电阻抗成像系统的设计

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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—03Design of electrical impedance tomography data acquisitionsystem based on128electrodesZHAO 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 electricalimpedance tomography，the128electrodes rotating electrode electrical impedance tomography data acquisitionsystem based on NIOS II processor is designed．Data acquisition experiment is carried out and the results iscollected on the computer，the reliability of the design is verified．Key words：electrical impedance tomography（EIT）；rotating electrode；NIOS II processor0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。

生物医学电阻抗成像技术

第一章绪论进入21世纪，生物医学工程迅猛发展，如何将先进的科学技术用于人体医学检查及各项机能测试，从而提高人类对疾病的早期预防和治疗，增强机体功能、提高健康水平一直是人们共同关心的问题。

因此，人们对医学检测手段的要求越来越高，检测方式已从人工主观检测发展到现在的主客观相结合。

特别是医学影像技术的出现，使疾病的诊断更加客观和准确。

然而，通过医学实践可以发现单一形态影像诊断仪器不能满足疾病早期诊断的需要，形态和功能相结合的新型检测系统是医学发展的需要，形态和功能相结合的新型检测系统是医学发展的需要。

向功能性检查和疾病的早期诊断发展，向疾病的康复和愈合评价延伸，正是现代医学发展所追求的目标。

电阻抗成像（Electrical Impedance Tomography,EIT）技术，是以生物体内电阻抗的分布或变化为成像目标的一种新型无损伤生物医学检测与成像技术。

它通过对生物体外加一定的安全激励电流，测得生物体表面电压信号来重构生物体的阻抗分布。

由于生物组织阻抗特性差别显著，因而电阻抗成像结果明显。

利用EIT技术，可以显示生物体组织的阻抗分布图像、阻抗随频率变化的图像、生物体器官生理活动（如呼吸、心脏搏动）时阻抗变化图像。

由于采用外加安全电流激励，是非侵入检测技术，且是功能成像技术，在研究人体生理功能和疾病诊断方面有重要的临床价值。

它具有简便、无创廉价的优势，可作为对病人进行长期、连续监护的设备，对疾病的早期预防、诊断、治疗及医疗普查都具有十分重大的意义，一直受到众多研究者的关注。

第一节医学影像技术概况医学影像技术是用各种成像装置采集人体内部解剖学、生理学、病理学和心理学的信息，并实现可视化的科学。

医学影像技术涉及物理学、生物学、医学、电子信息技术等多科学领域，是典型的跨学科领域。

医学图像是真是物体信息的反映，但还不是真实物体的镜像。

到目前为止的所有成像设备只能采集人体的部分信息，某种特定的医学影像是经过数学方法的反演之后得到的被成像人的特定位置在某一时刻部分信息的可视化表达。

三维电阻抗成像系统设计开题报告

三维电阻抗成像系统设计开题报告一、研究背景及意义电阻抗成像技术（Electrical Impedance Tomography, EIT）是指通过在物体表面或内部施加一定的电压，测量相应位置上的电流，并通过处理这些电流测量数据，利用计算方法来重建物体内部电阻率的分布及其变化情况的一种无创成像技术。

EIT技术不仅可用于医学成像，还可用于地球物理勘探、材料检测和化学反应监测等领域。

目前的EIT系统大约可分为两类：平面EIT系统和三维EIT系统。

平面EIT系统通常仅能提供被成像室内媒质平面内的电阻率分布图像，其成像分辨率较低；而三维EIT系统可以实现对整个被成像体内部电阻率的精确定量化分析和成像，具有更高的成像分辨率和灵敏度，因此在医学、工业等领域中具有广阔的应用前景。

因此，本文旨在设计一个三维电阻抗成像系统，实现对不同物质或器官内部电阻率分布的定量及定性检测，为医疗、工业等领域的研究提供技术支持。

二、研究内容与技术路线本文将采用以下技术路线设计三维电阻抗成像系统：以多个电极为边界，施加数个直流电压或交变电压，测量多个位置上的电流响应，以此重建被成像体内部电阻率分布图像的数学方法。

系统框架包括硬件设备、数据采集和重建算法三部分。

1.硬件设备。

设计实验装置，包括多电极电压施加器、电流采集器、AD转换器、高速数据采集卡等，并根据被成像物体特性的不同，选定适应的电极排列方式。

2.数据采集。

根据设计的实验装置和选定的电极排列方式，采集相应位置上的电流响应数据，并进行预处理和滤波。

3.重建算法。

采用反问题的数学方法，将电流响应推导成电阻率图像，以此重建被成像物体的内部电阻率分布图像。

三、预期研究成果本文设计的三维电阻抗成像系统可实现复杂器官或物质内部电阻率的定量化检测，具有广泛的应用前景。

四、拟解决的难点及解决方案1.电极排列方式的选择。

根据被成像物体特性选择合适的电极排列方式，可提高实验精度和成像分辨率。

2.数据采集和预处理。

医用电阻抗成像系统的模块化设计

进入２世纪，ｌ生物医学工程发展很快．将先进的
科学技术用于人体医学阻抗随频率变化图像、人体
器官生理活动（呼吸、如心脏搏动）的阻抗变化图时像．由于采用外加安全交流电流的方式，它是非侵入检测技术，且是功能成像技术，故在研究人体生理功能和疾病诊断方面有重要的临床价值．它具有简便、损无
成像硬件系统．系统主要有恒流源模块、该驱动模块、测量模块、号处理模块、制和成像模块组成．系统通过信控该测量被测目标表面电信号并进行分析和处理，再通过逆问题求解，重构出电阻抗分布图像．实验表明，系统设计该合理，工作稳定，具有实时检测、用方便及扩展性强等特点．使
徐桂芝，明时，王李有余张帅，，于青颜威利，
（．１天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津３０７；．００２２河北工业大学电气与自动化学院，天津３０３）０１０
摘
要：电阻抗成像是一种新的无损伤的功能成像技术．用模块化设计，立一种基于物理模型的医学电阻抗采建
关键词：电阻抗成像；模块化设计；硬件系统
中图分类号：Ｔ７Ｈ４文献标志码：Ａ文章编号：０９．１７２０）４３２３（０６增刊．１３００３．５
ＭｏｕａｉａｉｎＤｅｉｎｆｒＭｅｉａＴＳｓｅｄｌｒｚｔｏｓｇｏｄｃｌＥＩｙｔｍ
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第３卷增刊９
２００６年６月

