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，對人體無害，操作簡便，成像速度快，成本低廉，因而，在對病人進(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:驅(qū)動模式、圖像重構(gòu)模型、圖象重構(gòu)算法［1］。EIT對成像目標(biāo)施加激勵電壓或電流的方式、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］的思想是建立一個接近于勻強(簡化分析條件)的電場，用實驗的方法，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)計了具有128個電極的旋轉(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實驗。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著激勵電極數(shù)目的增加，為實現(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，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)暫對一個斷層進(jìn)行實驗，多斷層可在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展)?？刂齐姌O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

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體電路如圖1所示，主要包括信號源、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)對關(guān)于模型中軸線對稱的32對電極施加驅(qū)動電壓，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分別為激勵電極和電極旋轉(zhuǎn)、極性轉(zhuǎn)換控制信號及電流測量端。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)計時，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1和33，65和97)。在CC1的控制下，電極對1和65斷開的同時，33和97接通，實現(xiàn)了一次電氣旋轉(zhuǎn)。為改變電極的極性，增加一級單刀雙擲開關(guān)，一對電極所接極性總是相反，所以，用一個控制信號CP1控制這2個開關(guān)。其他各對電極與電極對1，65和33，97情況相同。因此，按照圖2使用128個模擬開關(guān)和64個控制信號即可實現(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)在整個工作過程中，要對每一個電極上的電流進(jìn)行測量。為避免測量中引進(jìn)干擾，在同一對對應(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個電極轉(zhuǎn)換出64路電壓信號，采用4片16選1的模擬開關(guān)MAX306，將信號選通到后續(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I/U轉(zhuǎn)換后的電壓信號進(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，有利于拓寬研究范圍，擴(kuò)展到在不同頻率激勵信號下成像的研究［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信號有一定的頻率調(diào)節(jié)范圍，同時濾除通帶外干擾信號。

放大濾波后的正弦信號，經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD536A轉(zhuǎn)換為與之有效值對應(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

考慮到實現(xiàn)電極旋轉(zhuǎn)與電流測量需要多達(dá)90個左右的信號端口，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軟核處理器來實現(xiàn)整體控制。EP1C6最多可以提供185個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)實際需求剪裁硬件，實現(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、運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，實現(xiàn)了模擬電路與數(shù)字電路的隔離［10］。

1.3 程序設(shè)計

本設(shè)計采用C語言在NIOSII EDS下編寫NIOS II處理器程序，實現(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中的控制臺在PC機(jī)上獲得采集到的數(shù)據(jù)并進(jìn)行保存。

2 實驗結(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，對模型施加6 V，20 kHz的正弦激勵信號，電場電流控制在10 mA以下，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實驗。

電極旋轉(zhuǎn)一周歷時3.07s，采集128組(2048個)數(shù)據(jù)，其對應(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)。對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，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，對測量數(shù)據(jù)有明顯影響;異物處于測量電場范圍外時，測量數(shù)據(jù)基本不變。

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

表1 相同激勵電極在不同時間段采集的16個電壓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

從實驗結(jié)果可以看出:本文設(shè)計采用的128個電極的旋轉(zhuǎn)電極法EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠自動可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)中。采集時間、數(shù)據(jù)存儲、模型中電場的對稱性、系統(tǒng)的可重復(fù)性均符合設(shè)計要求。測量結(jié)果所顯示的異物對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)建立了實驗平臺。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)計的，研究對象限于一層電場斷面上，該斷面電場對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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