電阻抗成像圖像監(jiān)護硬件系統中部分關鍵技術研究.pdf

1、電阻抗斷層成像（ElectricalImpedanceTomography,EIT）是一種對物體內部電阻率分布進行成像的新型成像技術。它能對生物組織進行無創(chuàng)、連續(xù)、功能成像，是一種極具醫(yī)學成像潛力的成像技術。根據EIT技術特點，第四軍醫(yī)大學課題組在國際上率先提出了電阻抗圖像監(jiān)護這一全新理念，并于2006年開發(fā)了第一套EIT圖像監(jiān)護系統，展開了臨床圖像監(jiān)護試驗。在臨床試驗中，該系統能對人體內的電阻率變化進行有效的反映，展示了誘人的臨床應用

2、前景。同時臨床監(jiān)護試驗的研究深入對EIT硬件系統的性能提出了更高的要求，從而對其中一些關鍵技術提出了改進要求。EIT硬件系統關鍵技術包括電源技術、激勵源技術、信號檢測技術、數據采集技術、接口技術和驅動-測量控制技術等。為了使EIT圖像監(jiān)護系統能更好地應用于臨床，有必要在課題組現有EIT硬件系統的基礎上，對其部分關鍵問題：驅動-測量控制模式和數據接口進行進一步研究，以期進一步提高EIT硬件系統的性能。另外，為了擴大EIT圖像監(jiān)護系統的監(jiān)護

3、場合和降低硬件系統的體積和重量，本文還對三種電源供電時EIT監(jiān)護系統的性能進行了對比研究，具體如下：
　　1)前置級的驅動-測量控制模式的改進
　　為了減少電極導線對系統精度的影響，新一代EIT硬件系統計劃將電阻抗激勵及測量前置部分與系統主機分離開來，與電極系統就近連接，從而盡可能多地減少導線分布參數對測量精度的影響。相應的，驅動電極和測量電極的選擇控制部分也隨之前移。在此種布局下，前置級與系統主體之間的控制線比現有系統中的

4、控制線要長，現有的直接控制方法不再適用。為兼顧數據總線數目和數據通訊速度的要求，在最高傳輸速度可達5Mbps的高速串行外設接口（SerialPeripheralInterface，SPI）總線基礎上，改進了數據交換協議，引入了應答與握手信號，實現了一種新的、更加穩(wěn)定可靠的同步串行數據接口總線，使前置模塊能與EIT主控器件進行快速、交互式數據交換，從而保證了數據傳輸的準確性。
　　基于改進的同步串行接口總線，本研究采用復雜可編程邏輯

5、器件（ComplexProgrammableLogicDevice，CPLD）做為前置模塊的主控單元，并使用超高速集成電路硬件描述語言（VeryhighspeedintergratedcircuitHardwareDescriptionLanguage，VHDL）對其中的關鍵數據傳輸程序進行了編制，實現了控制信號的傳輸，為新一代EIT系統前置級驅動-測量的控制打下了基礎。
　　2)適于EIT系統的USB數據傳輸模塊的設計
　

6、　為了獲得更多的臨床應用，新一代EIT系統需具有更快的成像速度，從而要求其數據傳輸接口具有更快的傳輸速度?；趯涌诘男阅芸紤]，EIT圖像監(jiān)護系統選用性能優(yōu)秀的USB接口。該接口在EIT硬件系統中主要負責硬件測得數據的上傳和計算機命令的下發(fā)。前者涉及EIT圖像重建，是需要提高數據傳輸速度的關鍵環(huán)節(jié)。當前系統的USB芯片在測量數據上傳時只支持8位數據總線寬度，影響了傳輸速度。為了擴大一次傳輸的數據量，提高傳輸速率，本研究選用了具有16位數

7、據總線寬度的USB接口芯片。當前系統的USB接口在控制命令的下發(fā)中采用批量傳輸方式，有一定的延遲。為了使控制命令以最小的延遲傳給EIT硬件系統，采用中斷傳輸方式完成該傳輸?；谝陨峡紤]，在現有的基于USB1.1協議的USB接口的基礎上，設計了基于USB2.0協議的數據傳輸模塊來完成EIT系統USB接口的各項任務。在該部分工作中，基于USB接口芯片與單片機的16位專用DMA總線的連接方式，開發(fā)了USB數據傳輸模塊的硬件電路板，編寫了單片機

8、固件、USB驅動程序和測試應用程序。實測結果表明：該模塊同時具備了控制傳輸、中斷輸出傳輸和批量輸入傳輸功能，可使得計算機能對USB數據傳輸進行初始化和讀取USB設備描述符、使得EIT軟件能夠以最小的延遲將控制EIT硬件系統的信息傳給測量系統并使得EIT系統測量數據可以以DMA方式快速傳給USB接口芯片，進而傳給計算機。最大數據傳輸速度達到675.2Kb/s，能滿足2幀/秒成像速度的數據上傳的要求。從而為新一代EIT系統的建立奠定了基礎。

9、
　　3)供電電源對EIT系統性能影響的研究
　　為滿足高精度測量要求，當前的EIT圖像監(jiān)護系統選用線性電源進行供電。為了使EIT監(jiān)護系統將來能適于野外或急救運輸設備等無外接電源的場合，本研究考慮了電池作為系統電源的選擇方案；同時，為了探索進一步降低EIT硬件系統體積和重量的方法，還考慮了采用開關電源供電的可能性。為此，對上面提到的三種電源的性能進行了對比研究：采用頻譜分析儀分別測量三種直流電源輸出的頻譜和相應的激勵信號的頻

10、譜；對三種直流電源供電條件下的數據采集精度進行分析；并對三種直流電源分別供電條件下的EIT成像的結果進行比較。結果表明：（1）電池雜散的功率低于線性電源，而后者低于開關電源；在三種電源分別供電下，激勵信號中干擾的功率也具有如上的大小關系。（2）在三種電源分別供電下，使用電阻抗成像系統對定標板進行數據采集試驗，結果顯示：在激勵頻率的全頻段電池供電下的數據采集精度高于線性電源，而后者高于開關電源；在低頻段，三種電源供電下的數據采集精度符合以

11、上關系，但差別不大；在高頻段，電池供電下的數據采集精度略高于線性電源，后者供電下的數據采集精度遠高于開關電源。從而驗證了直流電源對EIT硬件系統數據采集精度有影響。（3）在三種直流電源分別供電下，分別選用20kHz、50kHz和150kHz作為低、中、高三個頻段的激勵頻率，對定標電路板上一個電阻的變化進行EIT成像的試驗顯示電池供電時的圖像質量優(yōu)于線性電源，后者優(yōu)于開關電源。在低頻段，開關電源供電時的圖像質量與另兩種電源供電時的差別微小