趙立平，陳香才

(鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

電阻抗斷層成像(electrical impedance tomography，EIT)是生物電阻抗成像技術(shù)中的一種，是新一代更為有效的無損傷功能成像技術(shù)，是當(dāng)今醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的重要研究課題之一。EIT通過排列在人體體表周圍的電極，給人體施加小的安全驅(qū)動(dòng)電流(電壓)，在體外測量響應(yīng)電壓(電流)，進(jìn)而重構(gòu)人體相應(yīng)層面電阻率分布的斷層圖像。EIT不使用核素或射線，對(duì)人體無害，操作簡便，成像速度快，成本低廉，因而，在對(duì)病人進(jìn)行長期、連續(xù)監(jiān)護(hù)和醫(yī)療普查中具有十分重要的意義。

EIT技術(shù)目前存在的主要問題是成像分辨率較低，根本原因在于成像過程中的病態(tài)性。決定病態(tài)性及其程度的因素主要有以下3點(diǎn):驅(qū)動(dòng)模式、圖像重構(gòu)模型、圖象重構(gòu)算法［1］。EIT對(duì)成像目標(biāo)施加激勵(lì)電壓或電流的方式、采集數(shù)據(jù)的量、精度、EIT非線性圖像重構(gòu)技術(shù)中的假設(shè)及限制條件與CT，NMR等其他成像系統(tǒng)相比具有更高的要求。

旋轉(zhuǎn)電極法EIT［2］的思想是建立一個(gè)接近于勻強(qiáng)(簡化分析條件)的電場，用實(shí)驗(yàn)的方法，擬合邊界數(shù)據(jù)和電場中非均勻介質(zhì)之間的關(guān)系，使非均勻介質(zhì)電場的分布近似滿足均勻介質(zhì)電場分布的假設(shè)條件，解決非均勻介質(zhì)電場的實(shí)際電流(電壓)路徑與均勻介質(zhì)電場假設(shè)的電流(電壓)路徑不重合的問題。為了避開邊沿電場分析的復(fù)雜性，采用測量激勵(lì)電極電流的方法來獲取測量數(shù)據(jù)，該方法易于分析出非均勻介質(zhì)電場邊界電極電流與均勻介質(zhì)電場分布之間的影響關(guān)系［3］，進(jìn)而修正非均勻介質(zhì)電場的電流路徑，使沿電流路徑重構(gòu)成像的方法趨于簡單。

本文設(shè)計(jì)了具有128個(gè)電極的旋轉(zhuǎn)電極法EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。NIOSII軟核處理器作為系統(tǒng)核心，實(shí)現(xiàn)快速復(fù)雜的電極旋轉(zhuǎn)控制與數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)中。該系統(tǒng)配合PC機(jī)中相應(yīng)的圖象重構(gòu)算法，可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)電極法EIT實(shí)驗(yàn)。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著激勵(lì)電極數(shù)目的增加，為實(shí)現(xiàn)電極電氣旋轉(zhuǎn)、極性轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集的模擬開關(guān)數(shù)目也隨之增加，大量、較長的引線會(huì)導(dǎo)致很多問題的產(chǎn)生［4］。本采集系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)，在物理模型主板上敷設(shè)銅箔鍍金電極，保證形成的電場在各個(gè)方向上的一致性;用厚為8 mm、內(nèi)徑為110 mm的有機(jī)玻璃環(huán)覆蓋電極之上，露出有機(jī)玻璃環(huán)內(nèi)側(cè)長1 mm，寬1.6mm的電極，作為形成電場的有效部分［5］，在有機(jī)玻璃環(huán)內(nèi)注入鹽水，構(gòu)成斷層鹽水槽物理模型(該采集系統(tǒng)暫對(duì)一個(gè)斷層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，多斷層可在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展)。控制電極旋轉(zhuǎn)、極性轉(zhuǎn)換的模擬開關(guān)板卡通過插槽和排線分別與模型主板、NIOS II處理器模塊和測量模塊連接，以減小引線所帶來雜散電容的影響。

1.2 電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體電路如圖1所示，主要包括信號(hào)源、用于電極旋轉(zhuǎn)、極性轉(zhuǎn)換和電流檢測的模擬開關(guān)、電流檢測電路、NIOSII處理器控制電路等。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Block diagram of circuit structure of data acquisition system

