摘 要：深入探討了電阻抗成像（EIT）中的一個關鍵技術——采樣信號電子電路的實現(xiàn)。詳細闡述了電路的基本原理和技術要求，采用先進的電路設計理念和技術，基于高性能的FPGA雙驅動系統(tǒng)設計一套肺通氣可視化電阻抗成像設備的硬件電路，主要包括采樣控制單元、壓控恒流源模塊、分時復用模塊、差分放大電路和安全耐壓隔離模塊單元。討論了采用控制單元和分時復用模塊實現(xiàn)信號采集的方法。通過實驗測試，驗證了所設計的EIT硬件電路在信號采集過程中具有高精度和高穩(wěn)定性的優(yōu)點，能夠滿足臨床肺通氣成像的需求。

關鍵詞：電阻抗成像；信號采樣；EIT硬件電路

中圖分類號：TP274+.2文獻標志碼：B文章編號：1671-5276（2024）03-0025-07

Design and Experimental Verification of Sampling Signal Circuit in Electrical Impedance Imaging System

Abstract：This study delves into a key technology of electrical impedance tomography （EIT） - the implementation of signal sampling electronic circuit. The basic principles and technical requirements of the circuit are elaborated in detail， and advanced circuit design concepts and techniques are adopted to design a set of hardware circuits for lung ventilation visualization electrical impedance imaging equipment based on a high-performance FPGA dual-drive system， which mainly includes a sampling control unit， a voltage-controlled constant-current source module， a time-multiplexing module， differential amplification circuits and a safe voltage-tolerant isolation module unit. The method of signal acquisition using the control unit and time division multiplexing module is also discussed. And the experimental tests verify that the designed EIT hardware circuit is of high precision and good stability in signal acquisition process， and can meet the needs of clinical lung ventilation imaging.

Keywords：electrical impedance imaging; signal sampling; EIT hardware circuit

0 引言

電阻抗成像技術（electrical impedance tomography， EIT）自20世紀80年代初被提出以來，就以其無創(chuàng)、無輻射、低成本和實時監(jiān)測能力在醫(yī)學成像領域中引起了廣泛關注［1］。作為一種基于體內阻抗分布差異進行成像的技術，EIT在心臟病、乳腺癌篩查、腦成像以及肺部疾病的診斷與監(jiān)測中展現(xiàn)出其獨特的應用價值［2］。尤其是在肺部疾病的監(jiān)測中，EIT能夠提供關于肺通氣和血流動態(tài)變化的重要信息，為呼吸機提供精準的調節(jié)參數(shù)，對于重癥監(jiān)護病房（ICU）中的患者管理具有重要意義［3］。

盡管EIT在臨床應用中展現(xiàn)出巨大潛力，但仍面臨圖像分辨率低和重建速度慢的挑戰(zhàn)。當前的研究正集中于通過改進硬件系統(tǒng)、開發(fā)更高效的圖像重建算法和優(yōu)化電極配置來克服這些限制。電子線路的設計和優(yōu)化是實現(xiàn)高質量EIT圖像的關鍵，它不僅需要處理高頻信號的注入和采集，還要確保數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性。

本文旨在深入探討EIT中采樣信號電子電路的設計與實驗，通過詳細闡述電路的基本原理和技術要求，提供電子電路及其理論基礎的全面描述。同時，將討論控制單元時間反復用信號收集的策略及其對EIT圖像質量的影響。最終，通過實驗數(shù)據(jù)和實際應用效果，評估硬件系統(tǒng)改進對EIT技術發(fā)展的貢獻。

1 肺通氣可視化電阻抗成像設備

1.1 傳感器和測量模式

目前，EIT傳感器已經(jīng)實現(xiàn)了多種電極配置，包括16、32、64電極。如圖1所示，16電極配置的電極帶因其便攜性以及在高頻電流注入和邊界響應電壓采集方面的有效性而被廣泛采用［4］。