基于虚拟仪器的电阻抗断层成像测量系统设计

基于虚拟仪器的电阻抗断层成像测量系统设计李日辉;李雅宁;吴俊鹏;李伟波;高金武【摘要】电阻抗断层成像技术是一种新兴的功能性成像技术,数据采集和处理是电阻抗成像的关键环节.本文设计了一个基于虚拟仪器的电阻抗成像测量系统,阐述了如何快速搭建一个实用性强的测量系统.硬件设计方面使用美国NI公司的DAQ数据采集卡作为核心,简化了整个系统的硬件结构,提高了系统的稳定性和精确度.软件方面使用LABVIEW进行激励-测量方式控制以及后期数据处理.经过实验,初步验证了系统的实用性.使用虚拟仪器,为搭建高性能、扩展性强的电阻抗断层成像系统提供了一个新的方式.【期刊名称】《中国医疗设备》【年(卷),期】2014(029)003【总页数】3页(P11-13)【关键词】虚拟仪器;电阻抗成像测量系统;LABVIEW【作者】李日辉;李雅宁;吴俊鹏;李伟波;高金武【作者单位】中山大学工学院,广东广州510006;中山大学工学院,广东广州510006;中山大学工学院,广东广州510006;中山大学工学院,广东广州510006;中山大学工学院,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】R197.39电阻抗断层成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）技术，是基于生物组织电学特性（如电导率）的不同，通过给生物体注入一定的安全激励电流（或电压）信号，测量生物体的体表电压（或电流）信号来重建人体内部的电阻抗分布。

