（电路与系统专业论文）乳腺电阻抗多频扫描成像设备数据采集系统设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 通用串行总线( u s b ) ，是即插即用的新型硬件接口，以其易用性和在电脑操 作系统中的可扩展性而正成长为p c 与外围设备的主要接口，越来越广泛地应用 于设备接口的开发。 电阻抗多频扫描成像技术( e i s ) 是现代医学诊断乳腺癌的新兴技术之一， 在乳腺癌的早期诊断上有着明显地优势，而乳腺电阻抗多频扫描成像设备的研究 和应用才刚刚起步，有着广阔的发展前景。随着信息技术和计算机技术的飞速发 展，使用u s b 技术可以简化医疗设备与p c 机之间的连接，因而通用串行总线技 术在乳腺电阻抗多频扫描成像设备中的应用将成为一种新的趋势。 本文主要分为五个部分，第一部分讨论了乳腺电阻抗多频扫描成像设备和 u s b 总线技术的特点和发展趋势，并提出了采集系统的初步设计方案和研究意义； 第二部分描述了乳腺电阻抗多频扫描成像设备的背景、工作原理和设备的各个组 成部分；第三部分描述了通用串行总线2 o 版( u s b 2 o ) 的通信原理；第四部分详 细介绍了乳腺电阻抗多频扫描成像设备数据采集系统的设计，包括u s b 设备的开 发和采集系统硬件和软件设计，并对这个采集系统的性能进行了分析；第五部分 介绍了整个数据采集系统的测试结果和乳腺电阻抗多频扫描成像设备采集的图 像效果，最后对本文做出总结。 本文介绍了电阻抗多频扫描成像技术的优点和乳腺电阻抗多频扫描成像设 备的原理，详细描述了u s b 2 0 的原理以及u s b 设备的开发，包括了硬件设计， 软件和固件设计，客户端应用程序，并应用于乳腺电阻抗多频扫描成像设备与p c 之问的通信中，构建了一套完整的基于u s b 2 0 数据采集系统。 关键词：u s b 2 0 ，电阻抗多频扫描成像，e i s ，i s p l 5 8 1 ，f p g a ，c p l d a b s t r a c t 1 1 1 eu n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) i san e wp l u g a n d - p l a yh a r d w a r ei n t e r f a c ew h i c h i ss p e c i f i e dt ob ea ni n d u s t r i a ls t a n d a r de x t e n s i o nt ot h ep ca r c h i t e c t u r e 1 1 1 es i m p l i c i t y o fu s ba n di t se x t e n s i v ea d o p t i o ni nc o m p u t e ro p e r a t i n gs y s t e m sm a k ei ta l la t t r a c t i v e o p t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h ee q u i p m e n ti n t e r f a c e e l e c t r i c a li m p e d a n c es c a n n i n g ( e i s ) i m a g i n gt e c h n o l o g yi so n eo fm o d e r n e m e r g i n gm e d i c i n et e c h n o l o g yf o rd i a g n o s i sb r e a s tc a n c e r , w h i c hh a st h es u p e r i o r i t yi n b r e a s tc a n c e re a r l yd i a g n o s i s b u tt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h eb r e a s te l e c t r i c a l i m p e d a n c em u l t i f r e q u e n c ys c a n n i n gi m a g i n ge q u i p m e n tj u s ts t a r t e d ，i th a st h eb r o a d p r o s p e c t s f o rd e v e l o p m e n t a l o n gw i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , u s i n gt h eu s bt e c h n o l o g yi st ob ep o s s i b l et o s i m p l i f yt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nm e d i c a le q u i p m e n ta n dt h ep cm a c h i n e ，t h u su s b t e c h n o l o g yw i l lb e c o m eo n ek i n do fn e wt e n d e n c yi nt h ea p p l i c a t i o no ft h eb r e a s t e l e c m c a ti m p e d a n c em u l u 。