1.2.1 電極旋轉(zhuǎn)與極性轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)電極旋轉(zhuǎn)與極性轉(zhuǎn)換及電流檢測的要求，設(shè)計(jì)如圖2所示的電路。

圖2 電極旋轉(zhuǎn)與極性轉(zhuǎn)換電路Fig 2 Electrode rotation＆polarity conversion circuit

系統(tǒng)在NIOSII處理器控制下，通過模擬開關(guān)對(duì)關(guān)于模型中軸線對(duì)稱的32對(duì)電極施加驅(qū)動(dòng)電壓，在模型中建立電場?？紤]到邊緣電場分布的復(fù)雜性，僅測量居中的16對(duì)電極上的響應(yīng)電流。測量一組數(shù)據(jù)后，旋轉(zhuǎn)電極，重新建立電場，讓電流從不同的方向流過模型，繼續(xù)該次的數(shù)據(jù)測量，直至旋轉(zhuǎn)128次。電路中，P，CC，CP，ME分別為激勵(lì)電極和電極旋轉(zhuǎn)、極性轉(zhuǎn)換控制信號(hào)及電流測量端。電路中，R為測量響應(yīng)電流的取樣電阻器。

在電極旋轉(zhuǎn)電路中，每個(gè)電極都有接通、斷開的狀態(tài)。為減少電子開關(guān)的數(shù)目，設(shè)計(jì)時(shí)，CC控制的電極旋轉(zhuǎn)電子開關(guān)采取跨接的連接方式(如，電極對(duì)1和33，65和97)。在CC1的控制下，電極對(duì)1和65斷開的同時(shí)，33和97接通，實(shí)現(xiàn)了一次電氣旋轉(zhuǎn)。為改變電極的極性，增加一級(jí)單刀雙擲開關(guān)，一對(duì)電極所接極性總是相反，所以，用一個(gè)控制信號(hào)CP1控制這2個(gè)開關(guān)。其他各對(duì)電極與電極對(duì)1，65和33，97情況相同。因此，按照?qǐng)D2使用128個(gè)模擬開關(guān)和64個(gè)控制信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的電極旋轉(zhuǎn)。模擬開關(guān)使用具有3路單刀雙擲開關(guān)的CD4053。

1.2.2 響應(yīng)電流測量與處理電路

響應(yīng)電流測量電路經(jīng)過I/U轉(zhuǎn)換，通道選擇，信號(hào)條理，A/D轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)采集到NIOSII處理器中。

系統(tǒng)在整個(gè)工作過程中，要對(duì)每一個(gè)電極上的電流進(jìn)行測量。為避免測量中引進(jìn)干擾，在同一對(duì)對(duì)應(yīng)電極構(gòu)成的電流路徑中，只測量靠近接地端取樣電阻器上的電壓。如圖3所示。128個(gè)電極轉(zhuǎn)換出64路電壓信號(hào)，采用4片16選1的模擬開關(guān)MAX306，將信號(hào)選通到后續(xù)電路進(jìn)行處理。

圖3 I/U轉(zhuǎn)換Fig 3 I/U conversion

本系統(tǒng)采用單片儀表放大器AD8221對(duì)I/U轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。AD8221具噪聲低、性能穩(wěn)定、高帶寬、可通過外部電阻調(diào)節(jié)增益等特點(diǎn)，有利于拓寬研究范圍，擴(kuò)展到在不同頻率激勵(lì)信號(hào)下成像的研究［6，7］。

為了進(jìn)一步降低噪聲，使用MAX274構(gòu)成的低通濾波器與OP27構(gòu)成的MFB高通濾波器級(jí)聯(lián)，形成帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾波器通頻帶為10～60 kHz。帶通濾波器可以使激勵(lì)信號(hào)有一定的頻率調(diào)節(jié)范圍，同時(shí)濾除通帶外干擾信號(hào)。

放大濾波后的正弦信號(hào)，經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD536A轉(zhuǎn)換為與之有效值對(duì)應(yīng)的直流電壓［8］。12位SPI接口A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1284將此直流電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，傳送到控制核心NIOSII處理器中。

1.2.3 NIOSII處理器控制電路

考慮到實(shí)現(xiàn)電極旋轉(zhuǎn)與電流測量需要多達(dá)90個(gè)左右的信號(hào)端口，并且要快速處理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用在FPGA芯片EP1C6中構(gòu)建 NIOS II軟核處理器來實(shí)現(xiàn)整體控制。EP1C6最多可以提供185個(gè)I/O口，滿足系統(tǒng)的需求。

