電阻抗成像系統的設計

    關鍵詞：電阻抗成像 直接數字頻率合成 相敏解調

電阻抗成像（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，簡稱ＥＩＴ）技術是一種新穎的圖像重建技術。它根據物體內部不同物質的導電參數（如電阻率、電容率）不同，通過在物體表面施加電流、電壓并進行測量來獲知物體內部導電參數的分布，進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下具有不同的電阻抗，即當人體的器官發生局部病變時，病變部位的阻抗必然與其它部位不同。因此，可以通過阻抗的測量對人體器官的病變進行診斷。ＥＩＴ是通過給人體注入小的安全電流，再測量體表的電位來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、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現功能成像。電阻抗成像技術具有Ｘ射線、ＣＴ和ＭＲＩ等技術無法比擬的優點，即對人體檢測無創無害，且其成像設備成本低廉、體積小、操作簡便，不要求特殊的工作環境。這些特點使得電阻抗成像技術特別適用于相關疾病的普查、預防等醫學輔助診斷場合。目前，電阻抗成像技術已成為２１世紀醫學成像研究的熱點。

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，進行可視控制、圖像實時顯示；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生器、電極選通與驅動單元、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），命令單片機進行數據采集并根據接收的反應阻抗信息的數據來重建圖像。單片機按ＰＣ機發出的要求對激勵信號源進行頻率選擇、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Ａ／Ｄ轉換并將數據存儲后轉發給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，即以一定頻率連續從ＥＰＲＯＭ中讀取正弦采樣數據，經Ｄ／Ａ轉換并濾波后產生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１２位相位寄存器和兩個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，因此能滿足系統多頻激勵（１０ｋＨｚ～１ＭＨｚ）的要求。

    正弦信號源輸出信號經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時，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，因此如果模擬開關（又稱多路開關）選擇不當，它會成為系統中的一個顯著的誤差源。經比較，選用ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ３０６，它具有下列功能：程序控制１６選１（由４個地址端和１個選通端決定），導通電阻ＲＯＮ＜１００Ω，通道間匹配誤差＜５Ω，通道間串擾＜－９２ｄＢ，導通時對地泄漏電流＜２５ｎＡ，導通時對地等效電容＜１４０ｐＦ，開關時間＜４００ｎｓ。

每組四個ＭＡＸ３０６并聯可以完成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，驅動電流注入的原理圖與圖３類似。它們之間的區別只是信號的流程相反，前者是流出開關，后者則是流入開關。設計時為減小干擾，采用了高速光耦６Ｎ１３６進行隔離。

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ＰＣ機發出命令，由單片機來控制開關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一周時，就得到了能重建圖像的一個數據組。

    ２．４ 電壓測量放大與解調

ＥＩＴ系統中注入的為交流小信號，所以在測量端先進行隔直、緩沖和差動放大，同時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倍增益時的共模抑制比可以達到６０ｄＢ，它的３ｄＢ帶寬達到３００ｋＨｚ。經差動運放后，信號中除激勵源頻率信號外還混有噪聲信號，所以還要利用相敏解調將反映阻抗大小的信號的幅度解調出來。本系統中的解調器選用ＡＤ６３０。它采用一路待解調信號和一路載波信號作為輸入，待解調信號根據載波信號的正負進行翻轉。從ＡＤ６３０的信號源到解調端，信號有一個相位變化，這個變化是一個可以通過實驗測量得到的定值，所以在解調器前需加一個移相器，以達到信號同步的目的。

３ 數據采集與通訊

經解調輸出的信號幅值較小，需經放大后送到Ａ／Ｄ轉換器。Ｃ８０５１Ｆ１２１片內有可編程增益放大器（ＰＧＡ）和一個１２位的采樣率達１００ｋｓｐｓ的Ａ／Ｄ轉換器，用軟件設置放大增益使信號在Ａ／Ｄ轉換器輸入信號的范圍（０～２．４Ｖ）內。為保證數據的精度，系統對１０次采樣結果做平均后存于片內ＲＡＭ中。每次按一定模式采集完一組數據后，單片機通過串口通知ＰＣ機接收。由于ＰＣ機串口是ＲＳ２３２電平，兩者之間采用了ＭＡＸ２３２芯片進行電平轉換后再進行數據通訊。

４ 圖像重建結果

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，利用敏感系數法采用２５６個有限元進行剖分，