t r e q u e n c ys c a n m n gl m a g m ge q u i p m e n t 1 1 l i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ee l e c t r i c a li m p e d a n c es c a n n i n gi m a g i n gt e c h n o l o g y m e r i ta n dt h eb r e a s te l e c t r i c a li m p e d a n c em u l t i - f r e q u e n c ys c a n n i n gi m a g i n ge q u i p m e n t p r i n c i p i e 。i nd e t a i l d e s c r i b e dt h eu s b 2 0p r i n c i p l ea sw e l la s t h eu s bd e v i c e d e v e l o p m e n t ，i n e l u d i n gt h eh a r d w a r ed e s i g n , t h es o f t w a r ed e s i g n , t h ef i r m w a r ed e s i g n ， a n dt h ec l i e n ts i d ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e i ti sa l s ot ob eu s e di nt h ec o r r e s p o n d e n c e b e t w e e nt h eb r e a s te l e c t r i c a li m p e d a n c em u l t i - f r e q u e n c ys c a n n i n gi m a g i n ge q u i p m e n t a n dp c ，a n df i n a l l yh a sc o n s t r u c t e das e to f c o m p l e t ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do n t h eu s b 2 0 k e yw o r d s ：u s b 2 0 ，e l e c t r i c a li m p e d a n c em u l t i - f r e q u e n c ys c a n n i n gi m a g i n g , e i s ，i s p l 5 8 1 ，f p g a ，c p l d i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 劐如瓦 日期： 伊6 0 - 2 - 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 夸1 如艮 第一章绪论 第一章绪论 1 1 乳腺电阻抗多频扫描成像设备概述 乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤之一，其发病率在全球范围，尤其在亚洲国家呈 明显上升趋势，已成为严重危害妇女健康和生命的主要疾病之一。英国妇女一生中患 乳腺癌的几率为1 1 2 ，每年死于该病的人数超过1 5 0 0 0 。据美国癌症学会报告，乳腺 癌是继肺癌之后美国妇女癌症死亡的第二大病因。近几年，我国乳腺癌发病率增长很 快，且发病年龄趋于年轻化1 1 1 1 2 1 。与对其它癌症一样，对乳癌也同样应采取早发现、 早诊断、早治疗的方针。其中早期发现是提高乳腺癌生存率和降低死亡率的关键所在， 因此做好乳癌的早期检查工作是至关重要的。在乳房诊断方法学中，x 射线测定法， 超声波检查法等检测手段虽然已大幅度的提高了检查的效果，但是结果还是不能令人 满意，仍有1 5 的乳癌患者不能被这些方法诊断出来于是近几年来出现了几种新 的诊断方法，比如激光测定法、温度记录法、电阻抗多频扫描成像等，其中电阻抗多 频扫描成像取得的效果最好，该方法具有无创伤、无毒无害、低成本、操作简单和信 息丰富等特点，医生和病人易于接受，特别适合于早期乳癌的普查。 e i s 目前主要集中在模型成像算法和硬件设计方面的研究。世界上还没有基于该 技术研制的医疗仪器作为商品销售。 