滤 波器，其衰减斜率可达1 6 0 d b 十倍频。另外，两路信号通道的滤波环节 在设计和p c b 布局上应该尽量保持对称，从而使两路信号的相移保持一 致。 为使信号更加稳定并且具有一定的驱动能力，滤波电路后面要有缓 冲放大器。高频放大器的性能往往受到增益带宽的限制和转换速率的影 响，而且很容易产生自激震荡。如果缓冲放大电路设计不好就可能会降 第2 9 页 第四军医大学硕士学位论文 低输出信号的质量。经过反复的实验和设计，缓冲放大器使用a d 公司的 新型精密高速放大器a d 8 0 9 9 ，该放大器具超低工作噪声，极低的谐波失 真和较高的增益带宽，其等效输入噪声电压噪声电流密度分别为 o 9 5 矗v 尼，2 6 p a 上拓，1 0 m h z 时的二次谐波失真为一9 2 d b ，增益带 宽为7 0 0 m h z ，是较为理想的高速缓冲放大器。 另外，激励信号还要具有一定的输出功率，功率放大器起着十分重 要的作用。激励源要能够驱动电感量较小的电感线圈，必须具备以下性 能： a 输出电压和电流较大，带负载能力较强。 b 增益带宽较高，足以放大高频信号。 c 散热性能较好，不易烧毁，最好带有内部保护电路。 凌特( 1 i n e 砷公司的功率放大器l t l 2 1 0 c t 7 可以很好的满足上述要求。激 励源的外观如图1 5 所示，各个部分采用独立的电源供电。d d s 部分的模 拟地和数字地分开供电。为了提高输出电压，功放部分采用士1 2 v 电源供 电。还要给功放和d d s 芯片加散热片以保证其稳定的工作。另外为了防 止高频激励源对外界的干扰，要为整个电路板加装金属屏蔽盒。 图1 5 激励源实物图 第3 0 页 第四军医大学硕士学位论文 1 3 3 激励源的稳定性 磁感应成像系统激励源的稳定性非常重要。激励源的频率稳定性和 幅度稳定性的好坏将直接影响磁感应电阻抗成像的精度，因为信号频率 或幅值的波动会使检测到的感应信号和参考信号产生震荡，这样会加大 后级鉴相电路的输出噪声水平，高稳定度的激励源在磁感应成像系统中 是必不可少的。 为了检验激励源的性能，我们使用i n s t e kg o s 6 2 0 0 型2 0 0 m h z 示波 器检测激励源工作状态下的稳定性。具体方法为：首先控制激励源输出 1 0 m h z 峰峰值1 8 v 的激励信号驱动激励线圈，每间隔3 0 分钟记录一次 频率和幅值，共记录9 组数据具体结果见图1 6 和图1 7 。 1 8 0 4 1 8 0 3 1 8 0 2 1 8 0 1 1 8 1 0 9 9 9 9 9 9 9 9 9 8 9 9 9 9 7 9 9 9 9 6 图1 6 激励源幅度稳定性 图1 7 激励源频率稳定性 第3 1 页 第四军医大学硕士学位论文 图中横轴代表记录次数，纵轴表示测量结果，由结果可以看出，我 们实现的基于d d s 的激励源具有较好的稳定度。在示波器的测量精度范 围内观察不到信号频率或幅度的抖动。 1 4 前端放大电路 磁感应成像系统检测的是高频弱磁场，这就要求前端放大电路要有较 高的带宽和灵敏度，检测线圈应该与前级放大器配合，共同完成选频以 及程控放大功能。检测线圈起到换能器的作用，将检测到的磁场信号转 换为电流信号。而放大电路主要功能在于提取该电流信号并将其按照程 序指定的倍数放大，其结构如图1 8 所示。 图1 8 检测电路结构框图 检测线圈内的感生电动势动态范围较大并且很容易受到干扰，因此 缓冲放大器最好是差分输入方式，从而避免从接地端引入干扰噪声，此 外还要有较高的输入阻抗和较大的差模电压输入范围。