肺部EIT技術的基本原理是在人體表面，尤其是胸部第4—第5肋間放置一組陣列電極［5］。通常用一定的激勵-測量模式，通過這些電極施加一定頻率的安全電流（通常幅值小于3mA）進行激勵并獲得一系列電壓數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包含了反映肺通氣變化的阻抗信息，經(jīng)過采集和處理后，被傳輸至計算機進行圖像重建［6］。

根據(jù)醫(yī)學成像的具體要求，通常采用相鄰激勵-相鄰測量的策略，即通過一對電極（每對電極間隔一定）依次沿人體表面逆時針方向施加2mA的恒流正弦波。在此過程中，除了用于電流注入的兩個電極外，另外14個電極被用于采集人體肺部的反饋電壓差值。通過這種方法，在一次完整的采樣周期內可以獲得208個差分電壓值［7］，即獲得了一幀完整的差分電壓信號。

本文旨在通過精確控制激勵電流的輸出和差分電壓信號的采集，為EIT成像過程中肺部疾病的診斷和監(jiān)測提供更為可靠的技術支持。

1.2 硬件系統(tǒng)整體架構設計

本文所開發(fā)的肺通氣可視化電阻抗成像設備采用了一種先進的硬件架構，以實現(xiàn)高效且精確的肺部成像，如圖2所示。核心硬件設計包括以下幾個關鍵組件。

1）采樣控制單元：選用現(xiàn)場可編程門陣列（field-programmable gate array， FPGA）作為系統(tǒng)的采樣控制中心，主要負責生成所需的激勵正弦交流電壓信號，執(zhí)行電壓信號的模數(shù)轉換（ADC），處理采集到的數(shù)據(jù)以及控制電極切換過程。FPGA的高度可編程性和并行處理能力使其成為處理復雜信號采集和數(shù)據(jù)處理任務的理想選擇［8］。

2）壓控恒流源模塊：該模塊的設計旨在將電壓信號轉化為正弦恒流信號，以保證施加到人體上的電流精確且穩(wěn)定，這對于提高成像質量至關重要［9］。

3）分時復用模塊：該模塊負責在電流激勵電極和電壓采集電極之間進行高效的選通，通過精確控制電極的切換，確保系統(tǒng)能夠獲得全面的電阻抗分布信息。

4）差分放大電路：該電路負責處理多路復用模塊經(jīng)過選通后得到的電壓數(shù)據(jù)。

5）安全耐壓隔離模塊單元：旨在保障電力設備和人員的安全。

2 信號激勵與采集電路設計

2.1 采樣控制單元

為精確計算數(shù)字模擬轉換器（DAC）的分辨率，假設給定最大電流為3mA，最小電流分辨率要求為1.2μA，若選擇14位DAC則分辨率可達到0.183μA，而0.183μAlt;1.2μA，符合設計要求。為確保100kHz正弦波形的高質量，選擇的DAC更新速率達到125MHz，從而每個正弦波周期可由1 250個數(shù)據(jù)點表示，每次數(shù)據(jù)更新對應電氣角度增加0.288°，確保波形失真度極低。

在系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性方面，選擇晶體振蕩器精度高于±0.01%，溫漂小于0.001%，以確保系統(tǒng)性能滿足嚴格標準。綜合考慮所有性能指標，選擇XC72010 FPGA作為信號激勵和采集模塊的控制單元，該單元基于ZYNQ7010，是一款多功能、開源且可重構的儀器，提供快速的模擬/數(shù)字輸入、輸出，具有豐富的處理資源和優(yōu)異的I/O性能。