在国外，以色列的t r a n s c a n 公司研发了t - s c a n 系列产品，t - s c a n 已经美国f d a 批准作为乳房x 射线摄影的补充检查在美国使用，其中t s 2 0 0 0 正在世界3 5 个地区 进行临床试验研究，样机如图1 - 1 所示”。 国外很多学者采用t r a n s s c a nt s 2 0 0 0 进行了人体乳腺的e i s 实验研究，他们通 过对乳腺x 射线照相或超声中有可疑发现的病人进行e i s 检查，肯定了e i s 技术对 乳腺癌检查的价值，主要结论可以归纳如下州： 1 e i s 可用于探测有无乳腺病变以及分辨乳腺病变的良性或恶性。 2 e i s 检查不受乳腺致密程度的影响，而乳腺x 射线照相对致密乳腺的敏感 性不高。 3 e i s 具有病人友好，非侵入性，无副作用，实时检查等优点。 4 表浅皮肤病变和探头与皮肤的不良接触等可能导致e i s 测量出现异常导纳 的增大而产生伪迹。但目前尚没有可信赖的软件滤波方法来判断伪迹。 俄罗斯科学院电子与无线电工程研究所报告了一种与t - s c a n 相似的乳腺检测 系统 7 1 。其特点是能提供三维测量结果，即给出与乳房探头平面平行的七层阻抗截面 分布图像，深度间距为8 m m 幅。该系统还用于对妇女不同生理时期的乳腺电阻抗特 性进行研究。发现妇女在不同生理时期，如卵泡期、黄体期、怀孕期、哺乳期和绝经 期等，由于内分泌( 雌激素，孕酮，催乳素，促孕激素等) 情况的改变，其乳腺组织 的电阻抗特性也发生相应的变化嗍。这一结果令人鼓舞，表明了阻抗技术诱人的应用 前景。 东南大学硕士学位论文 在国内，对e i s 进行研究的只有第四军医大学生物医学工程系电阻抗成像研究 组，未见有其他研究报道。2 0 0 3 年，该小组与上海东影公司合作，在研究t r a n s s c a n t s 2 0 0 0 基础上推出了国内第一台基于电阻抗成像原理的乳腺扫描系统 a n g e | p | a n - e 1 s 1 0 0 0 ，现已展开了多方面的临床实验研究1 9 j 【1 0 j ! ”l ，如图l - 2 。 现阶段利用a n g e l p l a n - e l s l 0 0 0 乳腺检测设备，对有限病例e i s 检查的结果初步 提示： 1 e i s 检查对早期乳腺癌( 0 期、l 期) 敏感，电阻为周围组织的拍到i 2 ， 区域较集中。 2 e i s 检查可以鉴别良性肿瘤与恶性肿瘤 3 乳腺局部增生可以在e i s 图像上反映出来。 4 乳腺局部钙化可以在e l s 图像上表现出来。 5 e i s 图像上局部( 1 2 个探测电极) 高亮度点( 电导大于周围区域5 倍以 上) 一般考虑为皮肤表面( 痣或表皮损伤) 引起。 影响e i s 成像的因素主要有： 1 乳腺病变组织的电阻抗特性 2 皮肤，电极的接触电阻抗。 3 乳房的大小，皮肤状态，松弛度，包块的位置、深度、在乳房内的生长情 况。 图1 - 2a n g c l p l a n - e l s l 0 0 0 e i s 设备中有一个特别关键的部分，这就是数据的采集系统【1 日。其中数据的传输 更是至关重要。随着设备功能的不断完善，需要发送到p c 进行处理的数据量会越来 越多庞大。这对e i s 设备的数据传输能力和传输速率提出了更高的要求。如何稳定高 速的传输数据，并且要兼顾整个系统的成本和易用性，这是e i s 设备必须要解决的问 题。通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 技术的出现为数据的高速传输和外设的 连接提供了一个很好的解决方案。 2 第一章绪论 u s b 是用于低速到高速的p c 外围设备与计算机进行连接的新型接口，其目的是 简化计算机外围设备的连接过程。是对计算机结构进行低成本工业标准的扩展1 1 3 j 最初由以i n t e l 为首的七家计算机和通信工业领先的公( i n t e l ，c o m p a q ，m i c m s o r ， i b m ，d e c ，n o r t h e r n t e l e c o m 以及日本n e c ) 于1 9 9 4 年1 1 月推出。1 9 9 8 年1 1 月u s b 标准规范更新到重要的1 1 版，支持低速( 1 5 m b i 协) 和全速( 1 2 m b i 以) 方式”。而目前 最新的u s b 2 0 版本于2 0 0 0 年4 月发布，相比原先的1 1 具有如下改进p 4 1 4 8 0 m b i f f s 的传输速率，相比u s b i 1 的m b i t s 提高了4 0 倍。 完全向下兼容u s b l i 设备和电缆。 新的集线器结构。能为u s b l 1 设备提供多个1 2 m b i t s 的接口。 由于具有高速传输、即插即用、低成本、性能可靠等一系列优点。使得u s b 得 到了广泛的应用并迅速得到普及l l 。利用u s b 来实现p c 主机与医疗设备之间的数 据传输，即可以有效解决传输瓶颈，又易于降低产品成本。u s b 成为主要的传输接 口是必然的趋势。 