基于ARM的32電極電阻抗成像系統(tǒng)設(shè)計

饒水發(fā)，戎 舟

(南京郵電大學 自動化學院，江蘇 南京 210023)

基于ARM的32電極電阻抗成像系統(tǒng)設(shè)計

饒水發(fā)，戎 舟

(南京郵電大學 自動化學院，江蘇 南京 210023)

電阻抗成像是一種新型的醫(yī)學成像技術(shù)，在生物信息檢測與成像方面具有廣闊的應(yīng)用前景。針對現(xiàn)有電阻抗成像系統(tǒng)采集速度不高、實時性較低、分辨率不理想的情況，進行了改進設(shè)計。采用ARM處理器構(gòu)建嵌入式電阻抗成像系統(tǒng)，搭建32電極物理模型作為檢測對象，利用32通道多路開關(guān)實現(xiàn)激勵電流和電壓采集通道的切換，向模型中注入激勵電流信號并通過前置濾波、兩級放大等信號處理技術(shù)獲得成像數(shù)據(jù)。采用敏感矩陣算法對有無目標時的數(shù)據(jù)差值進行圖像重建。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的成像效果，分辨率高，能有效地實現(xiàn)對目標區(qū)域的檢測。

電阻抗成像；ARM處理器；32電極物理模型；32通道多路開關(guān)；兩級放大；敏感矩陣算法

0 引 言

電阻抗成像技術(shù)(Electrical Impedance Tomography，EIT)是利用生物體內(nèi)電阻率的分布實現(xiàn)目標成像的一種新型醫(yī)學成像技術(shù)[1]。由于EIT技術(shù)不使用核素或射線，對人體無損無害，可以多次測量，加之其成本低廉，無需特殊的工作環(huán)境等，因而具有理想的、誘人的應(yīng)用前景[2]。它通過相應(yīng)的電極系統(tǒng)對生物體注入激勵電流信號，從電極上獲得電壓信號，采用特定的算法重建出反應(yīng)生物體內(nèi)部電特性的圖形，從而獲得生物體內(nèi)部組織器官的結(jié)構(gòu)和功能等相關(guān)信息[3-4]。

1995年，第一臺動態(tài)電阻抗實時系統(tǒng)在英國皇家醫(yī)院建立，用于人體肺、胃、大腦等不同部位的臨床成像基礎(chǔ)研究[5]。2008年，英國Oxford Brookes小組研制出OXBACT-5成像系統(tǒng)，具有16通道的多頻正弦激勵源，可以對慢性心臟衰竭進行監(jiān)護[6]。目前世界上有美國、英國、德國、印度等三十多個科研小組都在進行EIT技術(shù)的研究工作。國內(nèi)對電阻抗成像領(lǐng)域的研究相對較晚，距離國外的研究水平尚有一定的差距。各個研究機構(gòu)一直在致力于電阻抗成像技術(shù)的成像算法、硬件系統(tǒng)、電極數(shù)目、物理模型等的研究，試圖開發(fā)一種適用于臨床醫(yī)學診斷與監(jiān)測電阻抗成像系統(tǒng)。

EIT系統(tǒng)的采集精度不僅依賴于成像算法的準確度與有效性，而且取決于硬件系統(tǒng)的精度。提高系統(tǒng)各個模塊的精度，構(gòu)建良好的物理模型，能有效提高系統(tǒng)的整體性能和采集精度。為提高系統(tǒng)的采集速度、圖像成像質(zhì)量與分辨率，文中對電阻抗成像系統(tǒng)進行了改進設(shè)計。

1 EIT系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

EIT系統(tǒng)的設(shè)計要求穩(wěn)定可靠，能夠?qū)吔珉妷盒盘栠M行有效的處理，盡可能減少激勵和檢測電路對原始信號的影響，從而獲得準確的成像數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的采集精度不僅依賴于成像算法的準確度與有效性，而且取決于硬件系統(tǒng)的精度和數(shù)據(jù)采集量。