XC72010 FPGA由Xilinx公司生產(chǎn)，內部結構分為處理系統(tǒng)（PS）和可編程邏輯（PL）兩部分。PS部分采用雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理器，最高工作頻率可達866MHz。PL部分為FPGA，使用AXI4協(xié)議與PS部分通信。DAC采用AD9744型號14位高速、雙通道數(shù)模轉換器，支持最高210 MSPS更新速率，能夠在雙口或交錯模式下運行。ADC選用國產(chǎn)貝嶺BLAD14D125型芯片，為14位低功耗、雙通道模數(shù)轉換器，最高采樣速率達125m/s。編程和控制通過兼容SPI的三線式串行接口完成。BLAD14D125采用64引腳QFN封裝，工作溫度范圍廣，從-40℃～+85℃。

軟件控制方面，控制模塊單元的更新速率設定為100MHz，即每100ns更新一次DAC數(shù)據(jù)，以生成100kHz連續(xù)正弦波激勵源。同時，通過分時控制16路I/O，輪流選通人體電極信號，實現(xiàn)復用采集和ADC轉換。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)有序存儲后，定時通過網(wǎng)絡接口以TCP/IP協(xié)議發(fā)送至上位機進行進一步的數(shù)據(jù)分析和圖像重建。

2.2 壓控恒流源模塊

壓控恒流源模塊在EIT系統(tǒng)中具有重要作用。通過將輸出電壓轉換為恒定的電流，實現(xiàn)對待測物體的安全恒流激勵，其中恒流源的穩(wěn)定性和帶寬直接影響到系統(tǒng)的最終成像效果［10］。

傳統(tǒng)的差分放大器，盡管在抑制共模信號方面具有良好性能，但在高性能的魯棒設計方面存在諸多挑戰(zhàn)。整體性能往往難以滿足高精度成像系統(tǒng)的需求，導致電路在實際應用中遇到許多問題。

針對這一挑戰(zhàn)，本文采用了增強型Howland電流源（enhanced howland， EH）和三運算放大器（triple op-amps， TOA）配置作為恒流源設計的基礎。通過對比LM741和AD844兩種不同運算放大器，在不同負載（電阻負載和Cole-Cole模型負載）下的恒流輸出進行了評估。結果表明，當配備AD844運算放大器和Cole-Cole負載時，EH和TOA電流源均能滿足多頻率恒流輸出的要求，展現(xiàn)出高輸出阻抗和穩(wěn)定的恒流性能。

在本系統(tǒng)中，采用了一種先進的寬頻帶鏡像電壓控制電流源電路設計，以實現(xiàn)幅值一致且相位相反的安全電流激勵。該設計通過并聯(lián)兩個傳統(tǒng)單端恒流源構建而成的鏡像電流源，不僅提高了輸出阻抗，降低了共模信號干擾，而且更適合于EIT系統(tǒng)的高精度成像需求。

AD830放大器因其優(yōu)異的性能而被選用于本系統(tǒng)，旨在解決離散差分放大器在EIT應用中遇到的問題。AD830的電路拓撲結構如圖3所示，采用兩對差分輸入，每對輸入通過兩個完全相同的跨導輸入級轉換為電流信號，隨后通過電壓跟隨器輸出，確保了電流源的精確控制和穩(wěn)定輸出。

該放大器的開環(huán)輸出電壓可以表達為

VOUT=A0（VX-VY）（1）

式中：A0是開環(huán)增益；兩對差分輸入電壓分別為VX=VX1－VX2，VY=VY1－VY2。

通過負反饋閉環(huán)控制可以實現(xiàn)信號的精密放大。差分輸入電壓信號VX與VY分別經(jīng)過跨導輸入級轉化為相應的電流信號IX與IY。由于后級的電壓跟隨器在理想情況下可以視為有無窮大的輸入阻抗，因此，IZ可以近似為0，即存在IZ=IX+IY=GmVX+GmVY≈0。由此可知，X與Y端口的電壓信號大小相等、方向相反，滿足如下關系：

通過引入AD830放大器，本系統(tǒng)能夠在寬廣的頻率范圍內提供穩(wěn)定且可靠的電流激勵，極大地優(yōu)化了EIT成像的性能。這種電路設計不僅提升了EIT系統(tǒng)的信號質量，同時也為電流源的開發(fā)提供了新的方向，有助于推動EIT技術在醫(yī)療成像和其他領域的應用。