1 2 本论文的主要研究内容及意义 乳腺电阻抗扫描系统样机a n g e l p l a n - e i s l 0 0 0 的研制成功，填补了国内e i s 研究 领域的空白，具有重大意义。然而，在硬件设计方面，a n g e l p l a n - e l s l 0 0 0 系统存在 一些不足之处。 为此，我跟韩林华同学在对t r a n s s c a n t s 2 0 0 0 和a n g e l p l a n - e l s l 0 0 0 这两套设备 研究的基础上，吸收了a n g e l p l a n - e l s l 0 0 0 设备的成功优点，对它的不足之处加以改 进，提出了一套新的解决方案，即乳腺电阻抗多频扫描成像设备。 t r a n s s c a nt s 2 0 0 0 和a n g e l p l a n - e i s l 0 0 0 的数据采集系统采用的是基于p c i 总线 的数据采集卡。采用这种数据采集卡的优点是数据传输速率快，开发时间短缺点是 成本高，设备安装不方便，使用不灵活，受采集卡的众多限制。 本文的主要目的是针对乳腺电阻抗多频扫描成像设备，构建了一套基于u s b 2 0 的数据采集系统，包括数据的采集和数据的传输两部分。主要研究内容包括： 一) 本文介绍了乳腺电阻抗多频扫描成像技术的原理，并提出了基于该技术的 乳腺电阻抗多频扫描成像设备的整体方案。 ( 二) 本文对通用串行总线体系结构及其协议作了详细的论述，特别是对u s b 的 传输方式和设备开发进行了深入的分析和讨论。 ( 三) 在上述两个方面进行深入研究的基础上，利用p h i l i p s 公司的u s b 2 0 控制 器芯片i s p l 5 8 1 、6 时钟模式单片机p 8 7 c 5 2 x 2 b b d 、a l t e r a 公司的f p g a 芯片e p lk s o q 2 0 8 、c p l d 芯片e p m 3 2 5 6 a t c l 4 4 、i d t 公司的1 6 位s r a m ( i d ，r 7 1 v 4 1 6 s ) 、m a x i m 公司的1 2 位a d 芯片a d 叮8 6 2 等器件，设计和 实现了一个基于u s b 2 0 总线的数据采集系统，并将其应用于整个乳腺电阻 抗多频扫描成像设备中。本文对整个系统的开发过程在理论和工程上都进 行了深入的分析和探讨。 3 东南大学硕士学位论文 该采集系统具有多路a d 同时转换、转换精度高、大批量数据上传速度快的特 点。基于该系统的乳腺电阻抗多频扫描成像设备性能稳定、成本低、安装使用方便， 从而使e 1 s 设备向高性能、低价格、便携式方向发展，并对其他高速传输设备的研制 具有一定参考价值。 4 第二章乳腺电阻抗多频扫描成像设备的系统方案 第二章乳腺电阻抗多频扫描成像设备的系统方案 2 1 乳腺电阻抗多频扫描成像技术的原理 在2 0 世纪2 0 年代，蹦c k 和m o r s e 发现乳腺的恶性肿瘤组织和正常组织间的阻 容成分具有显著的差异，此后一些阻抗研究小组分别对乳腺正常组织和恶性肿瘤组织 进行了离体和在体的阻抗测量，均证实了乳腺恶性肿瘤组织的阻抗特性和正常组织的 阻抗特性存在较大的差异，与正常组织相比，恶性肿瘤组织具有更高的电导率和相对 介电常数，或更低的电阻率。由此，利用电阻抗成像原理进行乳腺癌的检查作为一种 新的测量方法展开了一系列的研究，从而把生物电阻抗技术带入到乳腺疾病检测的领 域。 2 1 1 理论基础 1 9 2 0 年。p h i l i p s o n 最早认识到生物组织的电特性和由电阻电容组成的电路的电 特性有很多相似之处，并最终导致了生物组织的等效电路概念的建立，即r c 三元件 生物电阻抗模型。1 9 2 8 年美国c a l i f o r n i a 大学的c o l ek s 在总结前人工作的基础上， 提出了生物组织的电阻抗可以用复平面上的一段圆弧来表示 1 6 o 后来c o l ek s 和c o l e r h 再进一步地将其发展成为c o l e - - c o l e 理论。1 9 5 7 年s c h w a n 又成功的提出了频散 理论，表明生物组织的电特性随频率在不同的频段呈显著变化i l ”。至此，生物组织 电特性的理论基本形成。 2 1 1 1 三元件r c 模型h 田 生物组织含有大量的不同形状的细胞，这些细胞之间的液体可视为电解质。因此， 当直流或低频电流施加给生物组织时，电流将以任意一种可能的方式绕过细胞，主要 流经细胞外液；当施加于生物组织电流的频率增加，细胞膜电容的容抗减小，一部分 电流将穿过细胞膜而流经细胞内液。所以生物组织的低频电阻抗较大而高频电阻抗较 小，电阻抗值由大到小的过渡恰好反映了生物组织细胞膜的电容特性。 生物组织内单个细胞的等效电路模型如图2 - 1 所示，其中足是细胞外液的电阻 e 是细胞外液的并联电容，如是细胞膜的电阻，c ：是细胞膜的并联电容，r 是 细胞内液的电阻，c ，是细胞内液的并联电容。在低频范围内( 低于i m h z ) ，细胞膜 的漏电阻吃很大，可以视为开路，而细胞内、外液的并联电容c f 、e 很小，也可 视为开路，这样就可以得到如图2 - 2 所示的简化等效电路模型，此模型又被成为并联 5 东南大学硕士学位论文 等效电路模型。