EIT作为一种新的医学成像技术，具有无损伤、功能成像和医学图像监护三大突出优势[1-2]。

在近年来受到国际学术界的广泛关注，并呈现出很好的应用前景[3-4]。

在目前的电阻抗成像系统中，大多都是基于DSP和FPGA的协调工作来采集数据并处理数据，把处理后的数据送到PC机进行图像显示[5,6]。

但是这种基于硬件为主的数据采集系统设计通常硬件结构比较复杂，以求达到较高的稳定性和精度。

因此本文将虚拟仪器引入到了电阻抗断层成像系统的设计中。

关于医学电阻抗成像系统电极结构优化设计

关于医学电阻抗成像系统电极结构优化设计【关键词】电阻抗成像关键词: 电阻抗成像;有限元模型;电极;优化设计摘要:目的研究医学电阻抗成像（EIT）系统电极结构对敏感场分布的影响.方法设计一个具有边界强制等势点的有限元模型，通过仿真，分析了复合电极宽度对敏感场分布的影响，并进一步对不同激励模式，敏感电极的结构尺寸进行了定量的优化设计. 结果当电极覆盖比率为57.1%时，效果最优. 结论进行电极优化设计时，其场分布的均匀性、敏度与电极覆盖率应综合考虑.Keywords:electrical impedance tomography;finite elementmodel;electrode;optimum designAbstract:AIM To study the distribution of sensing field af-fected by the structure of electrodes.METHODS A finite element model was designed with the condition of coercive e-quipotential nodes on boundary.RESULTS Distribution of sensitive field affected by the width of compound electrodes was described via simulation，and the optimum design of structure size of the electrode for different strategy wasintro┐duced.CONCLUSIO N When electrode covering ratio is57.1%，theeffect is optimum，suggesting that optimizing de-sign of electrode，compromise is made between the uniformi-ty and sensitivity of field distribution and electrode covering ratio.0 引言电阻抗成像（electrical impedance tomography，EIT）技术是一种廉价的无损伤探测技术，不使用核素或射线，对人体无害，可以多次测量，重复使用，可作为对患者进行长期、连续监护的医学监护设备.更重要是医学EIT系统重构的图像不仅包含人体的解剖学信息，而且反映了组织和器官的电特性.因此，这一新型成像技术受到国内外临床医学与生物医学界的广泛重视，成为近年来研究的重点.优化电极设计是提高EIT系统性能的关键环节.人们对电极及其影响进行了多方面的研究，并对其结构形状进行了许多改进［1-4］，但所有这些仅涉及激励电极研究.与窄电极相比，宽电极能够在敏感域中提供更为一致的电流分布，并且与皮肤的接触阻抗要比窄电极小，有利于提高系统的灵敏度.因此，目前大部分EIT系统均采用宽电极结构.宽电极有其固有的优势.但是，由于宽电极的使用，必然将电极下的被测生物体表面强制为等电势，从而影响到场域内部的电场分布.采用复合电极，该问题依然存在.Fig1所示为一个典型的复合电极结构，虽然测量电极只是中心的点电极，但是，外围的激励电极不可避免的要与被测对象的表面接触，从而强制将其表面拉为等电势.显然，电极覆盖被测对象表面积越大，对内部电场的分布影响越大.对敏感场分布进行计算时，应该对该因素加以考虑.但是，在以往的研究论文中，均未对这个问题进行分析.图1 略1 有边界强制等势节点的有限元模型基于电磁场理论，对模型作两点假设［5，6］:①设敏感场为似稳场，即对场域施加激励电流，认为各处电场同时发生变化，忽略电流传输时间;②所研究的敏感场内没有电流源及电流汇，从而敏感场内任意一点散度为零.由以上假设，对场域内任意一点，有J=σ・E （1）・J=0 （2）其中，J为电流密度;σ为电导率;E为电场强度.又E=- （3）其中，为场内电势分布，则满足・（σ・）=0 （4）σ・+σ・2 =0 （5）2 =0 （6）对应Laplace方程的有限元方程为［K］［］=［B］（7）其中，［K］为有限元方程的系数矩阵;［］为所有剖分节点的电势矩阵;［B］包含有限元方程的边界条件.设定N0 为剖分的节点总数;有J组强制等势节点，构成J个集合EQU｛i｝（0≤i≤J，i∈N），每个集合的元素为该组等势节点的节点编号，每个集合存在M个元素，其中，每组中最小的元素为min equ｛i｝.首先，进行列合并，Kl，min equ｛i｝= ∑j∈EQU｛i｝Kl，j （8）其中，l=1，2，…N0 .列合并完成后，将Klj （l=1，2，…N0，j∈EQU ｛i｝-｛min equ｛i｝｝，i∈J）删除，未被删除的列前移，补进删除后的空列.然后，进行行合并，Kmin equ｛i｝，l = ∑j∈EQU｛i｝Kl，j （9）其中，l=1，2，…，N0 -J×（M-1）.Bmin equ｛i｝= ∑j∈EQU｛i｝Bj （10）行合并后，将Kjl （l=1，2，…，N0-J×（M-1），j∈EQU｛i｝-｛min equ｛i｝｝，i∈J）和Bj （j∈EQU ｛i｝-｛min equ｛i｝｝，i∈J）删除，对空位进行前移补充.经过行列合并变化后，（7）式变为:［K］［N 0 -J（M-1）］×［N 0 -J （M-1）］［］1×（N 0 -J（M-1）） =［B］1×［N 0 -J（M-1）］（11）解上述线性方程组，可获得场域中各节点电势.2 测量电极对场域的影响在相同激励条件下，加大测量电极的宽度，对场域的影响进行了分析（Fig2）.Fig2a是按常规的有限元方法，即不考虑强制等势点问题计算的等势线分布.Fig2b，c，d，e，f增加了4组等势点条件，每组等势点包含的节点数目分别为2个节点，3个节点，4个节点，5个节点和6个节点.图2 略随着每组等势点数目的增加，等势线偏移越来越严重（Fig2）.显然，与不考虑强制等势点问题的计算结果相差也越大.为便于比较，将Fig2a分别和Fig2b，d 和f重合进行分析（Fig3）.虚线为没有强制等势点情况下的等势线分布.从图中不难看出，当强制等势点包含2个节点时，只是测量电极附近的等势线发生了偏移，对场域中心的影响较小.随着强制等势点的增加，其影响范围不断扩大，当强制等势点增加为6个节点时，几乎整个场域内的电场分布均发生了变化，激励电极附近以及场域中心同样如此. 图3 略3 电极覆盖比率优化设计电极宽度越宽，激励时，提供电流的一致性越好，与皮肤的接触阻抗越小;但是，基于前面的分析，随着电极宽度的增加，必然对敏感场内的电流分布产生越来越大的影响，从而影响EIT数据采集系统的分辨率.为此，对电极的优化设计具有重要意义.定义优化参数K为检测灵敏度，K=［ V1 -V0 /V0 ］/［σ1 -σ0 /σ0 ］（12）即，场域中某部分的电导率由σ0 变为σ1 时，电极测量电压由V0 变为V1 时.K表征了电极对电导率变化的灵敏度.基于有限元模型，在相对激励模式和相邻激励模式下，不同覆盖比率的电极对不同区域的优化参数进行了仿真计算.EIT系统对场域边缘的电导率变化的灵敏度远远高于对其中央的灵敏度.因此，边缘电导率发生变化时的检测灵敏度大于中央电导率变化时的检测灵敏度.为了便于统一比较，将计算的电极平均检测灵敏度进行归一化处理.Tab1为八电极结构的EIT系统的仿真结果，对于16电极和32电极具有类似的规律.表1 优化参数表略在场域中不同区域的优化参数对应覆盖比率的变化趋势是不同的.对于相对激励模式，处于中央位置，当电极覆盖场域周边的42.6%时，优化参数达最大值;而在边缘，靠近激励电极与远离激励电极的情况不同;对于相邻激励模式，存在类似情况.在EIT系统中，不可能实现不同区域的兼顾，电极覆盖比率的选择应作折衷考虑.因此，采用不同区域优化参数的平均值作为选择依据.由Tab1计算结果可得，对于相对激励方式，28.6%的覆盖比率为最优的选择，对场域中央及边缘的电导率变化均有较高的灵敏度;而对于相邻激励模式，57.1%的覆盖比率则是最优.综合两种激励模式，当电极覆盖比率为57.1%时，效果最佳.4 结论针对EIT系统中电极对敏感场分布的影响，作者设计了一个具有强制等势点的有限元模型.通过计算表明，随着电极宽度的增加，每组强制等势点所包含的等势点的数目越来越多，测量电极不仅对电极附近，而且对整个场域的边界及中心区域的敏感场分布的影响越来越大.基于仿真结果，设计了电极覆盖比率的优化方法，通过定量分析电极覆盖比率对测量的影响，得到了对于不同激励模式，电极覆盖比率所具有的最优值.参考文献［1］Ragheb O，Geddes LA，Bourland JD，Tacker WA.Tatrapolar electrod system for measuring physiological events by impedance ［J］.Med Bioll Eng Comp，1992;30（1）:115-117.［2］Woo EJ，Hua P，Webster JG，Tompkins WJ，Pallas-Areny R.Skin impedance measurement using simple and compound elec-trode ［J］.MedBiol Engin Comp，1992;30（1）:97-102.［3］Hua P，Woo EJ，Webster JG，Tompkins WJ.Finite element modeling of electrode-skin contact impedance in electrical impedance tomography ［J］.IEEE Tran on Biom Eng，1993;40（4）:335-343［4］Cheng KS，Isaacson D，Newell JC，Gisser DG.Electrode model for electric current computed tomography ［J］.IEEE Tran on Biom Eng，1989;36（9）:837-840.［5］Sheng JN.Electromagnetic field numerical analysis ［M］.Bei-jing:Kexue Chubanshe（Science Puslishing House），1984:54-105.［6］Ni ZG，Qian XY.Electromagnetic field numerical computation ［M］.Beijing:Gaodeng Jiaoyu Chubanshe（Higher Education Publishing House），1996:209-224.。

