生物電阻抗測量系統(tǒng)中弱信號檢測技術(shù)研究--EIT 中弱信號檢測理論

電阻抗成像技術(shù)(Electrical Impedance Tomography， EIT)是當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)工程重大研究課題之一，是繼形態(tài)、結(jié)構(gòu)成像之后，于八十年代出現(xiàn)的新一代有效的無損傷功能成像技術(shù)。本章主要介紹電阻抗成像技術(shù)理論，生物電阻抗測量系統(tǒng)原理以及生物電阻抗測量系統(tǒng)中弱信號檢測技術(shù)理論，分析了常用的弱信號檢測方法并介紹了阻抗測量中弱信號檢測的噪聲來源及處理方法。

2.1電阻抗成像技術(shù)

電阻抗成像是一種基于傳統(tǒng)CT思想，以人體內(nèi)部電阻率(電導(dǎo)率)的分布為成像目標(biāo)的新型醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，它是一種廉價的無損傷探測技術(shù)。它不使用放射源，對人體無害，可作為對患者進(jìn)行長期的、連續(xù)的監(jiān)護(hù)的醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)技術(shù)。它根據(jù)人體組織與器官的電特性(電阻率、電容率)，通過表面電極陣列施加激勵電流或電壓，測量邊界電壓或電流信號來獲取物體內(nèi)部電特性參數(shù)分布，進(jìn)而重建物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能特性圖像。因為人體不同組織和器官的電特性不同，這種EIT圖像不僅包含了豐富的解剖學(xué)信息，而且可以獲得與組織和器官電特性相應(yīng)的生理、病理狀態(tài)和功能信息，在研究人體組織與器官功能變化和疾病診斷方面有重要的臨床價值。

EIT的主要研究問題有：EIT正問題、逆問題計算和硬件系統(tǒng)設(shè)計。硬件系統(tǒng)設(shè)計主要由三部分組成，電極陣列傳感器、數(shù)據(jù)采集和圖像重建計算機。傳感器將多相流體分布轉(zhuǎn)換成輸出電極，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將電極值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并傳送給計算機，計算機根據(jù)圖像重建算法重建出被測物體的介質(zhì)分布。

電阻抗斷層成像EIT的目標(biāo)是檢測組織電特性的差異從而產(chǎn)生斷層圖像。EIT檢測出來的組織電特性的信息是其它成像手段所不能夠檢測的，這樣可能就會揭開一些其它檢測手段所不能夠提供的重要臨床醫(yī)療信息。它注入人體電流的幅度和頻率都比較低，與其他檢測手段如x射線、CT、核磁共振(MRI)相比，具有對人體無創(chuàng)無害、設(shè)備成本低廉、成像速度快捷、使用安全和攜帶方便的優(yōu)點。

人體可以看作是一個包含大量的具有不同電特性和不同空間分布的組織構(gòu)成的復(fù)雜的導(dǎo)體。人體不同部位不同器官不同的組織具有不同的構(gòu)成特點和組成成份，表現(xiàn)出相應(yīng)的阻抗特性，它們之間的差異也非常明顯。而且組織的阻抗與施加信號的頻率有直接的關(guān)系。表2.l和表2.2給出了不同離體組織在不同頻率下的電阻率和介電常數(shù)。

從表2.1和表2.2可以看出，頻率越高，生物組織的電導(dǎo)率越大，相對介電常數(shù)越小。EIT技術(shù)也在往高速高精度發(fā)展，系統(tǒng)中采樣速度和精度是最關(guān)鍵的因素。

2.2弱信號檢測方法

微弱信號檢測是EIT系統(tǒng)的前端處理技術(shù)，通過前端檢測預(yù)處理，不至于使有用信號淹沒于噪聲之中，更有利于獲取有用的信號。整個EIT系統(tǒng)精度隨之提高，性能同時也得到較大的改善。

2.2.1典型的阻抗測量系統(tǒng)原理

經(jīng)歷了近20年的發(fā)展，EIT成了一個有一定基礎(chǔ)的研究領(lǐng)域。各研究機構(gòu)也相繼推出各自的研究方法與系統(tǒng)。大多數(shù)研究機構(gòu)都是通過在人體成像部位周圍布置電極，將信號源通過電流施加到人體成像部位，同時測量邊界電壓或電流，通過各種方法獲得或存儲分析測得傳輸復(fù)阻抗數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)通過重建算法進(jìn)一步處理成像。其原理如圖2.1所示。