对于整个生物组织而言，由于生物组织是大量的细胞组成，可以看作 是许多细胞的集合，因此生物组织的电路模型也可用图2 - 2 所示的电路等效。只是此 r i c er e c m r i 图2 - 1 单个细胞等效电路图图2 2 简化等效电路图 时的马、足、c ：已不再是代表某个细胞的内、外液电阻和细胞膜的电容，而是代 表整个生物组织的等效内、外电阻和膜电容。这就是r c 三元件生物电阻抗模型。由 图可以推导出电阻抗方程为： ( 2 1 ) f = ( r + r a c ，r = 足，民= 币r , r 瓦e ， ( 2 z ) 由此电阻抗方程可知r c 三元件生物电阻抗模型在复平面上的轨迹是第四象限 的一个半圆，圆心在实轴上，如图2 - 3 。 一i m ( z 0n r o or o r e i 图2 3r c 三元件生物电阻抗模型在复平面上的轨迹 6 麓 + =z 中其 第二章乳腺电阻抗多频扫描成像设备的系统方案 2 1 1 2c o l e - c o l e 模型嘲f 1 叼 根据c o l e 的分析，实际生物组织的电阻抗( 导纳) 在复平面的轨迹是第四象限 的一段圆弧，并非是一个半圆，圆心在第一象限，称为阻抗圆图或c o l e - - p l o t 。图2 - 4 展示了c o l e 阻抗圆图。 - i m ( z ) 0二：徐 一 8 叭j 厕 r ei i 图2 - 4c o l e - - p l o t 由此提出c o l e - - c o l e 经验电阻抗特征方程： z - 耻莓 1 + ( ，上r ( 2 3 ) c o l e - - c o l e 电阻抗特征方程中有四个特征参数 、扒p , o 和心， r 代表频率 为0 时的电阻抗，疋代表频率无穷大时的电阻抗，a 为松弛因子，一般在。一1 之间 取值，其大小决定圆心的位置，f c 是复阻抗的虚部为最大时的频率，称为组织的特征 频率。由坐标原点到圆弧上的点的连线为在频率为f 时的组织阻抗z ( f ) ，随着频率 的增加，该点在圆弧上沿逆时针方向运动。 2 1 1 3 频散理论【1 7 】 生物电阻抗或介电特性参数在某个频率范围内有显著的变化称为频率散射，简称 为频散。频散理论是s c h w a n 在1 9 5 7 年通过对生物组织频率特性的研究提出的。它 表明生物组织内存在三个不同的频率散射，分别成为口、p 和t 频散。如图2 5 所示。 7 东南大学硕士学位论文 l o l 1 0 s 1 0 2 毫0nsn0 l 心( 。 t o j ! 两i kk f i o z 抡 ：= = = = 融 峰i 孓 1 i l 觚羹 i l i i 上龇 南习 ；南 南挎l 翱赫l _ 扣= 一 = _ 艺? 叫 图2 5 频率散射 从图中可以看出，生物组织的介电常数和电导系数。随着频率变化有三个明显 的散射区域。其中a 散射频率主要发生在音频频段，从几赫兹到几千赫兹，是由于包 围细胞内细胞离子层发生变化引起的，表现为细胞膜电容发生变化。b 频散主要发生 在射频频段，从几十千赫兹到几十兆赫兹，主要有膜电阻的容性短路和生物高分子的 旋转松弛所引起的。在此频段内，细胞膜电容基本恒定。在音频频段和射频频段内， 随着频率增加，膜电容的容抗减小，电流在低频时绕过细胞膜只流经细胞外液，到高 频时穿过细胞膜流经细胞内、外液，因此，表现为电导系数随频率升高而增大，相反， 介电系数随着频率升高而减小。y 频散主要发生在微波频段，几十兆赫兹以上，由于 蛋白质和与蛋白质结合的水在电场作用下分子的偶极转动所引起。由此可见，在音频 频段和射频频段对生物组织介电特性的研究可以同时反映出细胞内液和外液的特性。 2 1 2 电阻抗乳腺多频扫描成像系统的原理 2 1 。2 1 均匀电介质电流场扰动原理 建立两个平行的导电面a 和b ，在a 和b 之间设立阻抗均匀分布的空间，将导 电面a 接电压为v ，导电面b 接地，即电位为零。则在导电a 和导电面b 之间建立 均匀电流场，导电面b 上的电流密度分布也为恒定值i o 如图2 - 6 所示 8 第二章乳腺电阻抗多频扫描成像设备的系统方案 当电流场中某个区域发生变化时，即这一片区域的电阻抗由均匀分布 p ( x ，y ) = p o 变为p ( x ，y ) = p l ，其中p o p l ，电流场发生扰动。原来导电 面b 上均匀分布的电流密度，会在阻抗扰动区域的垂直投影位置也相应的产生一个 扰动，电流密度将在l o 的基础上形成一个峰值为i 。的扰动。因而可以根据导电面b 上均匀电流分布的扰动来判断场域中电阻抗分布的扰动，见图2 - 7 。 z i b i o b a ) 图2 - 6 阻抗均匀分布的电流场示意图 z + b l ia p 图2 - 7 阻抗分布变化产成的扰动和扰动电流分布图 9 东南大学硕士学位论文 2 1 2 2 乳腺组织电流场等效模型 将正常乳腺组织视为电阻抗均匀分布的电介质，其电阻抗分布 p ( x ，y ，z ) = p 。，为常数。