基于数字处理的频差电阻抗成像系统设计

ｐｌｅｘｉｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｒｅｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄｏｎｈｉｇｈ — ｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅＦＰＧＡａｓｔｈｅｃｏｒｅ
低、高速、频带宽、具有扫频和混频２种激励方式的电阻抗成像系统，应用于人体胸腹部疾病的早期筛查。该系统采用８× ８电极
阵列，用高性能ＦＰＧＡ为核心，使得激励源控制、数字频率合成、信号预处理、高速相敏检波、快速傅里叶变换解调测量信号等功能集成在单一的芯片中，减小了系统的复杂性，提高了可靠性和可移植性。在图像重构中，使用可靠性较高的正则化算法抑制电阻
基于数字处理的频差电阻抗成像系统设计
冉鹏，何为，徐征，李冰，鞠康
重庆４０００４４）
（重庆大学电气工程学院输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室摘
要：电阻抗成像（ＥＩＴ）作为一种功能医学影像技术，可以反映组织功能的变化。在已有研究的基础上，开发一种体积小、功耗
，
ｔｈｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅｃｏｎｔｒｏｌ，ｄｉｇｉｔａｌｒｆｅｑｕｅｎｃｙｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ｓｉｇｎａｌｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｈｉｇｈ — ｓｐｅｅｄｐｈａｓｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｄｅｔｅｃｔｏｒ，

电阻抗成像系统的设计和实现

相应电路。测量时，ＤＤ信号源输出频率为５ｋｚＳ０Ｈ的正弦信
号，经ＶＣＳ产生一个幅度恒定的电流信号，通过模拟开Ｃ后关以临近驱动方式将电流注入一对电极，同时分别测量其余
近年来，国际上对ＥＴ的研究日益深化，由实验阶段ＬＩ
系统。该系统采Ｊ１电极并行采集数据，以等位线反投影法ｆ６】重建【像，成像速度达￣２帧／，能够获取人体胸腔的实霉］ｔ５秒Ｊ时图像。它已在英国皇家ＨａＩｍｓｉ医院进行临床实验。ｌａｈｒｅ美、日等国也相继有ＥＴ硬件系统用于临床数据采集的Ｉ报道。与以上这些国家相比，我国在ＥＴ面的研究起步较Ｉ方晚，目前主要集中于重建算法的计算机模拟，相对于ＥＴＩ硬
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第２卷８
ｖｏｌ２８
第７期
№ ７
计
算
机
工
程
２０年７０２月
Ｊｌ０２ｕｙ２０
ＣｏｐｕｔｒＥｎｇｉｅｉｍｅｎｅｒｎｇ
・
基金项目论文・
文章编号：００－２（０）－０７－０１０－３８０２７－０５－２－４２０－－
图像。整个 Βιβλιοθήκη 集系统在ＤＰＳ的控制下进行工作。
的ＥＴ件系统Ｍａｋ１。１９年，Ｓｔ和Ｂｏ等在ＭａｋＩＩ硬ｒ ” ９５ｍｉｈｒｗｎｒ的基础上建立了第一个实时的供临床基础研究用的Ｍａｋ１ｒ１

医学电阻抗成像系统

现幅值、频率、位等连续调节：制信号经同相与正交解调，相调获取实部与虚部信息，用灵敏度系数算法进行图像重建，利试验测试与成
像结果表明，系统不仅采集速度快而且图像分辨率高。本
关键词电阻抗成像数据采集数字信号处理器
ｏ
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一 ’ ３２
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体内部电阻（导）率分布，取生物组织阻抗携带的电提病理和生理信息，数据采集单元送入计算机，于图经基
像重建算法再构人体断层图像。
其中：Ｐａｅ是３ △ ｈｓ２位的频率控制字１。ＥＩ系统采用电流激励方案，要将正弦波发生器Ｔ需
ｒｓｌｉｅｏｕｔｏｎ．
ＫｙｒｓＥｅｔｃｌｍｐｄｎｅＴｍｇａｈＤｔａｑｉｔｎｓｓｍＳ（ｉｉｌｉａｌｒｃｓｒｅｗｏｄｌｃｉａＩｅａｃｏｏｒｐｙａａｃｕｓｉｙｔＤＰＤｇａＳｇｎｏｅｓ）ｒｉｏｅｔＰｏ
ｉｄｍｏｕａｅｙａｎｏｌｉｌｒａｄｔｅｉｆｒａｉｎｏｅｎｍａｉａｙｃｍｐｎｎｓｉｏｔｉｅ，ｈｎｔｅｉｇａｅｒｃｎｔｕｔｄｂｓｅｄｌｔｄｂｎａａｇｍｕｔｉ，ｎｈｎｏｍｔｏｆｒａａｄｉｇｎｒｏｏｅｔｂａｎｄｔｅｈｍａｅｃｎｂｅｏｓｒｃｅｙｌｐｅｌｓ

