电阻抗成像系统的设计

摘要：介绍了电阻抗成像系统，该系统以PC机作为上位机，用来进行可视化控制、实时成像显示操作?鸦下位机采用高速单片机，控制电极选通、数据采集及预处理，并与ＰＣ机进行通讯；采用直接数字频率合成(DDS)技术产生高精度激励信号源，用相敏解调方法实现高质量数据获取。实验结果表明该系统能达到电阻抗成像（EIT）的性能要求。 关键词：电阻抗成像 直接数字频率合成 相敏解调 电阻抗成像（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，简称ＥＩＴ）技术是一种新颖的图像重建技术。它根据物体内部不同物质的导电参数（如电阻率、电容率）不同，通过在物体表面施加电流、电压并进行测量来获知物体内部导电参数的分布，进而重建出反映物体内部结构的图像。对人体组织电性能的研究表明，人体内不同组织以及组织处于不同功能状态下具有不同的电阻抗，即当人体的器官发生局部病变时，病变部位的阻抗必然与其它部位不同。因此，可以通过阻抗的测量对人体器官的病变进行诊断。ＥＩＴ是通过给人体注入小的安全电流，再测量体表的电位来重建出人体内部的电阻抗分布的图像的。它的成像机理完全不同于Ｘ射线、ＣＴ、超声波成像和核磁共振（ＭＲＩ）等。它是一种功能成像，即充分利用阻抗所携带的丰富的生理和病理信息实现功能成像。电阻抗成像技术具有Ｘ射线、ＣＴ和ＭＲＩ等技术无法比拟的优点，即对人体检测无创无害，且其成像设备成本低廉、体积小、操作简便，不要求特殊的工作环境。这些特点使得电阻抗成像技术特别适用于相关疾病的普查、预防等医学辅助诊断场合。目前，电阻抗成像技术已成为２１世纪医学成像研究的热点。 １ 系统构成 本系统采用上－下位机的结构，上位机由ＰＣ机担任，进行可视控制、图像实时显示；下位机由单片机担任负责电极选通切换、数据采集以及与ＰＣ机进行数据通信。这里单片机选用美国Ｃｙｇｎａｌ公司最近推出的高速Ｃ８０５１Ｆ１２１（最高处理速度达１００ＭＩＰＳ），其片内具有１２８ＫＦｌａｓｈ、（２５６＋８）ＫＲＡＭ以及增益可编程放大器和采样率达１００ｋｓｐｓ的１２位Ａ／Ｄ转换器。 图1 系统设计的整体框图 ＥＩＴ数据采集系统包括恒流源激励信号发生器、电极选通与驱动单元、可编程增益放大器、解调处理单元、Ａ／Ｄ转换（Ｃ８０５１片内１２位Ａ／Ｄ）单元等，系统结构如图１所示。 ＰＣ机作为上位机提供一个可视界面，可设置激励源的频率、激励模式（如相邻模式、相对模式），命令单片机进行数据采集并根据接收的反应阻抗信息的数据来重建图像。单片机按ＰＣ机发出的要求对激励信号源进行频率选择、相位及幅值控制；按激励模式依次选通激励电极与测量电极；选择可编程增益放大器的增益；启动Ａ／Ｄ转换并将数据存储后转发给ＰＣ机。 ２ 激励注入与信号提取 ２．１恒流源 恒流源由信号源和电压控制电流源（ＶＣＣＳ）两部分组成。正弦信号源采用直接数字频率合成（ＤＤＳ）技术，即以一定频率连续从ＥＰＲＯＭ中读取正弦采样数据，经Ｄ／Ａ转换并滤波后产生ＥＩＴ所需的正弦信号。本系统采用ＡＤ公司的ＤＤＳ集成芯片ＡＤ９８３０，其内部有两个１２位相位寄存器和两个３２位频率寄存器。在单片机的控制下对相应的寄存器置数就可以方便地得到２ＭＨｚ以下的任意频率和相位的输出，其中频率精度为1/ 2 32，相位分辨率为2π/2 12，输出幅度也可以在一定的范围内调节，因此能满足系统多频激励（１０ｋＨｚ～１ＭＨｚ）的要求。 