系統(tǒng)中控制及信號檢測采集單元常常是硬件設(shè)計的核心，這個關(guān)鍵因素直接影響后期算法重建及成像結(jié)果。給信號檢測與采集提供良好的前端信號正是本文研究的重點之一。

2.2.2典型的前端弱信號檢測系統(tǒng)原理

典型的前端信號采集的硬件電路主要包括采集電極、放大濾波電路和AD變換。依據(jù)生物肌體的電特性和采集技術(shù)的基本要求，生物肌體所反饋回來的電信號非常微弱，分布在mV級和μV級。因此，需要對微弱信號進(jìn)行放大，放大后才能達(dá)到AD采集單元的要求。典型的微弱信號檢測調(diào)理組成框圖如圖2.2所示，前端檢測預(yù)處理模塊的設(shè)計包括以下幾個部分：電極傳感器、電壓/電流測量放大、前置放大、ADC轉(zhuǎn)換電路等。

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息獲取過程中的關(guān)鍵技術(shù)，是模擬世界到數(shù)字世界的橋梁。

數(shù)據(jù)采集技術(shù)作為信息技術(shù)的重要組成部分，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟和國防建設(shè)各個領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計算機技術(shù)的發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集技術(shù)有著廣泛的發(fā)展前景。

微弱信號檢測作為數(shù)據(jù)采集的前端工作，直接影響數(shù)據(jù)采集的采樣精度和采樣速度。在生物電阻抗測量中，數(shù)據(jù)采集有其特殊性，由于生物肌體本身就是電導(dǎo)體，工頻干擾和體外的電場、磁場感應(yīng)都會在人體內(nèi)形成測量噪聲，干擾信號檢測，因此，微弱信號檢測就成了整個系統(tǒng)研究的重點之一。

2.2.3阻抗測量中弱信號檢測的噪聲來源

在生物弱信號檢測過程中，由于實際工作情況并非理想狀態(tài)，檢測信號中往往含有很強的背景噪聲。這些噪聲既包括肌電噪聲、呼吸波噪聲、腦電噪聲、心電噪聲等生物噪聲，同時也有工頻噪聲、電路板內(nèi)部噪聲、共模噪聲等電噪聲。

噪聲對于弱信號檢測，幾乎是無處不在無處沒有的，它總是與信號共存的。在傳統(tǒng)檢測方法中，總是千方百計的通過抑制噪聲來檢測有用信號，然而抑制噪聲同時，難免會引起信號受到衰減和損失，因此，怎么處理這個矛盾常常是研究人員需解決的問題。

一般認(rèn)為，信號是確定的，是時間的函數(shù)，我們能夠事先計算且測量出它在某一時刻的值。在實際的信號檢測中，信號常常伴隨有噪聲或其他干擾。

由于生物醫(yī)學(xué)的特殊性，傳感器的輸出信號通常都很微弱，并且淹沒在強噪聲背景中，從而噪聲成為信號檢測的主要問題。微弱信號檢測的目的是將信號和噪聲區(qū)分，把淹沒與噪聲中的信號提取恢復(fù)。在信號檢測系統(tǒng)中，可以處理的最高信號電平受電路特性的限制，但最小可檢測的電平取決于噪聲，即噪聲限制了系統(tǒng)的動態(tài)范圍和傳感器的分辨率。對于生物電阻抗測量系統(tǒng)來說，更是如此。生物電阻抗測量中的噪聲包括兩個部分，一部分是由生物肌體自身阻抗等特性帶來的干擾，它通過傳感器、電極接觸面和個人自身個體差異形成噪聲；另一部分是由電路中的隨機擾動產(chǎn)生的電噪聲。

2.2.3.1生物肌體噪聲

電源激勵信號的幅值小、噪聲強。因此，能否有效去除微弱的電源激勵信號中的噪聲并提取其特征信息對電源激勵信號的研究和臨床應(yīng)用具有重要意義。生物的腦電、心電、肌電都會成為噪聲產(chǎn)生的原因。腦電是人腦神經(jīng)元突觸后電位的綜合結(jié)果，是腦神經(jīng)細(xì)胞電生理活動在大腦皮層或頭皮表面的總體反映[20]。在不受外界刺激的自然狀態(tài)下，人腦產(chǎn)生的自發(fā)腦電信號一般被看做是非平穩(wěn)比較突出的隨機信號。生物本身的心電和肌電信號是人體在自然狀態(tài)下產(chǎn)生的類似周期性的信號，也會引起噪聲。