128电极电阻抗断层成像数据采集系统设计

ｓｓｅａｅｎ１８ｅｅｔｏｅｙｔｍｂｓｄｏｌｃｒｄｓ２
ＺＨＡＯｉｐｎｇ．ＣＨＥＮａｇｃｉＬ— ｉＸｉｎ－ａ
（ｃｏｌｆｈｓａｎｉｅｒｇＺｅｇｈｕＵｉｒｉ，ｈｎｚｏ５０１Ｃｈｎ）Ｓｈｏｙｉｌｇｎｅｉ，ｈｎｚｏｎｖｓｙＺｅｇｈｎ４００，ｉａｏＰｃＥｎｅｔ
２１００年第２９卷第９期
传感器与微系统（ｒｎｄｃｒｎｃｏｙｔｅｈｏｇｓＴａｓｕｅｄＭｉｓｓｍＴｃｎｌｉ）ａｒｅｏｅ
８３
１８电极电阻抗断层成像数据‘ ２采集系统设计
赵立平，陈香才
（州大学物理工程学院，南郑州４００）郑河５０１
ＡｂｔａｔＩｒｅｏａｈｅｅｔｅｐｒｏｅｏｕｏｔｎｏａａａｑｉｉｏｆｒｔｔｇｌｃｒｄｌｃｒｃｌｓｒｃ：ｎｏｄｒｔｃｉｖｈｕｐｓｆａｔｍａｉｆｄｔｃｕｓｔｎｏｏａｉｅｅｔｏｅｅｅｔａｏｉｎｉｉｅａｃｏｇａｈ，ｈ２ｌｃｒｄｓｒｔｔｇｅｅｔｏｅｅｅｔｃｍｐｄｎｅｔｍｏｒｐｙｄｔｃｕｓｔｎｍｐｄｎｅｔｍｏｒｐｙｔｅ１８ｅｅｔｏｅｏａｉｌｃｒｄｌｃｒａｉｅａｃｏｇａｈａａａｑｉｉｏｎｉｌｉｓｓｍａｅｎＮＩＩｐｏｅｓｒｉｄｓｇｅ．ｔｃｕｓｔｎｅｐｒｎｓｃｒｉｄｏｔａｄｔｅｒｓｌｓｙｔｂｓｄｏＯＳＩｒｃｓｏｓｅｉｎｄＤａａａｑｉｉｏｘｅｍｅｔｉａｒｅｕｎｈｅｕｔｉｅｉｉｓｃｌｃｅｎｔｅｃｍｐｔｒｔｅｒｌａｉｔｆｔｅｄｓｇｓｖｒｅ．ｏｌｔｄｏｈｏｕｅ，ｅｉｂｌｙｏｅｉｎｉｅｆｄｅｈｉｈｉｉ

基于SOPC的电阻抗成像硬件系统设计的开题报告

基于SOPC的电阻抗成像硬件系统设计的开题报告尊敬的评审专家，本篇开题报告旨在介绍基于SOPC的电阻抗成像硬件系统设计的研究计划，包括研究背景、研究目的、研究内容和研究方法等方面的内容。

一、研究背景随着医疗保健技术的不断发展和改进，不同类型的医疗设备不断涌现，以满足人类对健康的不断追求。

电阻抗成像技术是一种新型的无创成像技术，该技术通过记录不同区域的电阻值来生成图像，这些电阻值可以与组织的电性质量和形态有关。

电阻抗成像技术广泛应用于医疗领域，特别是在诊断乳腺癌、肺部疾病和脑部损伤等方面。

然而，目前电阻抗成像系统仍然存在一些问题，如成像速度慢、成像精度低等。

针对这些问题，我们计划进行基于SOPC的电阻抗成像硬件系统设计的研究，以提高系统成像速度和精度，为医疗保健领域提供更好的服务。

二、研究目的本研究旨在设计一个基于SOPC的电阻抗成像硬件系统，提高系统成像速度和精度，具体目的包括：1. 分析现有电阻抗成像系统的优缺点，确定设计需求和技术指标；2. 设计并实现基于SOPC的电阻抗成像硬件系统，并进行系统功能测试和性能评估；3. 验证所设计的电阻抗成像硬件系统在成像速度和精度方面的优化效果，为医疗保健领域提供更优秀的技术支持。

