電阻抗成像系統(tǒng)的設計

摘要：介紹了電阻抗成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)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?鴉下位機采用高速單片機，控制電極選通、數(shù)據(jù)采集及預處理，并與PC機進行通訊;采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術產(chǎn)生高精度激勵信號源，用相敏解調(diào)方法實現(xiàn)高質(zhì)量數(shù)據(jù)獲取。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能達到電阻抗成像(EIT)的性能要求。 關鍵詞：電阻抗成像 直接數(shù)字頻率合成 相敏解調(diào) 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(jù)物體內(nèi)部不同物質(zhì)的導電參數(shù)(如電阻率、電容率)不同，通過在物體表面施加電流、電壓并進行測量來獲知物體內(nèi)部導電參數(shù)的分布，進而重建出反映物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。對人體組織電性能的研究表明，人體內(nèi)不同組織以及組織處于不同功能狀態(tài)下具有不同的電阻抗，即當人體的器官發(fā)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(nèi)部的電阻抗分布的圖像的。它的成像機理完全不同于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(xiàn)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(yōu)點，即對人體檢測無創(chuàng)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(huán)境。這些特點使得電阻抗成像技術特別適用于相關疾病的普查、預防等醫(yī)學輔助診斷場合。目前，電阻抗成像技術已成為21世紀醫(yī)學成像研究的熱點。 1 系統(tǒng)構(gòu)成 本系統(tǒng)采用上-下位機的結(jié)構(gòu)，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(shù)據(jù)采集以及與PC機進行數(shù)據(jù)通信。這里單片機選用美國Cygnal公司最近推出的高速C8051F121(最高處理速度達100MIPS)，其片內(nèi)具有128KFlash、(256+8)KRAM以及增益可編程放大器和采樣率達100ksps的12位A/D轉(zhuǎn)換器。 圖1 系統(tǒng)設計的整體框圖 EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括恒流源激勵信號發(fā)生器、電極選通與驅(qū)動單元、可編程增益放大器、解調(diào)處理單元、A/D轉(zhuǎn)換(C8051片內(nèi)12位A/D)單元等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)采集并根據(jù)接收的反應阻抗信息的數(shù)據(jù)來重建圖像。單片機按PC機發(fā)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(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)存儲后轉(zhuǎn)發(fā)給PC機。 2 激勵注入與信號提取 2.1恒流源 恒流源由信號源和電壓控制電流源(VCCS)兩部分組成。正弦信號源采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術，即以一定頻率連續(xù)從EPROM中讀取正弦采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換并濾波后產(chǎn)生EIT所需的正弦信號。本系統(tǒng)采用AD公司的DDS集成芯片AD9830，其內(nèi)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(shù)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，相位分辨率為2π/2 12，輸出幅度也可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因此能滿足系統(tǒng)多頻激勵(10kHz～1MHz)的要求。

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

輸出電流Io的大小可以由輸入電壓Vi和采樣電阻R5來控制，其精度取決于R1、R2、R3、R4的匹配程度。 2.2 電極陣列的設計 由于本系統(tǒng)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(tǒng)中的一個顯著的誤差源。經(jīng)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，導通時對地泄漏電流<25nA，導通時對地等效電容<140pF，開關時間<400ns。 每組四個MAX306并聯(lián)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(qū)動電流注入的原理圖與圖3類似。它們之間的區(qū)別只是信號的流程相反，前者是流出開關，后者則是流入開關。設計時為減小干擾，采用了高速光耦6N136進行隔離。 2.3 激勵注入與電壓測量模式 本系統(tǒng)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(fā)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(zhuǎn)動一周時，就得到了能重建圖像的一個數(shù)據(jù)組。

2.4 電壓測量放大與解調(diào) EIT系統(tǒng)中注入的為交流小信號，所以在測量端先進行隔直、緩沖和差動放大，同時要濾除信號中的噪聲，以使后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(tǒng)選用了AD公司的AD620。在頻率小于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(jīng)差動運放后，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(diào)將反映阻抗大小的信號的幅度解調(diào)出來。本系統(tǒng)中的解調(diào)器選用AD630。它采用一路待解調(diào)信號和一路載波信號作為輸入，待解調(diào)信號根據(jù)載波信號的正負進行翻轉(zhuǎn)。從AD630的信號源到解調(diào)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(diào)器前需加一個移相器，以達到信號同步的目的。 3 數(shù)據(jù)采集與通訊 經(jīng)解調(diào)輸出的信號幅值較小，需經(jīng)放大后送到A/D轉(zhuǎn)換器。C8051F121片內(nèi)有可編程增益放大器(PGA)和一個12位的采樣率達100ksps的A/D轉(zhuǎn)換器，用軟件設置放大增益使信號在A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號的范圍(0～2.4V)內(nèi)。為保證數(shù)據(jù)的精度，系統(tǒng)對10次采樣結(jié)果做平均后存于片內(nèi)RAM中。每次按一定模式采集完一組數(shù)據(jù)后，單片機通過串口通知PC機接收。由于PC機串口是RS232電平，兩者之間采用了MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換后再進行數(shù)據(jù)通訊。 4 圖像重建結(jié)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，采用相鄰注入模式，通入峰-峰值為2mA的電流，利用敏感系數(shù)法采用256個有限元進行剖分。