生物電阻抗測量系統(tǒng)中弱信號檢測技術(shù)研究--正交雙激勵信號檢測方法

本章主要介紹弱信號檢測中的信號激勵方法，通過分析常見的單激勵數(shù)字相敏檢波方法系統(tǒng)累積誤差較大的缺點，提出了一種改進的信號檢測方法：正交雙激勵信號檢測方法（Double Digital Phase Sensitivity Demodulation，D-DPSD）。通過仿真實驗和誤差分析，該改進的方法在弱信號中的鑒幅鑒相能力上有一定的提高，取得了較好的效果。

3.1信號激勵方法概述

生物電阻抗測量系統(tǒng)是一個硬件與軟件結(jié)合的整體。其系統(tǒng)原理如圖3.1所示。其中信號源產(chǎn)生信號，通過電極傳到被測對象上，信號經(jīng)過被測對象之后，再通過電極傳送到前端信號檢測模塊，經(jīng)AD采集之后，送到上位機進行處理。

信號源和優(yōu)化電極的配置是提高EIT系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。人們對激勵信號源、電極及其影響進行了多方面研究，并對其結(jié)構(gòu)形狀進行了許多改進，而優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，就必須對不同電極結(jié)構(gòu)對敏感場分布以及測量的影響進行深入分析，從而獲得優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式。

信號源產(chǎn)生的信號主要有方波信號、正弦波信號、脈沖信號等。

目前，EIT系統(tǒng)中采用的電極有點電極、矩形電極、復(fù)合電極三種，點電極是一種直徑非常小的圓形電極。由于面積小，因而能測量“點”的電位信息，可以期望測量數(shù)據(jù)更接近于反映二維電導(dǎo)率分布狀況。但是實際上，點電極所產(chǎn)生的場類似于兩個點電荷所產(chǎn)生的場，在空間發(fā)散分布，這樣的場用二維場分析會導(dǎo)致較大的誤差（只有平行平面場才能簡化為二維場）。

矩形電極是為改善點電場分布的不均勻性而提出的。在均勻介質(zhì)分布的情況下，可以近似認(rèn)為電流密度在電極上均勻分布，當(dāng)電極軸向足夠長、電極間距離很小時，除電極板邊緣部分存在邊緣效應(yīng)外，中心區(qū)域電流密度平行分布。這樣矩形電極產(chǎn)生的場更符合二維場模型。

復(fù)合電極是醫(yī)學(xué)EIT領(lǐng)域提出的一種電極，實際上是矩形電極和點電極的組合。其目的是希望能綜合點電極和矩形電極的優(yōu)點，即用矩形電極產(chǎn)生比較平行、均勻的敏感場，用點電極測量點的電位信息。同時利用大面積的電極能減小電極與皮膚之間的接觸阻抗，提高測量數(shù)據(jù)的可靠性。

無論哪種形狀的電極，其敏感場都均分布于一定的空間區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域媒質(zhì)電導(dǎo)率的變化都會對敏感場的分布產(chǎn)生調(diào)制作用，從而導(dǎo)致邊界測量電壓的改變，使得測量的信息反映物場的變化。

在EIT系統(tǒng)中，電極的數(shù)目決定了可能的獨立測量數(shù)，而獨立測量數(shù)越多，越能獲得更高的圖像分辨率。但是，電極數(shù)目的增加，對敏感場分布和測量信號也會產(chǎn)生其它影響：

（1）電極數(shù)目的增加，必然導(dǎo)致相鄰兩個電極之間的距離變小，從而激勵電流更多地流經(jīng)場域邊界，造成場域邊界的靈敏度進一步提高，而場域中心的靈敏度進一步降低；

（2）電極數(shù)目的增加將導(dǎo)致一次激勵時，所獲得的各測量電壓之間差別的減小，這就要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有更高的分辨率。當(dāng)兩個測量電極之間的電壓差小到低于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分辨率時，電極數(shù)目的增加也就失去了意義。測量電壓越小，相對來說其信噪比下降，相應(yīng)地對測量電路的要求越高。此外，隨著電極數(shù)目的增加，獨立測量數(shù)也將增加，造成數(shù)據(jù)采集時間及圖像重建時間延長，影響系統(tǒng)實時性。

