128电极电阻抗断层成像数据采集系统设计

2010年第29卷第9期传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies）
128电极电阻抗断层成像数据采集系统设计
赵立平，陈香才
（郑州大学物理工程学院，河南郑州450001）
摘要：以实现旋转电极法电阻抗断层成像数据采集自动化为目的，设计开发了一种基于NIOS II处理
器、拥有128个电极的旋转电极法电阻抗断层成像数据采集系统。

进行了数据采集实验，在PC机上获得
了采集结果，验证了系统的可靠性。

关键词：电阻抗断层成像；旋转电极；NIOS II处理器
中图分类号：R318文献标识码：A文章编号：1000—9787（2010）09—0083—03
Design of electrical impedance tomography data acquisition
system based on128electrodes
ZHAO Li-ping，CHEN Xiang-cai
（School of Physical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou450001，China）
Abstract：In order to achieve the purpose of automation of data acquisition of rotating electrode electrical
impedance tomography，the128electrodes rotating electrode electrical impedance tomography data acquisition
system based on NIOS II processor is designed．Data acquisition experiment is carried out and the results is
collected on the computer，the reliability of the design is verified．
Key words：electrical impedance tomography（EIT）；rotating electrode；NIOS II processor
0引言
电阻抗断层成像（electrical impedance tomography，EIT）是生物电阻抗成像技术中的一种，是新一代更为有效的无损伤功能成像技术，是当今医学成像领域的重要研究课题之一。

EIT通过排列在人体体表周围的电极，给人体施加小的安全驱动电流（电压），在体外测量响应电压（电流），进而重构人体相应层面电阻率分布的断层图像。

EIT不使用核素或射线，对人体无害，操作简便，成像速度快，成本低廉，因而，在对病人进行长期、连续监护和医疗普查中具有十分重要的意义。

EIT技术目前存在的主要问题是成像分辨率较低，根本原因在于成像过程中的病态性。

决定病态性及其程度的因素主要有以下3点：驱动模式、图像重构模型、图象重构算法［1］。

EIT对成像目标施加激励电压或电流的方式、采集数据的量、精度、EIT非线性图像重构技术中的假设及限制条件与CT，NMR等其他成像系统相比具有更高的要求。

旋转电极法EIT［2］的思想是建立一个接近于匀强（简化分析条件）的电场，用实验的方法，拟合边界数据和电场中非均匀介质之间的关系，使非均匀介质电场的分布近似满足均匀介质电场分布的假设条件，解决非均匀介质电
收稿日期：2010—03—02场的实际电流（电压）路径与均匀介质电场假设的电流（电压）路径不重合的问题。

为了避开边沿电场分析的复杂性，采用测量激励电极电流的方法来获取测量数据，该方法易于分析出非均匀介质电场边界电极电流与均匀介质电场分布之间的影响关系［3］，进而修正非均匀介质电场的电流路径，使沿电流路径重构成像的方法趋于简单。

本文设计了具有128个电极的旋转电极法EIT数据采集系统。

NIOS II软核处理器作为系统核心，实现快速复杂的电极旋转控制与数据采集，并将采集的数据传输到PC 机中。

该系统配合PC机中相应的图象重构算法，可进行旋转电极法EIT实验。

1数据采集系统的设计
1．1结构设计
随着激励电极数目的增加，为实现电极电气旋转、极性转换，数据采集的模拟开关数目也随之增加，大量、较长的引线会导致很多问题的产生［4］。

本采集系统采用一体化设计，在物理模型主板上敷设铜箔镀金电极，保证形成的电场在各个方向上的一致性；用厚为8mm、内径为110mm的有机玻璃环覆盖电极之上，露出有机玻璃环内侧长1mm，宽1．6mm的电极，作为形成电场的有效部分［5］，在有机
38
传感器与微系统第29卷
玻璃环内注入盐水，构成断层盐水槽物理模型（该采集系统暂对一个断层进行实验，多断层可在此基础上扩展）。

控制电极旋转、极性转换的模拟开关板卡通过插槽和排线分别与模型主板、NIOS II 处理器模块和测量模块连接，以减小引线所带来杂散电容的影响。

1．2电路设计
数据采集系统总体电路如图1所示，主要包括信号源、
用于电极旋转、极性转换和电流检测的模拟开关、电流检测电路、
NIOS II 处理器控制电路等。

图1
数据采集系统电路结构框图
Fig 1
Block diagram of circuit structure of data acquisition
system
1．2．1电极旋转与极性转换电路
根据电极旋转与极性转换及电流检测的要求，设计如图2所示的电路。