通过在置于乳房表面的电极阵列和上肢末端加载驱动 电场，电极阵列通过虚地将电压置为0 ，上肢末端加载电压v ，所加电压信号通过人 体导电性能较好的肌肉组织传导到位于乳腺下方的胸肌，胸肌上电压为v o ，从而建 立了胸肌通过乳腺组织( 即均匀电介质) 到乳房表面电极阵列的均匀电流场，体表电 极阵列测得的电流值基本为均匀的，如图2 - 8 所示。 图2 - 8 乳腺组织电流场等效模型 2 1 2 3 乳腺包块阻抗投影成像 若电极阵列下方乳腺内存在一低电阻抗包块，则会使均匀电流场发生扰动，体表 电极阵列上探测到的电流值也随之发生扰动。乳房表面位于包块正上方的电极上测得 的电流值增大，而其他电极上测得的电流值基本不变。由于电压恒定，探头电极阵列 各个电极上检测到的电流值与其所覆盖的组织的电导成正比关系，因而乳房表面电极 阵列上电流的分布代表了电极到胸肌间的电阻抗分布。用灰度图将这一分布以二维图 像的形式表示出来，从而形成了乳腺区域的电阻抗投影扫描图像。 对于电极阵列中的每一个电极，垂直于这个电极的皮肤、乳腺组织，胸肌和外加 的激烈源共同构成一个回路。如图2 - 9 所示，电极面积为& ，皮肤厚度为厶，皮肤 阻抗率为p s ，乳腺组织厚度为厶，乳腺组织阻抗率为p 。，电流密度为： ，：! ( 2 4 ) s 、。 这一回路中总的电阻抗为： 1 0 第二章乳腺电阻抗多频扫描成像设备的系统方案 z ：兰：丛+ 丛：p s l s + p t l t lsss 则可以推出 j ：! ： 兰 s p s l s + p t l t ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 对于电极阵列上所有电极所构成的局部电流回路，乳腺组织厚度为上t 、皮肤厚 度岛和皮肤阻抗率p s 是基本恒定不变的。因而电流密度j 的差异主要是由于乳腺组 织阻抗率p 。分布的扰动造成的。 图2 - 9 单电极电阻抗回路示意图 由导纳公式： y ：g + j b ：g + j 甜c ：k p + j 眦、 p ( 2 8 ) 式中，阻抗率p 包括电阻率和电抗率；g 为导纳的实部，称电导；b 为导纳的虚 赢 = 矿一z 锨 k 东南大学硕士学位论文 部，称电纳：k 为系数；o 为电导率；为介电率。因而，各个电极覆盖下的阻抗率p 。 不同的实质就是各个电极覆盖下对应组织的电导率和介电率的不同。电导率可以通过 电阻得以表示，介电率可以通过电容得以表示。 有以上的分析，可以对激励源v 采用一定频率的激励信号( 如标准正弦波) ，然 后在探测端，测量其电流的幅度和相位。通过幅度可以得到电阻，通过相位可以得到 电容。把探测电极阵列的各个电极覆盖下的乳腺组织的电阻和电容同时显示在屏幕 上，以灰度等级的形式表现其值，可以很容易得观测到乳腺组织中不同阻抗成分的分 布情况。 2 1 3 电阻抗乳腺多频扫描成像系统的阻抗提取方法“” 电阻抗乳腺多频扫描成像系统的阻抗提取方法采用傅立叶变换的方法，分别对输 入激励源和响应信号进行傅立叶变换，对应的得到输入激励源和响应信号的幅频特性 和相频特性。由幅频特性可以得到相应频率下的幅值，由相频特性可以得到相应频率 下的相位。 假设： 1 激励源电压为标准正弦波，记为v ( 口b ) ，其中为正弦波的频率。 2 响应电流记为i ( m ) ，由于存在组织非线性特性的可能性，i 的频率特性可能 发生变化，即可能会发生频率扩散现象。 3 采样电路对v 和i 同时采样，分别获得n 个采样点，记为7 0 ，v l ，v r l 和 4 考虑到生物组织的非线性特性，其阻抗会随着激励源信号频率的改变而改变， 因此将阻抗记为z ( 脚) ，即其为频率的函数。 2 2 乳腺电阻抗多频扫描成像设备的整体结构 图2 - 1 0 为电阻抗乳腺扫描成像系统检测示意图1 2 。检测时，被测者手握激励电 极( 参考电极) ，检测人员将探测电极阵列置于乳房表面。探测电极阵列的电势为地 电势，激励电极有一定的电压值，激励电极和探测电极形成回路，产生诱发电流。诱 发电流通过人的手臂到达高电导率的胸肌组织，这样可以将大面积的胸肌组织看作是 一个等电势的平面。在胸肌组织表面和测量电极阵列就构成平行板电容器，它们之间 会产生电流场。乳房中的大量脂肪可以认为在其中所形成的电流场是均匀的，若乳房 中存在电导率和介电率与正常组织有很大差别的病变组织，该组织就会在均匀电场中 产生扰动，具体表现为该部位对应的测量单元电极上的电流值的幅度和相位与其它电 极上相比有很大的差别，显示器中对该电极覆盖下的组织，其显示的灰度等级与其它 1 2 第二章乳腺电阻抗多频扫描成像设备的系统方案 的灰度等级具有显著不同。 图2 1 0 电阻抗乳腺扫描成像系统检测示意图 根据以上测量原理和测量方法而设计的e i s 乳腺测量系统的基本组成如图2 - 1 l ， 整个系统主要包括激励部分、检测电极阵列、前置级电流检测、多路开关切换、数据 采集及信号处理、成像算法及软件部分 图2 1 le i s 设备工作原理图 激励电极与探测电极形成回路。激励源产生一定频率的正弦激励电压信号，此信 号经过人体电阻抗后，诱发出微弱的电流。此微弱电流信号在探测端的前置级电流检 测阵列部分，转换成便于传输和调理的具有一定幅值的电压信号。