電阻抗成像圖像監(jiān)護硬件系統(tǒng)中部分關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、電阻抗斷層成像（ElectricalImpedanceTomography,EIT）是一種對物體內(nèi)部電阻率分布進行成像的新型成像技術(shù)。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(xué)成像潛力的成像技術(shù)。根據(jù)EIT技術(shù)特點，第四軍醫(yī)大學(xué)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(tǒng)，展開了臨床圖像監(jiān)護試驗。在臨床試驗中，該系統(tǒng)能對人體內(nèi)的電阻率變化進行有效的反映，展示了誘人的臨床應(yīng)用

2、前景。同時臨床監(jiān)護試驗的研究深入對EIT硬件系統(tǒng)的性能提出了更高的要求，從而對其中一些關(guān)鍵技術(shù)提出了改進要求。EIT硬件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括電源技術(shù)、激勵源技術(shù)、信號檢測技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、接口技術(shù)和驅(qū)動-測量控制技術(shù)等。為了使EIT圖像監(jiān)護系統(tǒng)能更好地應(yīng)用于臨床，有必要在課題組現(xiàn)有EIT硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對其部分關(guān)鍵問題：驅(qū)動-測量控制模式和數(shù)據(jù)接口進行進一步研究，以期進一步提高EIT硬件系統(tǒng)的性能。另外，為了擴大EIT圖像監(jiān)護系統(tǒng)的監(jiān)護

3、場合和降低硬件系統(tǒng)的體積和重量，本文還對三種電源供電時EIT監(jiān)護系統(tǒng)的性能進行了對比研究，具體如下：
　　1)前置級的驅(qū)動-測量控制模式的改進
　　為了減少電極導(dǎo)線對系統(tǒng)精度的影響，新一代EIT硬件系統(tǒng)計劃將電阻抗激勵及測量前置部分與系統(tǒng)主機分離開來，與電極系統(tǒng)就近連接，從而盡可能多地減少導(dǎo)線分布參數(shù)對測量精度的影響。相應(yīng)的，驅(qū)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(tǒng)主體之間的控制線比現(xiàn)有系統(tǒng)中的

4、控制線要長，現(xiàn)有的直接控制方法不再適用。為兼顧數(shù)據(jù)總線數(shù)目和數(shù)據(jù)通訊速度的要求，在最高傳輸速度可達5Mbps的高速串行外設(shè)接口（SerialPeripheralInterface，SPI）總線基礎(chǔ)上，改進了數(shù)據(jù)交換協(xié)議，引入了應(yīng)答與握手信號，實現(xiàn)了一種新的、更加穩(wěn)定可靠的同步串行數(shù)據(jù)接口總線，使前置模塊能與EIT主控器件進行快速、交互式數(shù)據(jù)交換，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。
　　基于改進的同步串行接口總線，本研究采用復(fù)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(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸程序進行了編制，實現(xiàn)了控制信號的傳輸，為新一代EIT系統(tǒng)前置級驅(qū)動-測量的控制打下了基礎(chǔ)。
　　2)適于EIT系統(tǒng)的USB數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計
　

6、　為了獲得更多的臨床應(yīng)用，新一代EIT系統(tǒng)需具有更快的成像速度，從而要求其數(shù)據(jù)傳輸接口具有更快的傳輸速度。基于對接口的性能考慮，EIT圖像監(jiān)護系統(tǒng)選用性能優(yōu)秀的USB接口。該接口在EIT硬件系統(tǒng)中主要負責(zé)硬件測得數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸速度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當前系統(tǒng)的USB芯片在測量數(shù)據(jù)上傳時只支持8位數(shù)據(jù)總線寬度，影響了傳輸速度。為了擴大一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，提高傳輸速率，本研究選用了具有16位數(shù)

7、據(jù)總線寬度的USB接口芯片。當前系統(tǒng)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(tǒng)，采用中斷傳輸方式完成該傳輸?；谝陨峡紤]，在現(xiàn)有的基于USB1.1協(xié)議的USB接口的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于USB2.0協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸模塊來完成EIT系統(tǒng)USB接口的各項任務(wù)。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(shù)據(jù)傳輸模塊的硬件電路板，編寫了單片機

8、固件、USB驅(qū)動程序和測試應(yīng)用程序。實測結(jié)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(shù)據(jù)傳輸進行初始化和讀取USB設(shè)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(tǒng)的信息傳給測量系統(tǒng)并使得EIT系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸速度達到675.2Kb/s，能滿足2幀/秒成像速度的數(shù)據(jù)上傳的要求。從而為新一代EIT系統(tǒng)的建立奠定了基礎(chǔ)。

9、
　　3)供電電源對EIT系統(tǒng)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(tǒng)選用線性電源進行供電。為了使EIT監(jiān)護系統(tǒng)將來能適于野外或急救運輸設(shè)備等無外接電源的場合，本研究考慮了電池作為系統(tǒng)電源的選擇方案；同時，為了探索進一步降低EIT硬件系統(tǒng)體積和重量的方法，還考慮了采用開關(guān)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(yīng)的激勵信號的頻

10、譜；對三種直流電源供電條件下的數(shù)據(jù)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(jié)果進行比較。結(jié)果表明：（1）電池雜散的功率低于線性電源，而后者低于開關(guān)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(guān)系。（2）在三種電源分別供電下，使用電阻抗成像系統(tǒng)對定標板進行數(shù)據(jù)采集試驗，結(jié)果顯示：在激勵頻率的全頻段電池供電下的數(shù)據(jù)采集精度高于線性電源，而后者高于開關(guān)電源；在低頻段，三種電源供電下的數(shù)據(jù)采集精度符合以

11、上關(guān)系，但差別不大；在高頻段，電池供電下的數(shù)據(jù)采集精度略高于線性電源，后者供電下的數(shù)據(jù)采集精度遠高于開關(guān)電源。從而驗證了直流電源對EIT硬件系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(zhì)量優(yōu)于線性電源，后者優(yōu)于開關(guān)電源。在低頻段，開關(guān)電源供電時的圖像質(zhì)量與另兩種電源供電時的差別微小