電阻抗成像系統(tǒng)的原理及設(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(lái)進(jìn)行可視化控制、實(shí)時(shí)成像顯示操作。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(guò)在物體表面施加電流、電壓并進(jìn)行測(cè)量來(lái)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(guò)阻抗的測(cè)量對(duì)人體器官的病變進(jìn)行診斷。EIT是通過(guò)給人體注入小的安全電流，再測(cè)量體表的電位來(lái)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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，即對(duì)人體檢測(cè)無(wú)創(chuàng)無(wú)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(lái)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(lái)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(kāi)關(guān)(又稱多路開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)，后者則是流入開(kāi)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(guò)PC機(jī)發(fā)出命令，由單片機(jī)來(lái)控制開(kāi)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(lái)。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(guò)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(guò)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。