图2
电极旋转与极性转换电路
Fig 2
Electrode rotation ＆polarity conversion circuit
系统在NIOS II 处理器控制下，通过模拟开关对关于模型中轴线对称的32对电极施加驱动电压，在模型中建立电场。

考虑到边缘电场分布的复杂性，仅测量居中的16对电极上的响应电流。

测量一组数据后，旋转电极，重新建立电场，让电流从不同的方向流过模型，继续该次的数据测量，直至旋转128次。

电路中，
P ，CC ，CP ，ME 分别为激励电极和电极旋转、极性转换控制信号及电流测量端。

电路中，R 为测量响应电流的取样电阻器。

在电极旋转电路中，每个电极都有接通、断开的状态。

为减少电子开关的数目，设计时，CC 控制的电极旋转电子开关采取跨接的连接方式（如，电极对1和33，65和97）。

在CC1的控制下，电极对1和65断开的同时，
33和97接通，实现了一次电气旋转。

为改变电极的极性，增加一级单刀双掷开关，一对电极所接极性总是相反，所以，用一个控制信号CP1控制这2个开关。

其他各对电极与电极对1，65和33，97情况相同。

因此，按照图2使用128个模拟开关和64个控制信号即可实现系统所需的电极旋转。

模拟开关使用具有3路单刀双掷开关的CD4053。

1．2．2
响应电流测量与处理电路
响应电流测量电路经过I /U 转换，通道选择，信号条理，A /D 转换后，将数据采集到NIOS II 处理器中。

系统在整个工作过程中，要对每一个电极上的电流进行测量。

为避免测量中引进干扰，在同一对对应电极构成的电流路径中，只测量靠近接地端取样电阻器上的电压。

如图3所示。

128个电极转换出64路电压信号，采用4片16选1的模拟开关MAX306，将信号选通到后续电路进行处理。

图3I /U 转换Fig 3
I /U conversion
本系统采用单片仪表放大器AD8221对I /U 转换后的电压信号进行放大。

AD8221具噪声低、
性能稳定、高带宽、可通过外部电阻调节增益等特点，有利于拓宽研究范围，扩展到在不同频率激励信号下成像的研究
［6，7］。

为了进一步降低噪声，使用MAX274构成的低通滤波器与OP27构成的MFB 高通滤波器级联，
形成带通滤波器进行滤波，
滤波器通频带为10 60kHz 。

带通滤波器可以使激励信号有一定的频率调节范围，同时滤除通带外干扰信号。

放大滤波后的正弦信号，经过真有效值转换芯片AD536A 转换为与之有效值对应的直流电压［8］。

12位SPI 接口A /D 转换芯片MAX1284将此直流电压转换为数字量，传送到控制核心NIOS II 处理器中。

1．2．3
NIOS II 处理器控制电路
考虑到实现电极旋转与电流测量需要多达90个左右的信号端口，并且要快速处理数据，系统采用在FPGA 芯片EP1C6中构建NIOS II 软核处理器来实现整体控制。

EP1C6最多可以提供185个I /O 口，满足系统的需求。

NIOS II 软核处理器是32位RISC 处理器，其具备超过200DMIP 的性能，并且可以根据实际需求剪裁硬件，实现成本与功能的双重要求
［9］。

本系统所建立的NIOS II
系统如图4所示，包括处理器内核，JTAG UART ，可编程I /O ，SPI 控制器，LCD 控制器，SDRAM 控制器，FLASH 接口
48
第9期赵立平，等：128电极电阻抗断层成像数据采集系统设计
等，工作频率为50MHz 。

处理器外挂FLASH 和SDRAM 芯片，用于存储、运行程序和暂存采集到的数据。

采集过程结束后，NIOS II 将数据经JTAG UART 传输到PC 机中保存。

图4NIOS II 系统Fig 4
NIOS II system
为保证测量精度，避免数字地与模拟地相互干扰，控制电路通过光耦与模拟开关和电流测量电路连接，实现了模拟电路与数字电路的隔离
［10］。

1．3程序设计
本设计采用C 语言在NIOS II EDS 下编写NIOS II 处
理器程序，
实现系统初始化、控制电极旋转、测量响应电流、LCD 显示及通过JTAG UART 传输数据到PC 机中。

