電阻抗成像系統的設計

摘要：介紹了電阻抗成像系統，該系統以PC機作為上位機，用來(lái)進(jìn)行可視化控制、實(shí)時(shí)成像顯示操作?鴉下位機采用高速單片機，控制電極選通、數據采集及預處理，并與ＰＣ機進(jìn)行通訊；采用直接數字頻率合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生高精度激勵信號源，用相敏解調方法實(shí)現高質(zhì)量數據獲取。實(shí)驗結果表明該系統能達到電阻抗成像（EIT）的性能要求。

電阻抗成像（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，簡(jiǎn)稱(chēng)ＥＩＴ）技術(shù)是一種新穎的圖像重建技術(shù)。它根據物體內部不同物質(zhì)的導電參數（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)行測量來(lái)獲知物體內部導電參數的分布，進(jìn)而重建出反映物體內部結構的圖像。對人體組織電性能的研究表明，人體內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)阻抗的測量對人體器官的病變進(jìn)行診斷。ＥＩＴ是通過(guò)給人體注入小的安全電流，再測量體表的電位來(lái)重建出人體內部的電阻抗分布的圖像的。它的成像機理完全不同于Ｘ射線(xiàn)、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)現功能成像。電阻抗成像技術(shù)具有Ｘ射線(xiàn)、ＣＴ和ＭＲＩ等技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，即對人體檢測無(wú)創(chuàng )無(wú)害，且其成像設備成本低廉、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、預防等醫學(xué)輔助診斷場(chǎng)合。目前，電阻抗成像技術(shù)已成為２１世紀醫學(xué)成像研究的熱點(diǎn)。

１ 系統構成

本系統采用上－下位機的結構，上位機由ＰＣ機擔任，進(jìn)行可視控制、圖像實(shí)時(shí)顯示；下位機由單片機擔任負責電極選通切換、數據采集以及與ＰＣ機進(jìn)行數據通信。這里單片機選用美國Ｃｙｇｎａｌ公司最近推出的高速Ｃ８０５１Ｆ１２１（最高處理速度達１００ＭＩＰＳ），其片內具有１２８ＫＦｌａｓｈ、（２５６＋８）ＫＲＡＭ以及增益可編程放大器和采樣率達１００ｋｓｐｓ的１２位Ａ／Ｄ轉換器。

圖1 系統設計的整體框圖

ＥＩＴ數據采集系統包括恒流源激勵信號發(fā)生器、電極選通與驅動(dòng)單元、可編程增益放大器、解調處理單元、Ａ／Ｄ轉換（Ｃ８０５１片內１２位Ａ／Ｄ）單元等，系統結構如圖１所示。

ＰＣ機作為上位機提供一個(gè)可視界面，可設置激勵源的頻率、激勵模式（如相鄰模式、相對模式），命令單片機進(jìn)行數據采集并根據接收的反應阻抗信息的數據來(lái)重建圖像。單片機按ＰＣ機發(fā)出的要求對激勵信號源進(jìn)行頻率選擇、相位及幅值控制；按激勵模式依次選通激勵電極與測量電極；選擇可編程增益放大器的增益；啟動(dòng)Ａ／Ｄ轉換并將數據存儲后轉發(fā)給ＰＣ機。

２ 激勵注入與信號提取

２．１恒流源

恒流源由信號源和電壓控制電流源（ＶＣＣＳ）兩部分組成。正弦信號源采用直接數字頻率合成（ＤＤＳ）技術(shù)，即以一定頻率連續從ＥＰＲＯＭ中讀取正弦采樣數據，經(jīng)Ｄ／Ａ轉換并濾波后產(chǎn)生ＥＩＴ所需的正弦信號。本系統采用ＡＤ公司的ＤＤＳ集成芯片ＡＤ９８３０，其內部有兩個(gè)１２位相位寄存器和兩個(gè)３２位頻率寄存器。在單片機的控制下對相應的寄存器置數就可以方便地得到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調節，因此能滿(mǎn)足系統多頻激勵（１０ｋＨｚ～１ＭＨｚ）的要求。

正弦信號源輸出信號經(jīng)１：１的隔離變壓器輸出到ＶＣＣＳ。ＶＣＣＳ采用的三運放轉換電路，如圖２所示。

當運放工作在理想狀態(tài)時(shí)，則輸出電流為：

２．２ 電極陣列的設計

由于本系統中使用的是峰－峰值為１～５ｍＡ的交流小信號，因此如果模擬開(kāi)關(guān)（又稱(chēng)多路開(kāi)關(guān)）選擇不當，它會(huì )成為系統中的一個(gè)顯著(zhù)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），導通電阻ＲＯＮ＜１００Ω，通道間匹配誤差＜５Ω，通道間串擾＜－９２ｄＢ，導通時(shí)對地泄漏電流＜２５ｎＡ，導通時(shí)對地等效電容＜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量模式。圖３是電壓測量的原理圖，驅動(dòng)電流注入的原理圖與圖３類(lèi)似。它們之間的區別只是信號的流程相反，前者是流出開(kāi)關(guān)，后者則是流入開(kāi)關(guān)。設計時(shí)為減小干擾，采用了高速光耦６Ｎ１３６進(jìn)行隔離。

２．３ 激勵注入與電壓測量模式

本系統中激勵源按一定的模式注入（如相鄰模式或相對模式），通過(guò)ＰＣ機發(fā)出命令，由單片機來(lái)控制開(kāi)關(guān)電極陣列依次選通激勵電極對和測量電極對。當激勵注入電極對轉動(dòng)一周時(shí)，就得到了能重建圖像的一個(gè)數據組。

２．４ 電壓測量放大與解調

ＥＩＴ系統中注入的為交流小信號，所以在測量端先進(jìn)行隔直、緩沖和差動(dòng)放大，同時(shí)要濾除信號中的噪聲，以使后面的測量能得到較好的效果。這就要求選用的儀表運放具有高的ＣＭＭＲ和足夠的帶寬。本系統選用了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到６

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