然后经多路开关切 换和程控增益电路，调理成满足a d 转换量程的电压，此电压在数据采集部分转换成 数字量，并在p c 端经过一定算法运算处理后，以二维灰度图的形式显示在屏幕上。 1 3 东南大学硕士学位论文 第三章u s b 2 0 标准及协议分析 3 1u s b 出现的背景 在u s b 产生之前，外设与p c 机的通信主要是通过p c 机主板所提供的各种接口 来实现的，如p c i 接口、p s 2 接口、串行接口，并行接口等。然而这些接口存在着 很多缺陷，它们是非共享式的。只支持单个外设的连接，体积庞大，规格不一，采用 传统的i o 模式。为了克服老式接口的这些缺陷，p c 机制造商和用户迫切需要一种 新型的外设连接方式，由此u s b 应运而生。 开发通用串行总线的最初动机是为了提供一种普遍的p c 到外设的连接方式并改 善其易用性和端口的可扩展性。最新的u s b 2 0 的推出，其动机来自p c 日益增长的 效能以及庞大的数据容量这一事实。同时，p c 外设的功能也与日俱增，用户应用程 序，比如数字图像需要一个更高效灵活、稳定的连接方式。u s b 2 0 正是通过在原有 的1 2 m b i f f s 和1 5 m b i v s 之外再加入4 8 0 m b i t s 的传输速率来满足这样的需求。u s b 2 0 是对旧版u s b 的适时更新，在提高带宽的同时又保持了向下兼容。这样，u s b 继续 很好地解决了p c 结构的连通性，它是快速的、双向的、同步的、低成本的、动态连 接的串行接口，协调p c 平台今天和明天的需求。u s b 的设计目的是对p c 结构提供 工业标准的扩展，使不同厂家所生产的设备可以在一个开放的体系下广泛的使用“。 3 2u s b 的主要特点 u s b 规范很好地解决了日益增加的计算机外围设备种类与有限的主板插槽和接 口之间的矛盾，支持单个主机与多个外设同时进行数据交换。相比其它接口，u s b 具有如下优点”3 1 ： 夺u s b 接口统一了各种接口设备的连接。 真正的即插即用，u s b 设备能自动检测并配置，不再需要另外设置l r q 中断、 i ，o 地址以及d m a 等系统资源。 具有“热插拔”特性。 共享式接口一u s b 端口支持多个外设的连接，采用“菊花瓣”式的连接方式， 通过u s b 集线器，一个u s b 主控制器上最多可以连接1 2 7 个外设。 节省系统资源。 使用灵活。 夺低成本。 夺性能可靠。 夺提供电源。 夺具有良好兼容性。 1 4 第三章u s b 2 0 标准及协议分析 3 3u s b 的体系结构 在终端用户看来，u s b 系统就是外设通过一根u s b 电缆和p c 机之间互连，u s b 在外设和p c 机之间提供通信服务，通常把外设称为u s b 设备，把其所连接的p c 机 称为u s b 主机。由主机预定的标准的协议使各种设备分享u s b 带宽，当其它设备和 主机在运行时，总线允许添加、设置、使用以及断开外设。 一个u s b 系统主要被定义为三个部分： u s b 主机 蕾u s b 设备 u s b 连接 u s b 主机内部含有u s b 主控制器，负责完成主机和u s b 设备间的物理数据传 输，还含有客户软件：u s b 设备驱动程序和界面应用程序，用于和指定的u s b 设备进 行通信，以实现其特殊的功能。u s b 的数据传输是基于令牌，其所有的通信都由u s b 主机启动，所以u s b 主机在整个数据传输中占据着主导地位。 u s b 设备分为两大类：集线器和功能设备。其中，集线器为u s b 系统提供额外 的连接点。扩展主机的u s b 端口和u s b 设备；功能设备和u s b 主机进行数据和控 制信息的交互，并为主机提供额外的功能。 u s b 物理连接是指一个集线器下行端口和另一集线器上行端口或u s b 功能设备 之间通过u s b 电缆的连接。u s b 采用星型的总线拓扑结构来实现u s b 设备与主控 制器之间的连接，如图3 - 1 所示。主控制器( 包括根集线器) 是这个结构的起点，u s b 集线器是星型结构的中心，每一层都是集线器和设备之间点到点的连接。由于集线器 时序和电缆传输周期的限制，这种结构最多为7 层( 包括根结点) ，最多可以支持1 2 7 个设备( 包括根集线器) 的连接。由于u s b 不像其他总线一样采用存储转发技术，所 以不会对下层的设备引起延j s e 2 1 3 0 1 。 东南大学硕士学位论文 图3 - 1 u s b 总线拓扑结构 对p c 微机而言，u s b 系统中的主机就是一台带u s b 主控制器的p c 机，u s b 主控制器由硬件、软件、微代码组成在u s b 系统中只有一台u s b 主机，主机是主 设备，它控制u s b 总线上所有的信息传送。根集线器与主机相连，下层就是u s b 集 线器和功能设备。p c 微机的u s b 拓扑结构中，u s b 功能设备具体连接方式如图3 - 2 所示 图3 - 2u s b 功能设备具体连接 要强调的是，不管在一根集线器上连入多少设备，所有的这些设备都在共享主机 的数据通道。