利用NIOS II EDS 中的控制台在PC 机上获得采集到的数据并进
行保存。

2
实验结果
为测试系统性能，在模型中注入深1mm 、电阻率为2．5Ω·m 的盐水溶液，对模型施加6V ，20kHz 的正弦激励信号，电场电流控制在10mA 以下，进行数据采集实验。

电极旋转一周历时3．07s ，采集128组（2048个）数据，其对应数据离散性不大。

在均匀介质场中，连续3次旋转测量，表1给出了在同一方向上电场中测量的数据。

对采集到的数据进行对比，其差异很小，可重复性较好。

在均匀介质场中置入 =12mm 的铁柱，铁柱在电场中不同的位置测量出来的数据如表2所示。

从均匀介质电场、异物处于测量电场范围内和异物处于测量电场范围外的数据大体分析可知，异物处于测量电场范围内时，对测量数据有明显影响；异物处于测量电场范围外时，测量数据基本不变。

旋转电极法EIT 测量的对象是激励电极上的电流，其在取样电阻器上的压降最大时（铁柱靠近测量电极）为20mV ，此压降会影响电场的分布，这些影响在后续成像时给予解决。

表1
相同激励电极在不同时间段采集的16个电压
Tab 1
Same incentive electrodes ，16voltages collected at various time periods
次数各测量通道电压（V ）
12345678910111213141516
10．8170．8080．7520．7510．7440．7150．6790．6750．6750．6890．6810．7050．7160．7250．7530．78320．8160．8070．7520．7520．7430．7140．6780．6720．6750．6890．6800．7040．7160．7250．7520．7823
0．8160．8060．7500．7500．7420．7140．6780．6720．6740．6890．6800．7030．7160．7250．7520．781
表2
同一位置、不同介质电场的采样数据
Tab 2
Same location ，different media ，the electric field sampling data
介质各测量通道电压（V ）
12345678910111213141516
10．8160．8060．7500．7500．7420．7140．6780．6720．6740．6890．6800．7030．7160．7250．7520．78120．7860．7860．7460．7720．8020．8210．8370．8880．9320．9560．9120．8860．8360．7910．7780．7773
0．8450．8280．7720．7530．7470．7070．6870．6950．6830．6650．6760．6860．6980．7030．7390．778
注：介质1为均匀背景介质；介质2为非均匀介质（异物在测量场内）；介质3为非均匀介质（异物在测量场外）
3结论从实验结果可以看出：本文设计采用的128个电极的旋转电极法EIT 数据采集系统能够自动可靠地进行数据采集，并将采集数据传输到PC 机中。

采集时间、数据存储、模型中电场的对称性、
系统的可重复性均符合设计要求。

测量结果所显示的异物对测量电场的影响也符合旋转电极法EIT 研究的初步设想
［2］。

这为进一步研究旋转电极法EIT
技术建立了实验平台。

该系统是为研究非均匀介质电场边界电极电流与均匀介质电场分布之间的影响关系而设计的，
研究对象限于一层电场断面上，该断面电场对于多断层的上下断面电场分布的影响和多断层的采集系统在后续研究中进行。

参考文献：
［1］董秀珍，秦明新，刘锐岗，等．影响生物电阻抗成像质量的因
素［
J ］．中国医学物理学杂志，2001，18（4）：206－207．［2］胡小波，陈香才．一种乳腺电阻抗断层成像模型的建立［
J ］．中国医学物理学杂志，
2007，24（2）：150－152．［3］胡小波，陈香才，郭方方．乳腺电阻抗断层成像非均匀介质电
场的初步分析［J ］．中国医学物理学学志，2008，25（1）：500－502．
（下转第88页）
5
8
传感器与微系统第29卷
压变化时间t =35s ；图3（b ）中E =300V /cm ，
t =24s 。

根据全部实验数据进行计算，结果见表1。

根据表1，容易得出微通道芯片EOF 速度—电场强度关系曲线，
如图4所示。

图4微通道EOF 速度—电场强度曲线
Fig 4
Curve of velocity-electrical field strength in
microchannel of EOF
由图4可以看出：当电场强度较大时，
EOF 过渡曲线较为陡峭，所需时间较短。