a d 8 1 3 0 是精密的 高速仪表放大器，可以将高频差动信号转换为单端信号，它工作在1 0 m h z 时可以提供7 0 d b 的共模抑制比，差模输入阻抗1 m q ，最大差模输入电 压土8 4 v ，增益带宽为2 7 0 m h z ，可以很好的满足系统设计要求。 根据多通道系统的特点，缓冲放大之后，还必须要有程控放大器， 从而依据不同的测量方式选择不同的增益倍数。螺线管线圈生成的磁场 在线圈两端场强最强，外周磁场很弱，这样同一个激励线圈产生的磁场 将在相邻检测线圈内感应出幅值较大的感应信号，而在对侧的检测线圈 第3 2 页 第四军医大学硕士学位论文 中感生出很小的电动势。这就要求程控增益的放大范围要宽，不仅能够 放大弱信号还要可以衰减强信号。a d 6 0 5 是一种低噪声，双通道，d b 线 性的可变增益主动反馈放大器。在带宽为3 0 m h z 时，每个通道的增益范 围是。1 4 d b 计3 4 d b 。为了进一步提高其增益范围，将两个通道合并使用， 即将一个通道的输出反馈回另一个通道的输入端，这样就组成如图1 9 所 示的电路，我们得到了大增益范围( _ 2 8 d b + 6 8 d b ) 的程控放大器。 r i ； ：；i ； 瓣 匿g 溅翻 o 鼍丁| ，【a ； 崩。l 曩 l 懈k a d 6 0 5 卿i c 1 i | 0 l n ：! 扫 m 1o 玎，1 i l o 翻 曩| 捧事一 q n lk b k l 陲强蔫： ；e z _ | 1 0 l n 匿辜主羔 ：；孑：爵i * r g h bv p o s ； ：itb “d a d 6 0 ，a n v p 0 s 一h 十t，e 垂1 1 0 m f i n 2f b 砝2 | l ：。i h 阿陪 | 睫 e 4 1 1 0 i u - i n z0 u 勰 r 暮“ 藩辎“了 ；z ! h v o e 瓤 图1 9 增益倍增程控放大电路图 此外，该放大器还有单端单极增益控制，独立控制共模输出和在控 制电压底端自动关闭电源的特点，这给系统设计带来很多的方便。为了 屏蔽外界干扰，还要给放大电路加装屏蔽盒。为了降低噪声干扰，控制 信号和经过放大处理后的检测信号都由s m a 接头引出并通过同轴电缆传 输。 1 5 多路信号切换电路 多路信号分时传输，成像系统协调工作都需要对多路信号进行选择 和切换。通常信号的多路复用可以由集成多路开关实现，但是磁感应成 像系统处理的是1 0 m 左右的中高频信号，多路开关的寄生电容和杂散 电容对高频信号的阻抗很小，如果使用多路开关进行信号切换会对原始 第3 3 页 第四军医大学硕士学位论文 信号产生较强的衰减，附加很大的相移，严重时甚至会使波形畸变。因 此，我们选择小型继电器来代替多路开关。其优点在于寄生电容很小， 通断控制方便，高频传输特性较好。但是相对于多路开关而言，切换时 间较长，一般需要5 m s 左右。继电器的控制通过数字i ，o 卡a c 6 4 1 2 完成。 激励信号和检测信号分别通过两块电路板进行信号切换，每块切换 电路都由金属盒屏蔽起来，从而提高激励信号和检测信号的隔离度。检 测信号切换电路还要完成增益控制信号的切换。当系统工作时，激励信 号有激励源输出通过激励切换板加载到指定的激励线圈两端。没有选通 的激励通道处于断路状态。与 此同时，指定的检测通道被选 通，检测线圈按照程序指定的 放大倍数将检测到的信号放大 并输送到下一级鉴相电路中。 切换电路的外观如图2 0 所示。