基于DDA拓撲的單端恒流源示意圖如圖4所示。X1端接輸入電壓Vin，X2端接地，Y1和Y2兩端分別接在電阻RS兩端。由式 （3）可知，電阻RS兩端的電壓差為－Vin。又因為運放的虛斷原理，Y1和Y2兩端可視為無電流流過，因此，流經(jīng)負載電阻RL的電流與流經(jīng)RS的電流相等。該恒流源的輸出電流IO公式為

實際應用中，選用AD830實現(xiàn)DDA拓撲部分，另外選用AD8066作為負反饋部分，如圖5所示。采用共模反饋電路可以消除由于鏡像電流不對稱而在負載上產(chǎn)生的直流偏置電壓。為了實現(xiàn)鏡像恒流源，I+IN與I-IN為同一個恒幅值交流信號源，鏡像恒流源的兩個反饋回路分別設計為同相積分電路和反相積分電路，以實現(xiàn)相反的相位，所用電阻均為500kΩ，電容為均2μF，電路積分常數(shù)均為1s。

為了驗證該恒流源的性能，首先使用TINA-TI電路設計和仿真工具進行仿真測試和故障診斷。通過后制作印刷電路板進行實測檢驗。在電阻R1分別取100Ω、200Ω、1.3kΩ、2.3kΩ時，輸出峰峰電流恒定在2mA左右，隨著電阻增大，輸出電壓也成比例變大，電流誤差也隨電阻而變化，實測記錄如表1所示，波形圖如圖6—圖9所示。

2.3 分時復用模塊設計

在本系統(tǒng)中，分時復用模塊的設計是實現(xiàn)高效電極切換的關鍵。采用74HC4067M芯片進行分時復用模塊的設計，該芯片因其低電荷注入效應、微小的泄漏電流以及高帶寬特性等優(yōu)點使其能夠在16個通道中實現(xiàn)精確的單通道選通。該方案的選擇是為了滿足四電極法測量的技術需求，其中四電極法作為EIT成像的基礎，要求系統(tǒng)能夠在多個電極間靈活切換以采集必要的電壓數(shù)據(jù)。

為此，系統(tǒng)整體上需部署4枚74HC4067M芯片，分為兩組，各自負責16個電極的激勵和信號采集。這種配置支持系統(tǒng)在不同的激勵采集模式之間自由切換，包括但不限于相鄰模式、相對模式和間隔模式等，滿足了常見及特殊的測量需求。這些激勵采集模式的選擇完全由軟件編程控制，提供了極高的操作靈活性。

每個74HC4067M芯片的選通控制均由FPGA的4個通用輸入輸出（GPIO）端口獨立控制。因此，整個系統(tǒng)共需要16個GPIO端口來實現(xiàn)全面的控制功能。此外，為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，所有芯片的使能控制引腳均直接連接至正電源以保持其持續(xù)啟用狀態(tài)。

在本系統(tǒng)設計中，分時復用器的應用顯著優(yōu)化了系統(tǒng)結構，其電路原理如圖10所示。通過采用激勵采樣分時復用技術，本系統(tǒng)不僅簡化了電路設計，還有效減少了印刷電路板（PCB）的布局空間需求，進而有效降低了制造成本。在具體實施方案中通常采取相鄰激勵和相鄰采集模式，以優(yōu)化信號的采集和處理效率。

依據(jù)互易定理（reciprocity theorem），為確保每次采集得到的數(shù)據(jù)組彼此獨立，系統(tǒng)需要執(zhí)行208次采集操作以構成一個完整的圖像幀。在此過程中，從待測場域內選定的兩個電極作為激勵電極對，而其他電極則通過多路復用器實現(xiàn)對模數(shù)轉換器（ADC）的分時復用，從而實現(xiàn)了硬件結構的緊湊化，提高了系統(tǒng)的效率與通道一致性。這種設計不僅增強了系統(tǒng)的性能，也為EIT技術的進一步應用提供了可靠的硬件支持。