三、研究内容本研究的主要内容包括：1. 分析现有电阻抗成像系统的优缺点，确定设计需求和技术指标。

2. 设计电阻抗成像系统中各个模块的实现方案，包括模拟模块、数字信号处理模块、数据存储模块等。

3. 基于FPGA芯片和片上系统（SOPC）技术进行电路设计和原型制作，实现电阻抗成像硬件系统。

4. 编写相应的控制程序和驱动程序，对硬件系统进行调试和测试，并进行系统性能评估。

5. 进行电阻抗成像系统的成像速度和精度测试，并与现有成像系统进行比较分析。

四、研究方法本研究的主要方法包括：1. 文献研究法，对现有电阻抗成像系统进行分析，确定设计需求和技术指标。

2. 硬件设计方法，采用FPGA芯片和SOPC技术设计和制作电阻抗成像硬件系统。

电阻抗成像电极系统优化设计仿真

形状
电极的形状可以影响电流的分布和流向，从而影响成像效果。例如，圆形电极可以提供更均匀的电流分布，而针形电极则更适合于高分辨率成像。
尺寸
电极的尺寸会影响电流的强度和范围，从而影响成像的深度和分辨率。较大的电极可以提供更大的电流范围，但可能会降低分辨率。因此，在选择电极尺寸时需要权衡深度和分辨率的需求。
电极系统在电阻抗成像中的重要性
电极系统是电阻抗成像的关键组成部分，负责采集和注入电流，从而获取电导率分布信息。
电极系统的性能直接影响到电阻抗成像的质量和准确性。
优化设计仿真的目的和意义
通过优化设计仿真，可以预测并评估不同电极系统的性能，从而降低实验成本和时间。
优化设计仿真还可以为实验设计提供理论支持，指导实验过程，提高实验成功率。
电阻抗成像电极系统优化设计仿真
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目录
• 引言 • 电极系统设计基础 • 电阻抗成像电极系统优化设计
方法 • 仿真验证与结果分析 • 实际应用与展望
01
引言
电阻抗成像技术பைடு நூலகம்述
电阻抗成像技术是一种非侵入性的医学成像技术，通过测量生物体表面电势分布来重建其内部电阻抗分布。
该技术可用于研究生物组织的生理病理过程，以及监测治疗和疾病诊断。
02
电极系统设计基础
电极材料选择与特性
01
02
03
稳定性
电极材料应具有稳定的物理和化学性质，以确保在成像过程中不会发生变形或腐蚀。
导电性
电极材料应具有高导电性，以减少电阻抗并提高成像质量。
生物相容性
对于生物医学应用，电极材料应具有良好的生物相容性，以减少对生物组织的刺激和损伤。
电极形状与尺寸对成像效果的影响

电阻抗成像技术算法研究及matlab仿真

电阻抗成像技术算法研究及matlab仿真
电阻抗成像技术算法研究及Matlab仿真
摘要：
电阻抗成像技术是一种用于非侵入式生物医学成像的方法，能够通过测量生物组织中的电阻抗分布来获取其中可能存在的异常情况。

本文将以电阻抗成像技术算法研究及Matlab仿真为主题，详细介绍电阻抗成像的原理、算法发展及Matlab 仿真的过程，并探讨电阻抗成像技术在生物医学领域的应用潜力。

1. 引言
1.1 背景
1.2 研究目的与意义
2. 电阻抗成像的原理与方法
2.1 生物组织的电阻抗分布特性
2.2 电阻抗成像的原理
2.3 电阻抗成像的方法
3. 电阻抗成像技术的算法发展
3.1 传统电阻抗成像算法
3.2 基于正则化的电阻抗成像算法
3.3 基于优化的电阻抗成像算法
4. Matlab仿真环境的搭建
4.1 Matlab的安装与配置
4.2 电阻抗成像相关工具箱的引入
4.3 仿真模型的建立
5. 电阻抗成像仿真的具体步骤与方法
5.1 数据采集与预处理
5.2 电阻抗成像图像重建
5.3 成像结果分析与评估
6. 电阻抗成像技术在生物医学领域的应用潜力
6.1 癌症诊断与治疗
6.2 脑功能成像
6.3 心脏疾病监测
6.4 应用挑战与未来发展方向
7. 结论
通过本文的研究，我们深入理解了电阻抗成像技术的原理、算法发展及Matlab
仿真的过程。

我们发现电阻抗成像技术具有巨大的应用潜力，在生物医学领域中有广泛的应用前景。

希望本文的研究能够为电阻抗成像技术的进一步发展和应用提供有益的参考。

电阻抗断层成像(EIT)的多频信号源设计

维普资讯
《物医学工程学￣生
｝ｏ８年第２第２期２ｏ９卷
研究论著
’ １．８
电阻抗断层成像（Ｉ的多频信号源设计ＥＴ）
周兴龙，奇，刘黄华
四川大学电气信息学院（都６０６）成１０５
【ｙＷｏｄ】ＥｅｔｃｌｍｐｄｎｅｔｍｇｐｙＭｕｔ一￣ｑｅｃ；ｉａｓｕｃＫｅｒｓｌｒａｉｅａｃｏｒｈ；ｌｃｉｏａｉｅｕｎｙＳｇｌｏｒｅｎ
０引言
生物电特性，近年来的很多研究小组采用了含有多
电阻抗断层成像（Ｉ是一种全新的医学成像ＥＴ）
Ｓｕｃｒｍｕｔ — ｑｕｎｃＴｃｎｒｌｄｂＣＵｓｄｓｇｅｎｔｉａｅ．Ｔｈｕｐｔ￣ｅｅｙｏｈｓｓｕｃｏｒｅｆｌｉ—￣ｅｅｙＥＩｏｔｏｅｙＭｏｗａｅｉｎｄｉｈｓｐｐｒｅｏｔｕｑｕｎｃｆｔｉｏｒｅｃｖ￣ｆｏ１ｋＨｚｔ０ｋｏｅｒｍ０ｏ５０Ｈｚ，ｈｏｅｏｉｇｅ￣ｅｕｎｃｎｄｍｕｔｔｅｍｄｆｓｎｌｑｅｙａｌｉ—ｆｅｅｃａｈｏｅｒｑｕｎｙｃｎｂｅｃｓｎ，ｆｅｕｎｉｓａｄｒｑｅｃｅｎａｌｔｄｓｏｈｅｃｒｅｔｓｇａａｕｅｙｋｙｏｒｎｉｐａｅｃｅｎ．ＥｘｅｍｅｔｌｒｓｌｓａｍｐｉｕｅｆｔｕｒｎｉｎｌｃｎｂｅｔｎｄｂｅｂａｄａｄｄｓｌｙｄｂｙＬＣＤｓｒｅｐｒｉｎａｅｕｔ — ｃｉｖｄｒｑｉｅｎｆｄｓｇｎａｉｆｓｇｌｗａｉｈＴｈｓｃｒｅｏｒｅｃｎｂｐｉｄｔｅｄｆｒｎｈｅｅｅｕｒｍｅｔｏｅｉｎａｄｑｕｌｔｏｉｎａｓｈｇ．ｙｉｕｒｎｔｓｕｃａｅａｐｌｏｕｓｉｅｅｔｅｆｅｕｎｉｓａｄａｌｔｄｓｔｘｉｉｅｎｔｔｓｕａｄｃｎｂｅｇｎｅａｌｓｄｒｑｅｃｅｎｍｐｉｕｅｏｅｃｔｄｆｒｓｅ，ｎａｅｒｌｙｕｅ．ｅｆｅｉ