图2 0 多路信号切换电路板 1 6 鉴相电路 根据磁感应成像的基本原理，检测信号携带了被测物沿磁力线方向 上的电导率信息，它与激励信号之间的相位差与被测物的电导率相关。 该相位差近似等于被测物的电导率的线积分与系统工作频率的乘积，在 工作频率已定的条件下，可以通过鉴相电路将电导率信息解调出来。另 外，被测物的磁导率和介电常数会影响检测信号的幅度。，这样检测信 号就可以综合的反映被测物两种属性，当其中某种属性的影响很小，甚 至可以忽略时，幅度检测就可以提供更多的成像信息，有助于磁感应成 像的深入研究，幅度信息还可以作为反馈控制信号，为系统的校准和自 动检测提供参考，但是幅度的变化量很小，多通道系统的信息解调以鉴 相为主。为此，我们设计了高精度鉴相电路，将检测信号相位的变化转 第3 4 页 第四军医大学硕士学位论文 换成对应的直流电压信号，解调出被测物的电导率等信息，送入计算机。 1 6 1 实现方法 根据磁感应成像的特点，在分析了其他解调方法的优缺点的基础上， 为了达到较高的精度，我们利用高精度集成鉴相器解调检测信号携带的 电导率信息。 模拟乘法器解调方法需要使用高速高精度模拟乘法器，其滤波输出 鉴相结果与s i n p 成比例，显而易见，这种方法的线性度较差，而且只有 两路输入信号的相位差在9 0 。左右时才有较好的效果，不满足多通道成像 系统的设计要求。计算机数字解调，要求对高频信号进行高精度高速a 仍 转换，相对于1 0 m h z 的信号频率，理论上a d c 的采样速度至少要大于 2 0 m h z ，而且为了分辨0 0 1 。的相位差，采样精度一般也要在1 2 位以上。 实现起来较困难。 随着集成电路的发展，出现了集成模拟鉴相芯片，可以提供较高的 鉴相精度，a d 8 3 0 2 就是这样一款集成电路，它内部包含两个对数放大器 和一个鉴相器，可以实现鉴幅功能，在o 。一1 8 0 。内有较好的线性度。其鉴 幅灵敏度为3 0 m v d b ，鉴相灵敏度为1 0 m v 仍e g r e e ，功率输入范围是 6 0 d b 如r o d b m 。这款芯片的鉴幅鉴相特性曲线分别如图2 1 和图2 2 所示。 i z i ， 毫l 乒 鼍 l 马碡 i “_ 一 ， 璺誓 一 一 话 矿 4 茹i 一， l ，l 相对幅度比值c 皿) 图2 1 鉴幅特性及误差 第3 5 页 l，i il ， # ili癸i j 、ll、j 、l l ， | _ jl 、舞p lj ， j l 、 l l i zli 7 ill 相位差( ) 图2 2 鉴相特性及误差 鉴相误差 v 鉴相电压穹) 鉴喝误差台一 鉴幅电压3 第四军医大学硕士学位论文 由于生物组织电导率相对于金属要小的多，不同组织的电导率差异 不大，这就要求多通道磁感应系统具有较高的鉴相精度和线性度。另外， 解调电路最好有较小的响应时间和较宽的输出范围。综合以上分析，如 果选用集成鉴幅鉴相芯片，通过对其行输入匹配，输出放大滤波等信号 调理，不仅可以满足系统设计的要求而且还可以简化电路的设计。基于 这种思想我们实现了基于a d 8 3 0 2 的鉴幅鉴相电路，经过实验证明其具有 较好的性能，几乎在全部的o 。1 8 0 0 范围内其输出线性相关系数大于o 9 9 。 鉴相精度为o 0 0 3 0 ，此时的鉴幅灵敏度为3 0 0 m v d b 。 电路的结构框图如图2 3 所示，电路前级接收检测信号和参考信号， 经过解调后成为直流信号，该信号通过减法电路减去一个直流电压分量， i 高器波曰鉴熟1 。蒜波卜e 矿 图2