2.4 差分放大電路設計

在EIT系統(tǒng)中，差分放大電路的設計是關鍵環(huán)節(jié)。鑒于操作便捷性、抗干擾能力等考慮，本研究選擇采用模擬差分方案。為此，選用了AD8421儀表放大器，該放大器以其極低噪聲、低功耗和高速性能而著稱。AD8421的技術規(guī)格包括：10MHz的帶寬、35V/μs的壓擺率；在增益為10時0.001%的建立時間為0.6μs，確保了高速信號的有效放大。更重要的是，AD8421具有極高的共模抑制比，能夠在廣泛的溫度范圍內從高頻共模噪聲中提取出低電平信號，其超低的偏置電流和電流反饋架構在高增益條件下保持高性能，使其在需要高通道數(shù)多路復用系統(tǒng)的應用中表現(xiàn)出色，非常適合本EIT系統(tǒng)的需求。

AD8421芯片的引腳接線如圖11所示，其設計和應用在本EIT系統(tǒng)中展現(xiàn)了與系統(tǒng)要求的高度契合性，為實現(xiàn)高精度、低干擾的電阻抗成像提供了堅實的硬件支持。AD8421的傳遞函數(shù)為

VOUT=G×（V+IN-V-IN）+VREF（4）

式中G=1+9.9/RG。取RG=5kΩ，此時放大倍數(shù)約為3倍。

本差分放大器優(yōu)化了輸出誤差的控制，包括失調電壓和漂移、不同負載條件下的失真以及輸出噪聲等關鍵性能參數(shù)。通過激光微調電阻技術，本放大器實現(xiàn)了增益誤差小于0.01%和共模抑制比（CMRR）超過94 dB（G=1）的高精度性能。此外，高性能的引腳排列和經(jīng)過嚴謹考量的設計與布局，賦予了該放大器在廣泛頻率和溫度范圍內維持高CMRR性能的能力。這種高度的共模抑制比對于減少外部干擾信號的影響至關重要，尤其是在電阻抗成像等要求高精度測量的應用場合中。

采用這種高精度、高穩(wěn)定性的差分放大器，不僅顯著提高了測量系統(tǒng)的整體性能，而且對于提升系統(tǒng)對復雜信號處理的能力具有重要意義。這些技術優(yōu)勢使得該放大器成為電阻抗成像及其他精密測量領域的理想選擇，為研究人員和工程師提供了一個強大的工具以應對高難度的測量挑戰(zhàn)。

2.5 安全耐壓隔離模塊單元

在醫(yī)用電氣設備的設計中，根據(jù)GB 9706.1—2020《醫(yī)用電氣設備 第1部分：基本安全和基本性能的通用要求》，在標準狀態(tài)下，DC5V供電時電氣醫(yī)療產(chǎn)品對患者的防護措施網(wǎng)電源部分防護要達到兩重MOPP3 000V有效值的AC試驗電壓，旨在確保患者人身安全。針對此技術規(guī)范，本研究設計了一種高效能的采樣信號隔離單元以滿足上述安全耐壓要求。

采樣信號隔離單元采用了IF0505S-1WR3型DC/DC隔離電源模塊，該模塊具備輸入5V、輸出5V、最大負載能力200mA的特點。它以小巧的體積、高的功率密度、高效率以及低輸出紋波噪聲等性能優(yōu)勢，確保了系統(tǒng)的電氣安全和穩(wěn)定性能。該隔離電源在廣泛的工作溫度范圍（-40℃～+85℃）內表現(xiàn)出色，提供3 000VDC的隔離電壓和超過350萬小時的平均無故障時間（MTTF），展現(xiàn)了其高可靠性。

