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電阻抗成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
摘要：介紹了電阻抗成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PC機(jī)作為上位機(jī)，用來(lái)進(jìn)行可視化控制、實(shí)時(shí)成像顯示操作?鴉下位機(jī)采用高速單片機(jī)，控制電極選通、數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理，并與ＰＣ機(jī)進(jìn)行通訊；采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生高精度激勵(lì)信號(hào)源，用相敏解調(diào)方法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量數(shù)據(jù)獲取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能達(dá)到電阻抗成像（EIT）的性能要求。關(guān)鍵詞：電阻抗成像 直接數(shù)字頻率合成 相敏解調(diào)
電阻抗成像（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，簡(jiǎn)稱ＥＩＴ）技術(shù)是一種新穎的圖像重建技術(shù)。它根據(jù)物體內(nèi)部不同物質(zhì)的導(dǎo)電參數(shù)（如電阻率、電容率）不同，通過(guò)在物體表面施加電流、電壓并進(jìn)行測(cè)量來(lái)獲知物體內(nèi)部導(dǎo)電參數(shù)的分布，進(jìn)而重建出反映物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。對(duì)人體組織電性能的研究表明，人體內(nèi)不同組織以及組織處于不同功能狀態(tài)下具有不同的電阻抗，即當(dāng)人體的器官發(fā)生局部病變時(shí)，病變部位的阻抗必然與其它部位不同。因此，可以通過(guò)阻抗的測(cè)量對(duì)人體器官的病變進(jìn)行診斷。ＥＩＴ是通過(guò)給人體注入小的安全電流，再測(cè)量體表的電位來(lái)重建出人體內(nèi)部的電阻抗分布的圖像的。它的成像機(jī)理完全不同于Ｘ射線、ＣＴ、超聲波成像和核磁共振（ＭＲＩ）等。它是一種功能成像，即充分利用阻抗所攜帶的豐富的生理和病理信息實(shí)現(xiàn)功能成像。電阻抗成像技術(shù)具有Ｘ射線、ＣＴ和ＭＲＩ等技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，即對(duì)人體檢測(cè)無(wú)創(chuàng)無(wú)害，且其成像設(shè)備成本低廉、體積小、操作簡(jiǎn)便，不要求特殊的工作環(huán)境。這些特點(diǎn)使得電阻抗成像技術(shù)特別適用于相關(guān)疾病的普查、預(yù)防等醫(yī)學(xué)輔助診斷場(chǎng)合。目前，電阻抗成像技術(shù)已成為２１世紀(jì)醫(yī)學(xué)成像研究的熱點(diǎn)。
１ 系統(tǒng)構(gòu)成
本系統(tǒng)采用上－下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，上位機(jī)由ＰＣ機(jī)擔(dān)任，進(jìn)行可視控制、圖像實(shí)時(shí)顯示；下位機(jī)由單片機(jī)擔(dān)任負(fù)責(zé)電極選通切換、數(shù)據(jù)采集以及與ＰＣ機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這里單片機(jī)選用美國(guó)Ｃｙｇｎａｌ公司最近推出的高速Ｃ８０５１Ｆ１２１（最高處理速度達(dá)１００ＭＩＰＳ），其片內(nèi)具有１２８ＫＦｌａｓｈ、（２５６＋８）ＫＲＡＭ以及增益可編程放大器和采樣率達(dá)１００ｋｓｐｓ的１２位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器。
圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體框圖
ＥＩＴ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括恒流源激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、電極選通與驅(qū)動(dòng)單元、可編程增益放大器、解調(diào)處理單元、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換（Ｃ８０５１片內(nèi)１２位Ａ／Ｄ）單元等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示。
ＰＣ機(jī)作為上位機(jī)提供一個(gè)可視界面，可設(shè)置激勵(lì)源的頻率、激勵(lì)模式（如相鄰模式、相對(duì)模式），命令單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并根據(jù)接收的反應(yīng)阻抗信息的數(shù)據(jù)來(lái)重建圖像。單片機(jī)按ＰＣ機(jī)發(fā)出的要求對(duì)激勵(lì)信號(hào)源進(jìn)行頻率選擇、相位及幅值控制；按激勵(lì)模式依次選通激勵(lì)電極與測(cè)量電極；選擇可編程增益放大器的增益；啟動(dòng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后轉(zhuǎn)發(fā)給ＰＣ機(jī)。
２ 激勵(lì)注入與信號(hào)提取
２．１恒流源
恒流源由信號(hào)源和電壓控制電流源（ＶＣＣＳ）兩部分組成。正弦信號(hào)源采用直接數(shù)字頻率合成（ＤＤＳ）技術(shù)，即以一定頻率連續(xù)從ＥＰＲＯＭ中讀取正弦采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換并濾波后產(chǎn)生ＥＩＴ所需的正弦信號(hào)。本系統(tǒng)采用ＡＤ公司的ＤＤＳ集成芯片ＡＤ９８３０，其內(nèi)部有兩個(gè)１２位相位寄存器和兩個(gè)３２位頻率寄存器。在單片機(jī)的控制下對(duì)相應(yīng)的寄存
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