李日輝，李雅寧 吳俊鵬，李偉波 高金武

中山大學(xué)工學(xué)院，廣東 廣州 510006

基于虛擬儀器的電阻抗斷層成像測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李日輝，李雅寧 吳俊鵬，李偉波 高金武

中山大學(xué)工學(xué)院，廣東 廣州 510006

電阻抗斷層成像技術(shù)是一種新興的功能性成像技術(shù)，數(shù)據(jù)采集和處理是電阻抗成像的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于虛擬儀器的電阻抗成像測(cè)量系統(tǒng)，闡述了如何快速搭建一個(gè)實(shí)用性強(qiáng)的測(cè)量系統(tǒng)。硬件設(shè)計(jì)方面使用美國(guó)NI公司的DAQ數(shù)據(jù)采集卡作為核心，簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度。軟件方面使用LABVIEW進(jìn)行激勵(lì)-測(cè)量方式控制以及后期數(shù)據(jù)處理。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性。使用虛擬儀器，為搭建高性能、擴(kuò)展性強(qiáng)的電阻抗斷層成像系統(tǒng)提供了一個(gè)新的方式。

虛擬儀器；電阻抗成像測(cè)量系統(tǒng)；LABVIEW

0 前言

電阻抗斷層成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）技術(shù)，是基于生物組織電學(xué)特性（如電導(dǎo)率）的不同，通過給生物體注入一定的安全激勵(lì)電流（或電壓）信號(hào)，測(cè)量生物體的體表電壓（或電流）信號(hào)來重建人體內(nèi)部的電阻抗分布。EIT作為一種新的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，具有無損傷、功能成像和醫(yī)學(xué)圖像監(jiān)護(hù)三大突出優(yōu)勢(shì)[1-2]。在近年來受到國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并呈現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景[3-4]。

在目前的電阻抗成像系統(tǒng)中，大多都是基于DSP和FPGA的協(xié)調(diào)工作來采集數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)，把處理后的數(shù)據(jù)送到PC機(jī)進(jìn)行圖像顯示[5,6]。但是這種基于硬件為主的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常硬件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，以求達(dá)到較高的穩(wěn)定性和精度。因此本文將虛擬儀器引入到了電阻抗斷層成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）以硬件系統(tǒng)為基礎(chǔ)，借助于計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)建立測(cè)試與控制系統(tǒng)。用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需求，通過修改軟件來設(shè)計(jì)自己所需的儀器系統(tǒng)。其“軟件即儀器”的設(shè)計(jì)思想，讓設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單高效，且精度高、可移植性強(qiáng)、有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析處理能力。使用虛擬儀器，為搭建高性能、擴(kuò)展性強(qiáng)的電阻抗斷層成像系統(tǒng)提供了一個(gè)新的方式。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由激勵(lì)模塊、多通道模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和LABVIEW主控模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 EIT系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)的工作原理為：首先由LABVIEW主控模塊輸出一定頻率（約10～500 kHz），振幅為1 V的正弦電壓信號(hào)，由激勵(lì)模塊的電壓/電流轉(zhuǎn)換電路（Voltage Controlled Current Source）把正弦電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成同頻率的正弦電流信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)由多通道開關(guān)控制的激勵(lì)通道通過電極注入待成像目標(biāo)。由多通道開關(guān)控制的測(cè)量通道通過電極提取兩路測(cè)量的電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器后進(jìn)入前置差分放大器進(jìn)行差分放大，隨后再次經(jīng)帶通濾波器濾除干擾信號(hào)后通過運(yùn)算放大器進(jìn)行二級(jí)放大，經(jīng)由交流轉(zhuǎn)直流芯片后變成直流信號(hào)，最后由數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)并傳輸?shù)接蒐ABVIEW主控模塊，在LABVIEW里面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析及存儲(chǔ)。

1.2 激勵(lì)源

生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)中普遍采用電流源作為激勵(lì)[7]。由于LABVIEW產(chǎn)生的電壓信號(hào)精度高，且干擾噪聲較少，所以本系統(tǒng)采用LABVIEW產(chǎn)生一定頻率的正弦電壓信號(hào)，然后利用電壓/VCCS電流轉(zhuǎn)換電路）把該電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。系統(tǒng)采用的VCCS如圖2所示。

圖2 電壓/電流轉(zhuǎn)換電路（VCCS）

1.3 多通道開關(guān)

多通道開關(guān)的選擇主要考慮以下幾個(gè)參數(shù)：通道的數(shù)量、導(dǎo)通電阻、通道一致性、導(dǎo)通速度[8]。本系統(tǒng)采用的電極陣列為16電極，因而選用16選1的模擬多路開關(guān)ADG1606（美國(guó)ADI公司生產(chǎn)），導(dǎo)通電阻典型值為4.5 Ω，通道間的電阻匹配誤差為0.5 Ω，開關(guān)時(shí)間＜214 ns，且其通道間串?dāng)_＜-62db，導(dǎo)通時(shí)對(duì)地漏電流＜0.3 nA。通道的選取由LABVIEW編程直接控制。

1.4 信號(hào)測(cè)量和調(diào)理

從成像目標(biāo)測(cè)得的感應(yīng)電壓信號(hào)的基本特征是信息量大、信噪比低、信號(hào)微弱、并伴有較大的共模干擾等[9-10]，為有效地提取信號(hào)帶來了困難。

本系統(tǒng)對(duì)測(cè)得電極對(duì)上的電壓信號(hào)采用二級(jí)放大方法。從測(cè)量電極對(duì)上提取出的兩路電壓信號(hào)經(jīng)過電壓跟隨電路處理后的通過一個(gè)帶通濾波器濾除原始信號(hào)中的干擾信號(hào)。選用的濾波器是美信公司的MAX263，濾波后的信號(hào)由AD624進(jìn)行前置差分放大。