2 便携式三维电阻抗成像系统设计

为了满足上述特点，笔者选用了 Altera 的 Stratix II 系列 FPGA （EP2S60F484）作为处理器，该芯片功耗低、速度快（高达 550 MHz 的内部时钟频率）。电流源的正弦激励波形由 FPGA 产生，并由 14 位 DAC（AD2904，TI），最大工作频率 125MHz，转换为模拟信号并放大，经由加法电路成为混频电压信号，并用于电压控制电流源模块。该模块与输出阻抗的测量和补偿电路配合，以确保系统的精度。在信号测量端，是由 max4051 建立的模拟开关阵列，地间电容 2pF，通道串扰小于 90 dB。由电流源产生的信号经过注入电极阵列选通后注入被测目标，响应电压进入高速模数转换器后量化为数字信号，所得到的数字信号就包含了被测目标的内部电阻抗信息，再将该数字信号通过数字相敏检波(DPSD)和快速傅里叶变换(FFT)调解出其幅值以及相位，以此信息进行图像重构。该系统可以使用医用电源或者电池供电，通过 USB 或 Wifi 的方式 PC 机或者笔记本电脑进行通讯，也可将数据存于内部存储器，使之应用于社区医院或流动体检站进行疾病筛查成为可能。
器，笔者设计了具有更灵活，稳定性更高的混合频率恒流源触发电路，该电路由 FPGA 直接数字频率合成，电压控制增益放大器和电压控制电流源组成，具有低噪声，高输出阻抗，能产生 1kHz~1MHz 单一频率或双频混合正弦波的特点。
图 3 混合频率激励源框图
不同于传统的数字频率生成技术，本系统将相位积累和查表功能被集成在 FPGA 中，可设置满量程输出电流(从 1mA 到 10mA)。在混频模式下，两个频率在 FPGA 中事先合成，再由 DAC 转换为模拟信号，如图 3 所示。这种设计保证了频率选择的灵活性，稳定性，简化了硬件设计，并降低了整体功耗。

电阻抗成像系统的设计

电阻抗成像系统的设计作者：佚名来源：不详发布时间：2006-3-11 11:51:49 [收藏] [评论]摘要：介绍了电阻抗成像系统，该系统以PC机作为上位机，用来进行可视化控制、实时成像显示操作?鸦下位机采用高速单片机，控制电极选通、数据采集及预处理，并与ＰＣ机进行通讯；采用直接数字频率合成(DDS)技术产生高精度激励信号源，用相敏解调方法实现高质量数据获取。

实验结果表明该系统能达到电阻抗成像（EIT）的性能要求。

关键词：电阻抗成像直接数字频率合成相敏解调电阻抗成像（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＩｍｐｅｄａｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ，简称ＥＩＴ）技术是一种新颖的图像重建技术。

它根据物体内部不同物质的导电参数（如电阻率、电容率）不同，通过在物体表面施加电流、电压并进行测量来获知物体内部导电参数的分布，进而重建出反映物体内部结构的图像。

对人体组织电性能的研究表明，人体内不同组织以及组织处于不同功能状态下具有不同的电阻抗，即当人体的器官发生局部病变时，病变部位的阻抗必然与其它部位不同。

因此，可以通过阻抗的测量对人体器官的病变进行诊断。

ＥＩＴ是通过给人体注入小的安全电流，再测量体表的电位来重建出人体内部的电阻抗分布的图像的。

它的成像机理完全不同于Ｘ射线、ＣＴ、超声波成像和核磁共振（ＭＲＩ）等。

它是一种功能成像，即充分利用阻抗所携带的丰富的生理和病理信息实现功能成像。

电阻抗成像技术具有Ｘ射线、ＣＴ和ＭＲＩ等技术无法比拟的优点，即对人体检测无创无害，且其成像设备成本低廉、体积小、操作简便，不要求特殊的工作环境。

这些特点使得电阻抗成像技术特别适用于相关疾病的普查、预防等医学辅助诊断场合。

目前，电阻抗成像技术已成为２１世纪医学成像研究的热点。

１系统构成本系统采用上－下位机的结构，上位机由ＰＣ机担任，进行可视控制、图像实时显示；下位机由单片机担任负责电极选通切换、数据采集以及与ＰＣ机进行数据通信。

这里单片机选用美国Ｃｙｇｎａｌ公司最近推出的高速Ｃ８０５１Ｆ１２１（最高处理速度达１００ＭＩＰＳ），其片内具有１２８ＫＦｌａｓｈ、（２５６＋８）ＫＲＡＭ以及增益可编程放大器和采样率达１００ｋｓｐｓ的１２位Ａ／Ｄ转换器。