正弦信号源输出信号经１：１的隔离变压器输出到ＶＣＣＳ。ＶＣＣＳ采用的三运放转换电路，如图２所示。 当运放工作在理想状态时，则输出电流为： 输出电流Ｉｏ的大小可以由输入电压Ｖｉ和采样电阻Ｒ５来控制，其精度取决于Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４的匹配程度。 ２．２ 电极阵列的设计 由于本系统中使用的是峰－峰值为１～５ｍＡ的交流小信号，因此如果模拟开关（又称多路开关）选择不当，它会成为系统中的一个显著的误差源。经比较，选用ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ３０６，它具有下列功能：程序控制１６选１（由４个地址端和１个选通端决定），导通电阻ＲＯＮ＜１００Ω，通道间匹配误差＜５Ω，通道间串扰＜－９２ｄＢ，导通时对地泄漏电流＜２５ｎＡ，导通时对地等效电容＜１４０ｐＦ，开关时间＜４００ｎｓ。 每组四个ＭＡＸ３０６并联可以完成３２选２任意的电流注入方式和电压测量模式。图３是电压测量的原理图，驱动电流注入的原理图与图３类似。它们之间的区别只是信号的流程相反，前者是流出开关，后者则是流入开关。设计时为减小干扰，采用了高速光耦６Ｎ１３６进行隔离。 ２．３ 激励注入与电压测量模式 本系统中激励源按一定的模式注入（如相邻模式或相对模式），通过ＰＣ机发出命令，由单片机来控制开关电极阵列依次选通激励电极对和测量电极对。当激励注入电极对转动一周时，就得到了能重建图像的一个数据组。 ２．４ 电压测量放大与解调 ＥＩＴ系统中注入的为交流小信号，所以在测量端先进行隔直、缓冲和差动放大，同时要滤除信号中的噪声，以使后面的测量能得到较好的效果。这就要求选用的仪表运放具有高的ＣＭＭＲ和足够的带宽。本系统选用了ＡＤ公司的ＡＤ６２０。在频率小于１００ｋＨｚ的情况下，１０倍增益时的共模抑制比可以达到６０ｄＢ，它的３ｄＢ带宽达到３００ｋＨｚ。经差动运放后，信号中除激励源频率信号外还混有噪声信号，所以还要利用相敏解调将反映阻抗大小的信号的幅度解调出来。本系统中的解调器选用ＡＤ６３０。它采用一路待解调信号和一路载波信号作为输入，待解调信号根据载波信号的正负进行翻转。从ＡＤ６３０的信号源到解调端，信号有一个相位变化， 这个变化是一个可以通过实验测量得到的定值，所以在解调器前需加一个移相器，以达到信号同步的目的。 ３ 数据采集与通讯 经解调输出的信号幅值较小，需经放大后送到Ａ／Ｄ转换器。Ｃ８０５１Ｆ１２１片内有可编程增益放大器（ＰＧＡ）和一个１２位的采样率达１００ｋｓｐｓ的Ａ／Ｄ转换器，用软件设置放大增益使信号在Ａ／Ｄ转换器输入信号的范围（０～２．４Ｖ）内。为保证数据的精度，系统对１０次采样结果做平均后存于片内ＲＡＭ中。每次按一定模式采集完一组数据后，单片机通过串口通知ＰＣ机接收。由于ＰＣ机串口是ＲＳ２３２电平，两者之间采用了ＭＡＸ２３２芯片进行电平转换后再进行数据通讯。 ４ 图像重建结果 在直径为１４５ｍｍ的盐水槽中放入浓度为０.９％的盐水溶液（７５０Ω／ｃｍ），在盐水槽的边缘上放入一根直径为２ｃｍ的木棒，采用相邻注入模式，通入峰－峰值为２ｍＡ的电流，利用敏感系数法采用２５６个有限元进行剖分，