三維電阻抗成像系統(tǒng)設(shè)計.pdf

1、電阻抗斷層成像技術(shù)(EIT:Electrical Impedance Tomography)是近30年才出現(xiàn),繼形態(tài)、結(jié)構(gòu)成像之后,新一代的醫(yī)學(xué)成像技術(shù),它是現(xiàn)在生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)中的重大研究課題之一。由于電阻抗斷層成像技術(shù)不使用核素、射線,所以對人體無傷害,并且具有可以多次測量、重復(fù)使用,成像速度比較快,及功能成像等特點,另外其成本比較低廉,對工作環(huán)境沒有特殊的要求等。因此其作為一種理想的、有著誘人的應(yīng)用前景的無損傷醫(yī)學(xué)成像技術(shù),迅速成為

2、研究熱點。
　　在先前的研究中,電阻抗斷層成像技術(shù)的研究對象通常被假定在二維(2D)的平面結(jié)構(gòu),由于實際情況是研究對象一般為三維(3D)結(jié)構(gòu),因此激勵電流是在立體空間內(nèi)傳導(dǎo)的,而不是僅僅限定在測量平面內(nèi)傳導(dǎo)。由于這一差異導(dǎo)致了重建圖像顯現(xiàn)出明顯的誤差,因此影響了EIT在診斷和病態(tài)分析中的作用。為了獲得更多電阻抗信息,重建出更準確的圖像,三維電阻抗成像(3D-EIT)成為研究的熱點。既可以通過研究三維成像算法對生物體進行三維成像,也

3、可以設(shè)計成像的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對生物體進行三維數(shù)據(jù)采集。
　　本文研究工作主要包括兩部分:一是基于準對角激勵的模式下,進行3D EIT系統(tǒng)電極優(yōu)化設(shè)計;二是基于FPGA的3D EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計。
　　一、3D EIT系統(tǒng)電極優(yōu)化設(shè)計
　　1.利用有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics建立仿真模型。設(shè)計了4種雙層32電極均勻分布的圓柱體試驗仿真模型:方形電極（Ⅰ型）、圓形電極（Ⅱ型）、同心圓復(fù)合電極(Ⅲ型

4、)、方圓復(fù)合電極（Ⅳ型）。
　　2.仿真實驗一:由于復(fù)合電極在激勵-測量電極的不同導(dǎo)致6種情況的出現(xiàn),在準對角電流激勵-相鄰測量模式下進行仿真試驗,對三維場域中4個高度相等、電導(dǎo)率相同的物體,采用共軛梯度算法進行圖像重建,并截取5個不同斷層圖像進行對比。利用測量電壓動態(tài)范圍D、敏感場靈敏度的均勻性P和重建圖像的相關(guān)度R三種評價指標6種情況進行對比研究。結(jié)果表明外激內(nèi)測式復(fù)合電極較優(yōu)。
　　3.仿真實驗二:在準對角電流激勵-相

5、鄰測量模式下分別對4種電極結(jié)構(gòu)在0.2～0.7之間8種占空比情況下進行仿真試驗,求得雅可比系數(shù)矩陣,對三維場域中5個高度不等、電導(dǎo)率相同的物體,采用共軛梯度算法進行圖像重建,并截取5個不同斷層圖像進行對比。利用測量電壓動態(tài)范圍D、敏感場靈敏度的均勻性P和重建圖像的相關(guān)度R三種評價指標對所設(shè)計的4種電極結(jié)構(gòu)進行對比研究。結(jié)果表明,占空比在0.4的情況下,4種電極都較好,Ⅳ型電極較優(yōu)于其他3種。
　　二、基于FPGA的3D EIT數(shù)據(jù)

6、采集系統(tǒng)設(shè)計
　　1.以Spartan3E系列XC3S500E-4PQ208型號的FPGA為核心,嵌入8位微處理器PicoBlaze實現(xiàn)恒流激勵源、模擬開關(guān)通道切換、串口通信等邏輯控制功能。為了提高系統(tǒng)抗干擾性,采用Altium Designer軟件設(shè)計了4層PCB數(shù)據(jù)采集板,并對每個模塊進行逐個調(diào)試。
　　2.使用VHDL語言完成了FPGA的硬件開發(fā),使用Delphi軟件開發(fā)了上位PC機界面,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時存儲并繪制曲線。