电阻抗绝对成像与质量评估

电阻抗绝对成像技术应用领域
医学领域
用于诊断疾病、监测治疗过程和评估治疗效果。
无损检测领域
用于检测材料内部缺陷、评估材料性能和结构完整性。
食品工业领域
用于检测食品内部质量、评估食品新鲜度和安全性。
其他领域
如地质勘查、环境监测、安全检查等。
02
电阻抗绝对成像技术发展历程
电阻抗绝对成像技术起源
深度学习算法
利用深度学习算法对图像进行端到端的分类和识别，如卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）等。
质量评估方法
根据分类和识别的结果，对电阻抗绝对成像的质量进行评估，如图像的清晰度、准确性等指标。
05
电阻抗绝对成像技术在质量评估中的应用
在产品质量检测中的应用
检测产品内部缺陷
电阻抗绝对成像技术可以检测产品内部是否存在缺陷，如裂纹、气孔等。
手段。
03
电阻抗绝对成像技术实验设计与实现
实验目标与内容
目标
通过对不同材料或结构的电阻抗进行测量和分析，实现对材料或结构内部缺陷的检测和识别。
内容
设计并实现一种电阻抗绝对成像实验系统，包括测量电路、数据采集和图像重建等部分。通过对实验样本进行电阻抗测量，获取样本内部的电阻抗分布情况，并通过对测量数据的分析和处理，重建样本内部的图像。
04
电阻抗绝对成像图像处理与分析方法
图像预处理方法
去噪
通过滤波器、形态学操作等手段去除图像中的噪声，提高图像质量。
图像增强
通过对比度增强、直方图均衡化等手段提高图像的对比度和清晰度。
图像修复
对图像中的缺失、损坏或错误区域进行修复，以还原图像的完整性和准确性。

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电阻抗成像系统的设计
以下是关于电阻抗成像系统的设计，希望内容对您有帮助，感谢您得阅读。

摘要：介绍了电阻抗成像系统，该系统以PC机作为上位机，用来进行可视化控制、实时成像显示操作?鸦下位机采用高速单片机，控制电极选通、数据采集及预处理，并与ＰＣ机进行通讯；采用直接数字频率合成
正弦信号源输出信号经１：１的隔离变压器输出到ＶＣＣＳ。

ＶＣＣＳ采用的三运放转换电路，如图２所示。

当运放工作在理想状态时，则输出电流为：
输出电流Ｉｏ的大小可以由输入电压Ｖｉ和采样电阻Ｒ５来控制，其精度取决于Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４的匹配程度。

２．２电极阵列的设计
由于本系统中使用的是峰－峰值为１～５ｍＡ的交流小信号，因此如果模拟开关（又称多路开关）选择不当，它会成为系统中的一个显著的误差源。

经比较，选用ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ３０６，它具有下列功能：程序控制１６选１（由４个地址端和１个选通端决定），导通电阻ＲＯＮ＜１００Ω，通道间匹配误差＜５Ω，通道间串扰＜－９２ｄＢ，导通时对地泄漏电流＜２５ｎＡ，导通时对地等效电容＜１４０ｐＦ，
·
开关时间＜４００ｎｓ。

每组四个ＭＡＸ３０６并联可以完成３２选２任意的电流注入方式和电压测量模式。

图３是电压测量的原理图，驱动电流注入的原理图与图３类似。

它们之间的区别只是信号的流程相反，前者是流出开关，后者则是流入开关。

设计时为减小干扰，采用了高速光耦６Ｎ１３６进行隔离。

２．３激
励注入与电压测量模式
本系统中激励源按一定的模式注入（如相邻模式或相对模式），通过ＰＣ机发出命令，由单片机来控制开关电极阵列依次选通激励电极对和测量电极对。

当激励注入电极对转动一周时，就得到了能重建图像的一个数据组。

２．４电压测量放大与解调
ＥＩＴ系统中注入的为交流小信号，所以在测量端先进行隔直、缓冲和差动放大，同时要滤除信号中的噪声，以使后面的测量能得到较好的效果。

这就要求选用的仪表运放具有高的ＣＭＭＲ和足够的带宽。

本系统选用了ＡＤ公司的ＡＤ６２０。

在频率小于１００ｋＨｚ的情况下，１０倍增益时的共模抑制比可以达到６０ｄＢ，它的３ｄＢ带宽达到３００ｋＨｚ。

经差动运放后，信号中除激励源频率信号外还混有噪声信号，所以还要利用相敏解调将反映阻抗大小的信号的幅度解调出来。

·
本系统中的解调器选用ＡＤ６３０。

它采用一路待解调信号和一路载波信号作为输入，待解调信号根据载波信号的正负进行翻转。

从ＡＤ６３０的信号源到解调端，信号有一个相位变化，这个变化是一个可以通过实验测量得到的定值，所以在解调器前需加一个移相器，以达到信号同步的目的。

３数据采集与通讯
经解调输出的信号幅值较小，需经放大后送到Ａ／Ｄ转换器。

Ｃ８０５１Ｆ１２１片内有可编程增益放大器（ＰＧＡ）和一个１２位的采样率达１００ｋｓｐｓ的Ａ／Ｄ转换器，用软件设置放大增益使信号在Ａ／Ｄ转换器输入信号的范围（０～２．４Ｖ）内。

为保证数据的精度，系统对１０次采样结果做平均后存于片内ＲＡＭ中。

每次按一定模式采集完一组数据后，单片机通过串口通知ＰＣ机接收。

由于ＰＣ机串口是ＲＳ２３２电平，两者之间采用了ＭＡＸ２３２芯片进行电平转换后再进行数据通讯。

４图像重建结果
在直径为１４５ｍｍ的盐水槽中放入浓度为０.９％的盐水溶液（７５０Ω／ｃｍ），在盐水槽的边缘上放入一根直径为２ｃｍ的木棒，采用相邻注入模式，通入峰－峰值为２ｍＡ的电流，利用敏感系数法采用２５６个有限元进行剖分，
·
·。