電極寬度對于敏感場的影響也需要考慮，在EIT系統(tǒng)中，寬電極被廣泛采用，在Ping Hua等人的研究中，電極甚至覆蓋了測量對象周邊面積的80—90％。

首先考慮激勵電極，在EIT系統(tǒng)中，電極與測量對象之間存在接觸阻抗，采用寬電極可以通過增大接觸面積而減少接觸阻抗。此外，增加電極寬度還可以改善敏感場分布的均勻性。無論對于相對激勵模式還是相鄰激勵模式，電極越窄，電極附近的敏感場相對越強，而遠離電極區(qū)域的敏感場相對越弱，敏感場分布的不均勻性越強。8個點電極構(gòu)成的E1T系統(tǒng)在相鄰激勵模式下，有90％以上的敏感場分布在激勵電極對所在的半場，當(dāng)電極數(shù)目增加時，敏感場分布的不均勻性將進一步加劇。

對于常規(guī)電極，測量電極與激勵電極是同一個電極，電極加寬對系統(tǒng)的不利影響主要體現(xiàn)在兩個方面：（1）由于電極與測量對象接觸面積的加犬，而使電極測量信號不能反應(yīng)“點”電位信息；（2）由于電極為導(dǎo)體，它將與其接觸的被測體表面強制為等電勢，電極越寬，強制等勢面積越大，而對敏感場的影響越大。

EIT系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，常使用復(fù)合電極。復(fù)合電極的外部電極作為電流激勵電極，內(nèi)部電極作為電壓測量電極，由于測量電極面積很小，因此，可以看作點電極，從而克服了常規(guī)電極加寬所帶來的不利影響，但是由于外部電極面積較大，電極加寬造成的不利影響仍然存在。事實上，電極寬度的增加對測量所帶來的利弊互相制約，因此，在信號源已知的情況下，電極優(yōu)化時必須綜合考慮。

3.2單激勵數(shù)字相敏檢測方法

數(shù)字相敏檢測方法是阻抗測量系統(tǒng)中提取信號幅值和相位的有效方法之一。

阻抗測量是生物電阻抗成像技術(shù)的關(guān)鍵，沒有阻抗測量系統(tǒng)準(zhǔn)確的測量生物內(nèi)部的各種特性，就沒有生物電阻抗成像技術(shù)的發(fā)展。生物電阻抗成像技術(shù)[1]是根據(jù)生物組織與器官的電特性，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，進而重建物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能特性圖像。生物電阻抗測量技術(shù)是其關(guān)鍵。對于生物組織電阻抗檢測技術(shù)的研究，一直是生理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)關(guān)注的熱點問題。

近年來，生物電阻抗測量主要對中低頻阻抗分析測量，中低頻阻抗分析通常采用矢量法原理，根據(jù)被測物體兩端的矢量電壓和矢量電流計算出阻抗矢量，其原理如圖3.2所示。首先分別求出U和I在坐標(biāo)軸上的各投影分量U x，U y，I x，I y。

據(jù)此求出阻抗

相位

3.2.1單激勵數(shù)字相敏檢波算法原理

傳統(tǒng)的相敏檢波方法是以模擬乘法器或乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器為核心構(gòu)成PSD.近年來，國內(nèi)外也有學(xué)者開始研究用數(shù)字相敏檢波器（DPSD）以取代模擬相敏檢波器（APSD）。但是，采用模擬參考信號時，其乘法器的線性度和溫度漂移、有限的低通濾波器的積分時間以及直流放大器的零漂和1/f噪聲都使得精度難以做得很高[5]；而采用基于反向采樣的DPSD算法和基于V/F變換的DPSD算法[4]實現(xiàn)的方法時，由于其采用方波信號作為參考信號，所以存在諧波的影響。

針對上述相敏檢波技術(shù)的不足，通常的數(shù)字相敏檢波技術(shù)是采用激勵信號通過被測網(wǎng)絡(luò)，然后與同頻率的一組正交信號相乘來提取幅值和相位。在系統(tǒng)中搭建仿真時采用同一個AD的兩個通道將被測信號采入FPGA，在AD變換之后用數(shù)字濾波技術(shù)提取矢量信號的幅度和相位，利用正交相乘進行鑒幅和鑒相，該方法的線性度大大優(yōu)于傳統(tǒng)乘積型模擬轉(zhuǎn)換器為核心構(gòu)成的相敏檢波器的方案。由于采用了AD和FPGA相結(jié)合，系統(tǒng)的靈活性增大，且可以借助各種數(shù)字信號算法提高參數(shù)的估計精度。

單激勵源數(shù)字相敏檢波算法的實現(xiàn)方式是利用信號源產(chǎn)生一組正弦波，將這組正弦波與其同頻率的相乘得到1 y （ n ），2 y （ n ）。

然后通過累加方式濾波，在FPGA中進行運算處理來提取幅度和相位。如圖3.3所示。