因此，在其中接入的设备越多，每个设备所能得到的带宽也就越少口2 】【”l 。 1 6 第三章u s b 2 0 标准及协议分析 3 4u s b 的机械特性 u s b 的物理连接中，u s b 高速( 4 8 0 m b i t s ) 和全速( 1 2 m b i t s ) 传输需要使用外壳屏 蔽、数据线双绞的u s b 电缆：而低速( 1 5 m b i t s ) 电缆不需要屏蔽和双绞线。所有u s b 电缆都支持热拔插，其插头上突起的u s b 标志指明了正确连接的方向。 u s b 定义了两种类型的连接器：a 系列和b 系列。如图3 - 3 a 系列连接器包括 a 型插头和a 型插座，它们互相匹配。a 型插座总是作为u s b 主机或集线器的下行 端口，所以a 型插头总是指向上行u s b 主机。b 系列连接器也包括b 型插头和b 型 插座，它们互相匹配。b 型插座总是作为u s b 设备或集线器的上行端口，所以b 型 插头总是指向下行u s b 设备或集线器。 图3 - 3u s b 的各个系列的插头和接口 u s b 的连接头有4 条线缆组成：两条电源线和两条信号线。高，全速线缆包括一 对双绞信号线、一条v b u s 和一条g n d ，以及对它们的全屏蔽。高，全速线缆也可以 用于全 氐速的设备。同时，u s b 规范推荐制造商使用3 种表皮颜色：白色、灰色和 黑色。 典型的u s b 电缆有三部分组成：a 型插头、电缆线和b 型插头。其中a 型插头 是必须的，且尺寸也应该是标准的，用于连接至主机或集线器的下行端口；电缆线和 b 型插头都是可选的。另外，供应商还可以自己定义b 型插头的尺寸。 为了保证数据在u s b 电缆中准确无误的传输，u s b 规范规定全速，高速电缆必须 具有外层屏蔽线，且差分数据线必须双绞。对低速电缆来说，其传输速率较低，且其 一般不含b 型插头，而需要与u s b 设备永久相连。所以不需要以上特殊处理。低速 线缆不能传输高速和全速信号，但可以使用全速高速电缆来传输低速信号，但要注 意其长度不要超过低速电缆所允许的最大长度。另外全速，高速电缆既可以是束缚电 缆也可以是可分离电缆，而低速电缆必须是束缚电缆口l j p 叫。 1 7 东南大学硕士学位论文 3 5u s b 信号和电气特性 为保证u s b 总线上传输数据的完整性和消除噪声干扰，数据在u s b 总线上实际 传输时，使用n r z i ( 不归零则反向) 编码的差分信号。数据在d + 和d 上的相位差 为1 8 0 度。u s b 主控制器和u s b 设备的s i e 负责对数据进行n r z i 编码和差分驱动。 这种编码方式不需要单独的时钟信号与数据一起发送，它用电平的跳变来代表“0 ”， 无电平跳变来代表“1 ”，如图3 4 所示： 原始数 据 0ll010l000 1 0 0 110 习厂 厂 厂 厂 厂 酱1 哥厂 r 厂 厂码拥l uul 图3 - 4 n r z i 编码 n r z i 编码利用其数据流中的跳变来表示同步信号，即传输数据“0 ”，这可以保 证发送方和接收方的同步。但是一长串的“1 ”会导致无电平跳变，引起接收方失去 同步信号。u s b 使用了位填充机制来避免这种情况的发生。如果传输的数据中有6 个连续的“1 ”，那么发送方会在这6 个“l ”后填充一个“0 ”，这就保证了在7 个位 时间里至少有一个跳变，如图3 - 5 所示。数据接收方接收到6 个连续的“1 ”后，会 把第7 位“0 ”抛弃，如果原始数据的第7 位本来就是“0 ”，位填充机制还是会在第 七位填充一个“0 ”。 原始数据 6 个连续的。l ”l j 同步字段 填充位 位嚣的厂百磊一厂 厂 数据 同步字段 n r z 码哥厂 厂 厂 厂一 同步字段 图3 - 5 位填充 u s b 使用差分驱动器把u s b 信号发到总线上，具体实现方式根据u s b 信号传 输速率的不同而不同。u s b 电接口如图3 - 6 ，采用四根电缆：其中两根电缆为下游设 备提供电源，v b u s 是电源线，g n d 是地线；另外两根d h 爿d - 的差分信号对是用 来传送数据的串行通道i “。各条线的机械电气要求分别如下1 2 1 1 ： 电源线：由一对截面面积为2 0 8 0 个a w g 单位( a w g 是美国线缆标准，用来 衡量一条线缆的横截面面积) 的非双绞的线缆构成。 数据线：由一对截面面积为2 8 个a w g 单位的双绞线构成。 1 8 第三章u s b 2 0 标准及协议分析 图3 - 6 高，全速线缆的结构 为识别出高速的u s b 2 0 设备，需要在上拉电阻r p u 和d + 线之间连接一个由软 件控制的开关，使其可以在连接起始以全速速率与主机通信，完成配置，而在正常工 作时采用高速速率，如图3 7 ，通常被集成在u s b 设备接口芯片内部 v c c ( 3 0 v 一3 6 v ) 图3 - 7 高速u s b 设备电缆和电阻的连接 3 6u s b 数据流模型 3 6 1u s b 通信流 u s b 提供了在一台主机和若干台附属的u s b 设备之间的通信功能，从终端用户 的角度看到的