文中從系統(tǒng)設(shè)計的思想出發(fā)，以提高系統(tǒng)的精度和性能為目的進行了改進設(shè)計。32電極物理模型與16電極相比，提高了數(shù)據(jù)采集量，但系統(tǒng)控制與實現(xiàn)更為復雜。因此采用ARM處理器構(gòu)建嵌入式電阻抗成像系統(tǒng)，能有效地對32通道的多路開關(guān)進行激勵電流和電壓采集通道的切換，使系統(tǒng)具有較高的性能和采集速度。

高精度信號發(fā)生器產(chǎn)生的電壓信號由霍蘭德電流源轉(zhuǎn)換為電流注入到物理模型中；前置濾波電路濾除電壓采集信號的噪聲和直流信號，采用儀表放大器和可變增益放大電路對信號進行兩級放大，然后由四階帶通濾波器和相敏解調(diào)進行信號處理，16位A/D將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；ARM處理器控制整個系統(tǒng)的運行，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送至PC機，最后利用敏感矩陣算法實現(xiàn)圖像重建。

EIT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 EIT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 激勵電流源

為了能有效地獲得生物體實部和虛部的阻抗信息，激勵信號的頻率范圍一般為0～1 MHz。EIT系統(tǒng)要求電流源具有較高的輸出阻抗，不隨負載的變化而變化，具有較好的穩(wěn)定性和較小的相位漂移。電流源對于EIT系統(tǒng)具有非常重要的作用，直接影響到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度。因此采用霍蘭德電流源，與其他電流源相比，具有較好的性能和精度，符合電阻抗成像系統(tǒng)的要求[7-8]。

霍蘭德電流源電路如圖2所示。

圖2 霍蘭德電流源電路

電路中的負載阻抗為：

RL=VL/IL

(1)

式中：RL為負載阻抗；VL為負載兩端的電壓；IL為通過負載的電流。

在理想情況下，當R1、R2A+R2B、R3、R4滿足下式時，可以獲得無限大的輸出阻抗。

(R2A+R2B)/R1=R4/R3

(2)

此時，負載電流IL的值為：

IL=[(R2/R1)/R2B]VI

(3)

其中，R2=R2A+R2B。

當輸入電壓信號有效值為1V時，為了產(chǎn)生有效值1mA的電流，選擇電阻R1=R3=R4=2kΩ，R2A=R2B=1kΩ。設(shè)置C1=C2=0.1pF，CC=7pF作為AD8021的補償電容可獲得較高的帶寬增益，并能有效地防止高頻電路發(fā)生振蕩。

1.3 32通道多路開關(guān)

由于EIT激勵電流和測量信號皆為微弱信號，要求多路開關(guān)之間的串擾要小、導通電阻的一致性要好，通道間具有較好的隔離性能、較小的導通電阻和分布電容，并能有效實現(xiàn)通道間的切換[9-10]。在EIT中，相鄰激勵-相鄰測量方式應(yīng)用最為廣泛。例如：1、2電極激勵，測量3、4，4、5，…，31、32的電壓；2、3電極激勵，測量4、5，5、6，…，32、1的電壓……共可獲得29*32=928個電壓數(shù)據(jù)。

采用32通道多路開關(guān)實現(xiàn)32電極系統(tǒng)，降低了以往16通道多路開關(guān)MAX306并聯(lián)實現(xiàn)32通道的復雜性，比模擬矩陣開關(guān)更容易控制，具有更好的性能。因此采用32選1的精密CMOS模擬多路復用器ADG732，各通道的導通電阻為4 Ω，導通電阻平坦度為0.5 Ω，開關(guān)時間為30 ns。它具有較小的導通電阻和分布電容，較好的隔離性能，導通電阻的一致性好，因此符合電阻抗成像系統(tǒng)的要求。ADG732根據(jù)5位二進制地址線A0-A4所確定的地址，將32路輸入S1-S32之一切換至公共輸出D。