為進一步強化隔離保護，本設計選用了9塊ADUM1201隔離芯片作為隔離核心器件。ADUM1201采用的是芯片尺寸變壓器專利隔離技術，該技術不僅使得數(shù)據(jù)傳輸速度可達到最高125Mbps，而且相較于傳統(tǒng)光耦器件，其功耗僅為1/10，約0.8mA。此外，ADUM1201芯片具備強大的環(huán)境適應能力，能夠承受高達125℃的高溫環(huán)境。其耐壓能力達到2 500V，有效滿足了系統(tǒng)對安全性和耐壓性的技術要求。

通過上述設計，本文研制的安全耐壓隔離模塊單元如圖12所示，為電阻抗成像系統(tǒng)及其他醫(yī)療電氣設備提供了一個優(yōu)秀的安全保障方案。

3 系統(tǒng)整體性能分析

為評估系統(tǒng)的整體性能，采用標定板測試系統(tǒng)的通道一致性、相對標準差和信噪比指標。通道一致性能夠反映各個通道之間的差異程度，采用U形圖進行結果展示。相對標準差（relative standard deviation， RSD）則用來量化系統(tǒng)通道的一致性。信噪比（signal-to-noise ratio， SNR）也是EIT系統(tǒng)的常用性能指標。綜合計算系統(tǒng)的這些指標完成對系統(tǒng)的評價。

如圖13所示，通過DB25轉接口將標定板接到多路復用模塊留出的接口處進行通道一致性測試。該標定板使用電阻網(wǎng)絡來模擬場域內的阻抗分布，其中R1～R16=390Ω；R17～R32=750Ω；R33～R48=240Ω；R49～R64=240Ω；R65～R80=24Ω，均采用0.1%精度的低溫漂電阻。為了模擬人體組織，將相鄰兩電極之間的阻值控制在1kΩ左右。

實驗過程控制激勵電流為1mA，頻率為125kHz，重復測量50幀數(shù)據(jù)，計算平均值，得到的U形圖如圖14所示。測得的208個數(shù)據(jù)所組成的16個U型曲線基本保持一致且底部數(shù)據(jù)無明顯波動，這說明該系統(tǒng)的通道一致性較好。

引入RSD值來量化系統(tǒng)的一致性。RSD指標準偏差占平均值的百分率，按如下公式計算。

信噪比指的是一個電子系統(tǒng)中信號功率與噪聲功率的比值，按式（6）的方法進行計算。

計算結果如圖16所示，圖中虛線表示平均值?？梢缘玫揭韵陆Y論：不同通道的信噪比之間具有一定的差異性，系統(tǒng)的平均信噪比可達60dB，最小值也大于50dB，最大值可接近80dB。

4 結語

本文的創(chuàng)新之處在于采用了先進的電路設計理念和技術，提高了數(shù)據(jù)采集的精度和速度，為EIT技術的發(fā)展提供了新的方向。然而，盡管取得了這些積極成果，本研究在控制單元軟件控制設計及與上位機信息交換技術方面的探討仍有所不足。未來工作將重點解決這些局限性，特別是通過開發(fā)更高效的軟件控制策略和優(yōu)化信息交換技術，進一步提升EIT系統(tǒng)的整體性能和用戶體驗。

對于未來的研究方向，考慮到EIT技術在醫(yī)學成像領域內的廣泛應用前景，計劃擴展其在其他重要醫(yī)學領域的應用，如心臟病診斷、腦部成像以及腫瘤檢測等。此外，探索將人工智能和機器學習算法集成到EIT圖像重建過程中，以提高圖像的分辨率和重建速度，是另一個潛在的研究方向。這些技術的融合有望開辟EIT技術在未來醫(yī)療診斷和治療中的新篇章，為臨床提供更加準確和實時的醫(yī)學成像解決方案。

總之，本研究在EIT數(shù)據(jù)采集領域取得的成果，不僅對醫(yī)學成像技術的發(fā)展具有重要意義，也為未來EIT技術的研究和應用提供了新的思路和方向。

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