电阻抗成像系统的原理及设计

摘要：介绍了电阻抗成像系统，该系统以PC机作为上位机，用来进行可视化控制、实时成像显示操作。下位机采用高速单片机，控制电极选通、数据采集及预处理，并与PC机进行通讯;采用直接数字频率合成(DDS)技术产生高精度激励信号源，用相敏解调方法实现高质量数据获取。实验结果表明该系统能达到电阻抗成像(EIT)的性能要求。

关键词：电阻抗成像 直接数字频率合成 相敏解调

电阻抗成像(Electrical Impedance Tomography，简称EIT)技术是一种新颖的图像重建技术。它根据物体内部不同物质的导电参数(如电阻率、电容率)不同，通过在物体表面施加电流、电压并进行测量来获知物体内部导电参数的分布，进而重建出反映物体内部结构的图像。对人体组织电性能的研究表明，人体内不同组织以及组织处于不同功能状态下具有不同的电阻抗，即当人体的器官发生局部病变时，病变部位的阻抗必然与其它部位不同。因此，可以通过阻抗的测量对人体器官的病变进行诊断。EIT是通过给人体注入小的安全电流，再测量体表的电位来重建出人体内部的电阻抗分布的图像的。它的成像机理完全不同于X射线、CT、超声波成像和核磁共振(MRI)等。它是一种功能成像，即充分利用阻抗所携带的丰富的生理和病理信息实现功能成像。电阻抗成像技术具有X射线、CT和MRI等技术无法比拟的优点，即对人体检测无创无害，且其成像设备成本低廉、体积小、操作简便，不要求特殊的工作环境。这些特点使得电阻抗成像技术特别适用于相关疾病的普查、预防等医学辅助诊断场合。目前，电阻抗成像技术已成为21世纪医学成像研究的热点。

1 系统构成

本系统采用上-下位机的结构，上位机由PC机担任，进行可视控制、图像实时显示;下位机由单片机担任负责电极选通切换、数据采集以及与PC机进行数据通信。这里单片机选用美国Cygnal公司最近推出的高速C8051F121(最高处理速度达100MIPS)，其片内具有128KFlash、(256+8)KRAM以及增益可编程放大器和采样率达100ksps的12位A/D转换器。

图1 系统设计的整体框图 EIT数据采集系统包括恒流源激励信号发生器、电极选通与驱动单元、可编程增益放大器、解调处理单元、A/D转换(C8051片内12位A/D)单元等，系统结构如图1所示。 PC机作为上位机提供一个可视界面，可设置激励源的频率、激励模式(如相邻模式、相对模式)，命令单片机进行数据采集并根据接收的反应阻抗信息的数据来重建图像。单片机按PC机发出的要求对激励信号源进行频率选择、相位及幅值控制;按激励模式依次选通激励电极与测量电极;选择可编程增益放大器的增益;启动A/D转换并将数据存储后转发给PC机。

2 激励注入与信号提取

2.1恒流源 恒流源由信号源和电压控制电流源(VCCS)两部分组成。正弦信号源采用直接数字频率合成(DDS)技术，即以一定频率连续从EPROM中读取正弦采样数据，经D/A转换并滤波后产生EIT所需的正弦信号。本系统采用AD公司的DDS集成芯片AD9830，其内部有两个12位相位寄存器和两个32位频率寄存器。在单片机的控制下对相应的寄存器置数就可以方便地得到2MHz以下的任意频率和相位的输出，其中频率精度为1/ 2 32，相位分辨率为2π/2 12，输出幅度也可以在一定的范围内调节，因此能满足系统多频激励(10kHz～1MHz)的要求。

正弦信号源输出信号经1：1的隔离变压器输出到VCCS。VCCS采用的三运放转换电路，如图2所示。 当运放工作在理想状态时，则输出电流为：

输出电流Io的大小可以由输入电压Vi和采样电阻R5来控制，其精度取决于R1、R2、R3、R4的匹配程度。

2.2 电极阵列的设计 由于本系统中使用的是峰-峰值为1～5mA的交流小信号，因此如果模拟开关(又称多路开关)选择不当，它会成为系统中的一个显著的误差源。经比较，选用MAXIM公司的MAX306，它具有下列功能：程序控制16选1(由4个地址端和1个选通端决定)，导通电阻RON<100Ω，通道间匹配误差<5Ω，通道间串扰<-92dB，导通时对地泄漏电流<25nA，导通时对地等效电容<140pF，开关时间<400ns。 每组四个MAX306并联可以完成32选2任意的电流注入方式和电压测量模式。图3是电压测量的原理图，驱动电流注入的原理图与图3类似。它们之间的区别只是信号的流程相反，前者是流出开关，后者则是流入开关。设计时为减小干扰，采用了高速光耦6N136进行隔离。

2.3 激励注入与电压测量模式 本系统中激励源按一定的模式注入(如相邻模式或相对模式)，通过PC机发出命令，由单片机来控制开关电极阵列依次选通激励电极对和测量电极对。当激励注入电极对转动一周时，就得到了能重建图像的一个数据组。

2.4 电压测量放大与解调 EIT系统中注入的为交流小信号，所以在测量端先进行隔直、缓冲和差动放大，同时要滤除信号中的噪声，以使后面的测量能得到较好的效果。这就要求选用的仪表运放具有高的CMMR和足够的带宽。本系统选用了AD公司的AD620。在频率小于100kHz的情况下，10倍增益时的共模抑制比可以达到60dB，它的3dB带宽达到300kHz。经差动运放后，信号中除激励源频率信号外还混有噪声信号，所以还要利用相敏解调将反映阻抗大小的信号的幅度解调出来。本系统中的解调器选用AD630。它采用一路待解调信号和一路载波信号作为输入，待解调信号根据载波信号的正负进行翻转。从AD630的信号源到解调端，信号有一个相位变化， 这个变化是一个可以通过实验测量得到的定值，所以在解调器前需加一个移相器，以达到信号同步的目的。

3 数据采集与通讯 经解调输出的信号幅值较小，需经放大后送到A/D转换器。C8051F121片内有可编程增益放大器(PGA)和一个12位的采样率达100ksps的A/D转换器，用软件设置放大增益使信号在A/D转换器输入信号的范围(0～2.4V)内。为保证数据的精度，系统对10次采样结果做平均后存于片内RAM中。每次按一定模式采集完一组数据后，单片机通过串口通知PC机接收。由于PC机串口是RS232电平，两者之间采用了MAX232芯片进行电平转换后再进行数据通讯。

4 图像重建结果 在直径为145mm的盐水槽中放入浓度为0.9%的盐水溶液(750Ω/cm)，在盐水槽的边缘上放入一根直径为2cm的木棒，采用相邻注入模式，通入峰-峰值为2mA的电流，利用敏感系数法采用256个有限元进行剖分。