ARM處理器S3C2440的GPD0～GPD9作為控制4片32通道多路開關(guān)的A4A3A2A1A0引腳，GPD10、GPD11分別作為SN73HC573的使能引腳，采用鎖存器鎖存I/O口信號，減少了控制I/O口的數(shù)量。使用2片構(gòu)成32選2的激勵電流選通電路，另外2片構(gòu)成電壓數(shù)據(jù)測量選通電路，ARM處理器能有效地對其進行控制及切換，性能穩(wěn)定可靠。32通道多路開關(guān)測量選通電路如圖3所示。

圖3 32通道多路開關(guān)測量選通電路

1.4 信號采集與處理技術(shù)

由于注入電極的電流信號很小，峰峰值一般只有1～5 mA，所以從電極上測得的電壓信號十分微弱，電壓峰峰值一般為幾毫伏到幾十毫伏[11]。電壓信號的正負端分別從兩個電極上獲得，由于單個電極上的電壓信號具有較大的噪聲干擾和直流分量，因此采用前置高通濾波電路進行濾除[12]。若直流分量不消除，經(jīng)放大器放大后會使后續(xù)電路不工作，電壓信號的正負端分別經(jīng)前置高通濾波電路后差分輸入至AD624。AD624是一款高精度、低噪聲儀表放大器，僅需一個外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1～10 000，最大非線性度為0.001%，具有較高的共模抑制比(CMRR)，較高的輸入阻抗和較小的輸入偏置電流，能有效降低測量模塊對待測物體內(nèi)部電流分布的影響，非常適合用于高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

AD624在放大倍數(shù)超過50倍后，信號的精度會減小，性能有所下降，需要將信號進行二級放大。因此采用PGA205實現(xiàn)可變增益放大電路，PGA205具有1、2、4、8四個增益選項，可程序控制A1、A0引腳電平來改變增益。信號兩級放大提高了電壓采集信號的放大倍數(shù)和靈活性，有利于信號后續(xù)的處理。信號兩級放大電路如圖4所示。

圖4 信號兩級放大電路

信號放大后，通過四階帶通濾波器濾除采集信號中的無用信號和干擾噪聲，使波形更加純凈。然后經(jīng)過相敏解調(diào)電路得到電壓信號的實部信息和虛部信息。ARM處理器S3C2440通過控制16位A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并利用串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機。

2 敏感矩陣算法

圖像重建方式主要有兩種：靜態(tài)成像和動態(tài)成像。靜態(tài)成像利用某一狀態(tài)下測得的數(shù)據(jù)，通過圖像重建算法得到其電阻抗分布的絕對值。動態(tài)成像利用兩個不同狀態(tài)下測得數(shù)據(jù)的差值，通過圖像重建算法得到其電阻抗分布的相對值，如敏感矩陣法[13-14]。

文中采用敏感矩陣算法。該算法的優(yōu)點是測量數(shù)據(jù)中的干擾和噪聲信號可以在相減時得到消除，降低了對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度的要求，且它的誤差小、計算量少、圖像重建效果好。

設(shè)定生物體為一個閉合區(qū)域Ω，其電導率分布為σ，則邊界測量電壓和介質(zhì)電導率的變化有著線性敏感關(guān)系[14]。線性敏感關(guān)系用矩陣的形式表示為：

UP=SCP

(4)

式中：UP為邊界上各測量電極對上的電壓變化矢量；CP為閉合區(qū)域離散后各單元電導率的變化矢量；S為敏感矩陣。

S矩陣中的每個元素可表示為：

(5)

式中：i為第i次激勵測量的電極對，j為第j個剖分單元，含有u的量表示區(qū)域內(nèi)電導率均勻分布時的量；是當?shù)趇對激勵電極注入電流時，每個剖分單元具有的電位梯度；是當?shù)趇對測量電極注入電流時，每個剖分單元具有的電位梯度[15-16]。

測得邊界上電壓變化矢量，采用正則化方法求解線性敏感矩陣的逆，就可以得到區(qū)域內(nèi)各單元的電導率變化矢量。文中采用圖形化編程軟件LabVIEW實現(xiàn)敏感矩陣算法，不僅具有友好的用戶界面，而且使數(shù)據(jù)處理更加方便、實現(xiàn)較為容易。