由图4可以发现，EOF 速度与外加电场强度成线性关系，
电场强度增大，速度成比例增大；另外，EOF 淌度与外加电场强度基本无关，见表1。

表明表面zeta 电势与电场强度无关，仅是当电场强度较大时，zeta 电势会稍微增大。

该结果与文献［
7］的理论分析和实验结果完全一致，说明本文设计的检测系统能够满足微通道内EOF 检测的需求。

表1
光滑表面芯片EOF 电场强度数据
Tab 1
Data of electrical field strength of EOF on smooth
surface microfluidic chips
电场强度（V /cm ）
200300400500600700t （s ）35241814．51210u EOF （mm /s ）
1．143
1．6672．2222．7583．3334．000μEOF
［1ˑ10－4cm 2/（Vs ）］5．7155．557
5．555
5．516
5．555
5．714
注：微通道L =40mm ，溶液浓度n =10mmol /L
3结论
基于电流监测法原理，采用虚拟仪器技术将微通道内的电流变化信号通过精密电阻转换为电压信号，通过数据采集卡等硬件将其直接导入计算机，设计完成了基于虚拟仪器的微通道EOF 检测系统。

通过微通道芯片EOF 的测
定实验，证明了该监测系统可以满足实际应用的需求。

参考文献：
［1］Arulanandam S ，Li D．Liquid transport in rectangular microchan-nels by electroosmotic pumping ［J ］．Colloids Surf A ，2000，161（1）：89－102．
［2］冯焱颖，周兆英，叶雄英，等．微流体驱动与控制技术研究进
展［
J ］．力学进展，2002，32（1）：1－16．［3］Stone H A ，Stroock A D ，Ajdari A．Engineering flows in small de-vices microfluidics toward a lab-on-a-chip ［J ］．Annu Rev Fluid Mech ，
2004，36：381－411．［4］Wang W ，Zhou F ，Zhao L ，et al．Measurement of electroosmotic
flow in capillary and microchip electrophoresis ［J ］．J Chromatogr A ，2007，1170：1－8．
［5］Sinton D ，Escobedo-Canseco C ，Ren L ，et al．Direct and indirect
electroosmotic flow velocity measurements in microchannels ［J ］．J Colloid Interf Sci ，2002，254：184－189．［6］孙
悦，沈志滨，曾常青．一种直接测定微流控芯片电渗流速度的新方法［
J ］．色谱，2007，25（5）：690－693．［7］Ren L ，Masliyah J ，Li D．Experimental and theoretical study of the
displacement process between two electrolyte solutions in a micro-channel ［J ］．J Colloid Interf Sci ，2003，257（1）：85－92．［8］Ren L ，Escobedo C ，Li D．Electroosmotic flow in a microcapillary
with one solution displacing another solution ［J ］．J Colloid Interf Sci ，2002，242（1）：264－272．
［9］Hsieh S S ，Lin H C ，Lin C Y．Electroosmotic flow velocity mea-surements in a square microchannel ［J ］．Colloid Polym Sci ，2006，284：1275－1286．
［10］Xuan X．Streaming potential and electroviscous effect in heteroge-neous microchannels ［J ］．Microfluid Nanofluid ，2008，4（5）：457－462．
［11］Whitesides G M．The origins and the future of micro fluidics ［J ］．
Nature ，2006，442：368－373．［12］夏
萍，印
崧，张小龙，等．基于虚拟仪器的微密度仪测试
系统研究［
J ］．仪器仪表学报，2008，29（5）：964－968．作者简介：
杨大勇（1978－），男，安徽怀远人，博士，讲师，主要研究方向为微机电系统檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸。

（上接第85页）
［4］沙
洪，王
妍，赵
舒，等．高精度一体化电阻抗断层成像
数据采集系统［J ］．生物医学工程与临床，2008，12（4）：334－337．［5］王
妍，沙
洪，任超世．电阻抗断层成像线电极的仿真研
究［J ］．生物医学工程学杂志，
2007，24（5）：986－989．［6］徐桂芝，王明时，李有余，等．医用电阻抗成像系统的模块化
设计［J ］．天津大学学报，
2006，39（增刊）：133－137．［7］Halter R J ，Hartov A ，Paulsen K D．A broadband high-frequency e-lectrical impedance tomography system for breast imaging ［J ］．
IEEE Transaction on Biomdeical Engineering ，2008，55（2）：650－659．［8］
徐管鑫，王
平，何
为．实时电阻抗成像系统及实验研
究［
J ］．仪器仪表学报，2005，26（9）：886－894．［9］周立功．SOPC 嵌入式系统基础教程［M ］．北京：北京航空航
天大学出版社，
2006：3－8．［10］尤富生，董秀珍，史学涛，等．电阻抗成像硬件系统的初步研
究［
J ］．中国体视学与图像分析，2003，8（2）：114－118．作者简介：
赵立平（1986－），男，河南焦作人，硕士研究生，主要研究方向为生物医学信号检测与处理。

88。