電阻抗成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了電阻抗成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PC機(jī)作為上位機(jī)，用來進(jìn)行可視化控制、實(shí)時(shí)成像顯示操作?鴉下位機(jī)采用高速單片機(jī)，控制電極選通、數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理，并與ＰＣ機(jī)進(jìn)行通訊；采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生高精度激勵(lì)信號(hào)源，用相敏解調(diào)方法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量數(shù)據(jù)獲取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能達(dá)到電阻抗成像（EIT）的性能要求。關(guān)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(jiǎn)稱ＥＩＴ）技術(shù)是一種新穎的圖像重建技術(shù)。它根據(jù)物體內(nèi)部不同物質(zhì)的導(dǎo)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(jìn)行測(cè)量來獲知物體內(nèi)部導(dǎo)電參數(shù)的分布，進(jìn)而重建出反映物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。對(duì)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(dāng)人體的器官發(fā)生局部病變時(shí)，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(cè)量對(duì)人體器官的病變進(jìn)行診斷。ＥＩＴ是通過給人體注入小的安全電流，再測(cè)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(jī)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(shí)現(xiàn)功能成像。電阻抗成像技術(shù)具有Ｘ射線、ＣＴ和ＭＲＩ等技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，即對(duì)人體檢測(cè)無創(chuàng)無害，且其成像設(shè)備成本低廉、體積小、操作簡(jiǎn)便，不要求特殊的工作環(huán)境。這些特點(diǎn)使得電阻抗成像技術(shù)特別適用于相關(guān)疾病的普查、預(yù)防等醫(yī)學(xué)輔助診斷場(chǎng)合。目前，電阻抗成像技術(shù)已成為２１世紀(jì)醫(yī)學(xué)成像研究的熱點(diǎn)。 １ 系統(tǒng)構(gòu)成 本系統(tǒng)采用上－下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，上位機(jī)由ＰＣ機(jī)擔(dān)任，進(jìn)行可視控制、圖像實(shí)時(shí)顯示；下位機(jī)由單片機(jī)擔(dān)任負(fù)責(zé)電極選通切換、數(shù)據(jù)采集以及與ＰＣ機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這里單片機(jī)選用美國(guó)Ｃｙｇｎａｌ公司最近推出的高速Ｃ８０５１Ｆ１２１（最高處理速度達(dá)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(dá)１００ｋｓｐｓ的１２位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器。圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體框圖ＥＩＴ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括恒流源激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、電極選通與驅(qū)動(dòng)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(jī)作為上位機(jī)提供一個(gè)可視界面，可設(shè)置激勵(lì)源的頻率、激勵(lì)模式（如相鄰模式、相對(duì)模式），命令單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并根據(jù)接收的反應(yīng)阻抗信息的數(shù)據(jù)來重建圖像。單片機(jī)按ＰＣ機(jī)發(fā)出的要求對(duì)激勵(lì)信號(hào)源進(jìn)行頻率選擇、相位及幅值控制；按激勵(lì)模式依次選通激勵(lì)電極與測(cè)量電極；選擇可編程增益放大器的增益；啟動(dòng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后轉(zhuǎn)發(fā)給ＰＣ機(jī)。 ２ 激勵(lì)注入與信號(hào)提取 ２．１恒流源 恒流源由信號(hào)源和電壓控制電流源（ＶＣＣＳ）兩部分組成。正弦信號(hào)源采用直接數(shù)字頻率合成（ＤＤＳ）技術(shù)，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(hào)。本系統(tǒng)采用ＡＤ公司的ＤＤＳ集成芯片ＡＤ９８３０，其內(nèi)部有兩個(gè)１２位相位寄存器和兩個(gè)３２位頻率寄存器。在單片機(jī)的控制下對(duì)相應(yīng)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(lì)（１０ｋＨｚ～１ＭＨｚ）的要求。正弦信號(hào)源輸出信號(hào)經(jīng)１：１的隔離變壓器輸出到ＶＣＣＳ。ＶＣＣＳ采用的三運(yùn)放轉(zhuǎn)換電路，如圖２所示。 當(dāng)運(yùn)放工作在理想狀態(tài)時(shí)，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(shè)計(jì) 由于本系統(tǒng)中使用的是峰－峰值為１～５ｍＡ的交流小信號(hào)，因此如果模擬開關(guān)（又稱多路開關(guān)）選擇不當(dāng)，它會(huì)成為系統(tǒng)中的一個(gè)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(gè)地址端和１個(gè)選通端決定），導(dǎo)通電阻ＲＯＮ＜１００Ω，通道間匹配誤差＜５Ω，通道間串?dāng)_＜－９２ｄＢ，導(dǎo)通時(shí)對(duì)地泄漏電流＜２５ｎＡ，導(dǎo)通時(shí)對(duì)地等效電容＜１４０ｐＦ，開關(guān)時(shí)間＜４００ｎｓ。 每組四個(gè)ＭＡＸ３０６并聯(lián)可以完成３２選２任意的電流注入方式和電壓測(cè)量模式。圖３是電壓測(cè)量的原理圖，驅(qū)動(dòng)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(hào)的流程相反，前者是流出開關(guān)，后者則是流入開關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)為減小干擾，采用了高速光耦６Ｎ１３６進(jìn)行隔離。 ２．３ 激勵(lì)注入與電壓測(cè)量模式 本系統(tǒng)中激勵(lì)源按一定的模式注入（如相鄰模式或相對(duì)模式），通過ＰＣ機(jī)發(fā)出命令，由單片機(jī)來控制開關(guān)電極陣列依次選通激勵(lì)電極對(duì)和測(cè)量電極對(duì)。當(dāng)激勵(lì)注入電極對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，就得到了能重建圖像的一個(gè)數(shù)據(jù)組。２．４ 電壓測(cè)量放大與解調(diào) ＥＩＴ系統(tǒng)中注入的為交流小信號(hào)，所以在測(cè)量端先進(jìn)行隔直、緩沖和差動(dòng)放大，同時(shí)要濾除信號(hào)中的噪聲，以使后面的測(cè)量能得到較好的效果。這就要求選用的儀表運(yùn)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(shí)的共模抑制比可以達(dá)到６０ｄＢ，它的３ｄＢ帶寬達(dá)到３００ｋＨｚ。經(jīng)差動(dòng)運(yùn)放后，信號(hào)中除激勵(lì)源頻率信號(hào)外還混有噪聲信號(hào)，所以還要利用相敏解調(diào)將反映阻抗大小的信號(hào)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(hào)和一路載波信號(hào)作為輸入，待解調(diào)信號(hào)根據(jù)載波信號(hào)的正負(fù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。從ＡＤ６３０的信號(hào)源到解調(diào)端，信號(hào)有一個(gè)相位變化，這個(gè)變化是一個(gè)可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的定值，所以在解調(diào)器前需加一個(gè)移相器，以達(dá)到信號(hào)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(hào)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(gè)１２位的采樣率達(dá)１００ｋｓｐｓ的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，用軟件設(shè)置放大增益使信號(hào)在Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)的范圍（０～２．４Ｖ）內(nèi)。為保證數(shù)據(jù)的精度，系統(tǒng)對(duì)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(jī)通過串口通知ＰＣ機(jī)接收。由于ＰＣ機(jī)串口是ＲＳ２３２電平，兩者之間采用了ＭＡＸ２３２芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后再進(jìn)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(gè)有限元進(jìn)行剖分，