NIOSII軟核處理器是32位RISC處理器，其具備超過200 DMIP的性能，并且可以根據(jù)實(shí)際需求剪裁硬件，實(shí)現(xiàn)成本與功能的雙重要求［9］。本系統(tǒng)所建立的NIOS II系統(tǒng)如圖4所示，包括處理器內(nèi)核，JTAGUART，可編程I/O，SPI控制器，LCD控制器，SDRAM控制器，F(xiàn)LASH接口等，工作頻率為50 MHz。處理器外掛FLASH和SDRAM芯片，用于存儲(chǔ)、運(yùn)行程序和暫存采集到的數(shù)據(jù)。采集過程結(jié)束后，NIOSII將數(shù)據(jù)經(jīng)JTAG UART傳輸?shù)絇C機(jī)中保存。

圖4 NIOS II系統(tǒng)Fig 4 NIOS II system

為保證測量精度，避免數(shù)字地與模擬地相互干擾，控制電路通過光耦與模擬開關(guān)和電流測量電路連接，實(shí)現(xiàn)了模擬電路與數(shù)字電路的隔離［10］。

1.3 程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用C語言在NIOSII EDS下編寫NIOS II處理器程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、控制電極旋轉(zhuǎn)、測量響應(yīng)電流、LCD顯示及通過JTAG UART傳輸數(shù)據(jù)到PC機(jī)中。利用NIOSII EDS中的控制臺(tái)在PC機(jī)上獲得采集到的數(shù)據(jù)并進(jìn)行保存。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為測試系統(tǒng)性能，在模型中注入深1 mm、電阻率為2.5Ω·m的鹽水溶液，對(duì)模型施加6 V，20 kHz的正弦激勵(lì)信號(hào)，電場電流控制在10 mA以下，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。

電極旋轉(zhuǎn)一周歷時(shí)3.07s，采集128組(2048個(gè))數(shù)據(jù)，其對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)離散性不大。在均勻介質(zhì)場中，連續(xù)3次旋轉(zhuǎn)測量，表1給出了在同一方向上電場中測量的數(shù)據(jù)。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，其差異很小，可重復(fù)性較好。

在均勻介質(zhì)場中置入φ=12 mm的鐵柱，鐵柱在電場中不同的位置測量出來的數(shù)據(jù)如表2所示。從均勻介質(zhì)電場、異物處于測量電場范圍內(nèi)和異物處于測量電場范圍外的數(shù)據(jù)大體分析可知，異物處于測量電場范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)測量數(shù)據(jù)有明顯影響;異物處于測量電場范圍外時(shí)，測量數(shù)據(jù)基本不變。

旋轉(zhuǎn)電極法EIT測量的對(duì)象是激勵(lì)電極上的電流，其在取樣電阻器上的壓降最大時(shí)(鐵柱靠近測量電極)為20 mV，此壓降會(huì)影響電場的分布，這些影響在后續(xù)成像時(shí)給予解決。

表1 相同激勵(lì)電極在不同時(shí)間段采集的16個(gè)電壓Tab 1 Same incentive electrodes，16 voltages collected at various time periods

表2 同一位置、不同介質(zhì)電場的采樣數(shù)據(jù)Tab 2 Same location，different media，the electric field sampling data

3 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:本文設(shè)計(jì)采用的128個(gè)電極的旋轉(zhuǎn)電極法EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠自動(dòng)可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)中。采集時(shí)間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、模型中電場的對(duì)稱性、系統(tǒng)的可重復(fù)性均符合設(shè)計(jì)要求。測量結(jié)果所顯示的異物對(duì)測量電場的影響也符合旋轉(zhuǎn)電極法EIT研究的初步設(shè)想［2］。這為進(jìn)一步研究旋轉(zhuǎn)電極法EIT技術(shù)建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該系統(tǒng)是為研究非均勻介質(zhì)電場邊界電極電流與均勻介質(zhì)電場分布之間的影響關(guān)系而設(shè)計(jì)的，研究對(duì)象限于一層電場斷面上，該斷面電場對(duì)于多斷層的上下斷面電場分布的影響和多斷層的采集系統(tǒng)在后續(xù)研究中進(jìn)行。

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