3 實驗結(jié)果

文中采用一個圓柱形水槽作為生物體的物理模型，該水槽高10cm，直徑25cm，在水槽的內(nèi)壁同一高度等距安放32個長4cm，寬1cm的不銹鋼矩形電極。電極以最下方為1，逆時針進行1～32編號。不銹鋼矩形電極通過鱷魚夾連接至32通道多路開關(guān)，使電極便于拆卸和更換，具有良好的導電性，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，有利于獲取準確的實驗數(shù)據(jù)。

在水槽中盛放0.9%NaCI溶液(生理鹽水)，設(shè)置激勵電流信號的峰峰值為4mA、頻率為50kHz，采用相鄰激勵-相鄰測量的方式采集數(shù)據(jù)。在模型中未放入塑料棒時，進行一次空載數(shù)據(jù)的采集。然后在靠近電極24的位置放置一根高10cm，直徑5cm的塑料棒，采集一組連續(xù)的數(shù)據(jù)，最后利用敏感矩陣算法對單個目標的數(shù)據(jù)與空載數(shù)據(jù)的差值進行成像。單個目標成像圖如圖5所示。

在靠近電極24和電極8處分別放置一根直徑5cm和直徑3cm的塑料棒，同樣利用敏感矩陣算法對兩個目標的數(shù)據(jù)與空載數(shù)據(jù)的差值進行成像。兩個目標成像圖如圖6所示。

圖5 單個目標成像圖 圖6 兩個目標成像圖

由成像結(jié)果可知，圖中白色區(qū)域為塑料棒在模型中的位置，能準確顯示單個目標和兩個目標的相對位置和大小，而且偽跡和噪影較少，大大改善了電阻抗成像的成像效果和圖像質(zhì)量，具有較高的分辨率，能有效地實現(xiàn)對目標區(qū)域的檢測和定位。

4 結(jié)束語

文中采用ARM處理器、32通道多路開關(guān)、前置濾波、兩級放大等信號處理技術(shù)對現(xiàn)有電阻抗成像系統(tǒng)進行了改進設(shè)計，并實現(xiàn)了32電極電阻抗成像系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性、較高的精度和成像效果，能對目標區(qū)域進行正確的定位和檢測。

下一步的工作將改進成像算法，實現(xiàn)實時成像，推進電阻抗成像技術(shù)在臨床醫(yī)學上的應(yīng)用。

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Design of 32 Electrodes Electrical Impedance Tomography System Based on ARM

RAO Shui-fa,RONG Zhou

(College of Automation,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China)

Electrical impedance tomography is a new technique of medical imaging,which has a broad application prospect in biological information detection and imaging.In this paper,improved design is carried out in the case of low acquisition speed,poor real-time performance and unsatisfying resolution of the EIT system.In the experiment,an ARM processor is used to construct the embedded EIT system,the 32-electrode physical model is acted as a detection object，and the 32-channel multiplexer realizes the switching among electrode excitation and measurement channels.The excitation current signal injected into the model is passed through the pre-filter,two-stage amplifier and other signal processing technique to get imaging data,from which difference between existence and non-existence of the testing object is obtained.Further,image reconstruction of electrical impedance tomography is achieved through the sensitivity matrix algorithm.The experiment shows that the system has a good effect,and high resolution,and could effectively realize the detection of the target area.

electrical impedance tomography;ARM processor;32 electrodes physical model;32 channels multiplexer;two-stage amplification;sensitivity matrix algorithm

2015-08-22

2015-11-26

時間：2016-05-05

國家自然科學基金資助項目(61203213)

饒水發(fā)(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為電阻抗成像；戎 舟，副教授，博士，研究方向為虛擬儀器及網(wǎng)絡(luò)化測控技術(shù)、電阻抗成像等。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160505.0829.094.html

TP33

A

1673-629X(2016)06-0138-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.06.030