經(jīng)過AD624放大的信號(hào)再次使用MAX263進(jìn)行帶通濾波，然后經(jīng)過OP07再一次進(jìn)行放大。研究表明生物組織的電特性在10～300 kHz的范圍內(nèi)表現(xiàn)比較豐富[11]，而在該范圍內(nèi)阻抗的虛部信息很微弱，因此本系統(tǒng)不對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，而是利用交流轉(zhuǎn)直流芯片AD637將OP07放大后的交流信號(hào)轉(zhuǎn)為直流信號(hào)，直接求得阻抗信號(hào)的真有效值（RMS）。RMS的計(jì)算公式如下：

其中，VPEAK為輸入信號(hào)的峰峰值。

1.5 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)選用了美國(guó)NI USB-6341作為數(shù)據(jù)采集卡，基于USB進(jìn)行通訊，使得系統(tǒng)在軟、硬件接口方面具有良好的適應(yīng)性。USB-6341主要的功能和參數(shù)如下：

（1）模擬輸入：具有16路單端輸入通道，8路差分輸入通道數(shù)，16位AD采集，采樣率最高達(dá)500 KS/s，模擬輸入最大的電壓范圍是（-10～10 V）。本系統(tǒng)采用參考地單端輸入的模擬信號(hào)輸入方式，把下位機(jī)的電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，從而為后續(xù)的數(shù)字化處理提供數(shù)據(jù)。16位的AD可以保證系統(tǒng)能夠檢測(cè)到mV級(jí)別的電壓變化量，從而提高了測(cè)量的精度，使得系統(tǒng)的成像精度得到了很高的提升。

（2）模擬輸出：具有2路模擬輸出通道，分辨率16 bits，最大模擬輸出電壓范圍是（-10～10 V）。傳統(tǒng)的電阻抗系統(tǒng)產(chǎn)生恒流源的方式是使用一個(gè)直接數(shù)字式頻率合成（Direct Digital Synthesizer，DDS）芯片來產(chǎn)生正弦電壓信號(hào)，而利用LABVIEW控制板卡的模擬輸入恒定的正弦電壓信號(hào)，不僅省去DDS芯片的使用，還能保證激勵(lì)信號(hào)的穩(wěn)定性和精度。

（3）數(shù)字I/O：24路雙向通道，最大時(shí)鐘速率為10 MHz，邏輯電平TTL。本系統(tǒng)使用16路的數(shù)字I/O，主要用于上位機(jī)控制測(cè)量和輸入通道的通信。10 MHz的時(shí)鐘速率可以保證上位機(jī)能夠及時(shí)快速的控制多通道開關(guān)，從而高效的控制不同激勵(lì)和測(cè)量通道的切換，確保系統(tǒng)的精度。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于LABVIEW語言開發(fā)了電阻抗測(cè)量系統(tǒng)的主控模塊。主控模塊主要包括兩個(gè)部分：激勵(lì)-測(cè)量控制模塊和數(shù)據(jù)分析處理模塊。

2.1 激勵(lì)-測(cè)量控制模塊

激勵(lì)-測(cè)量控制模塊主要用于精確控制激勵(lì)電流注入目標(biāo)的電極和測(cè)量目標(biāo)邊界電壓的電極。本系統(tǒng)采用16電極通道，根據(jù)需要，可以從操作界面上直接輸入任意一對(duì)激勵(lì)電極和任意一對(duì)測(cè)量電極的編號(hào)進(jìn)行測(cè)量，也可以在用戶界面設(shè)置相鄰激勵(lì)-相鄰測(cè)量、相對(duì)激勵(lì)-相鄰測(cè)量等不同的激勵(lì)-測(cè)量的方式，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)完成不同方式的測(cè)量任務(wù)。此外，用戶還能夠隨時(shí)調(diào)整激勵(lì)電流的大小和頻率，實(shí)現(xiàn)混頻測(cè)量的功能。激勵(lì)-控制模塊完成相鄰激勵(lì)-相鄰測(cè)量的程序流程如圖3所示。

圖3 相鄰激勵(lì)-相鄰測(cè)量的程序流程圖

2.2 數(shù)據(jù)分析處理模塊

數(shù)據(jù)分析處理模塊的主要功能將數(shù)據(jù)采集卡采集到的信號(hào)進(jìn)行分析和處理。該模塊每一次測(cè)量均采集若干個(gè)點(diǎn)求均值后作為本次測(cè)量的測(cè)量值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用基于物理模型的方法來驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量的通道一致性[12]，實(shí)驗(yàn)環(huán)境和系統(tǒng)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)中使用16電極系統(tǒng)，電極使用寬銅電極，每個(gè)電極的尺寸是15 mm×25 mm。同時(shí)在直徑為30 cm、高為45 cm的圓柱形水槽中盛有電導(dǎo)率為30 mS/cm的生理鹽水，采用相鄰激勵(lì)-相鄰測(cè)量的方式進(jìn)行測(cè)量，系統(tǒng)的通道一致性如圖5所示。從圖中可以看出系統(tǒng)測(cè)量的通道一致性驗(yàn)證符合預(yù)期，精度較高。

圖4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境和系統(tǒng)

圖5 系統(tǒng)通道一致性驗(yàn)證

4 總結(jié)

本文介紹了以虛擬儀器為核心，構(gòu)建具有簡(jiǎn)單硬件結(jié)構(gòu)的電阻抗成像系統(tǒng)，在簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。采用NI的USB-6341數(shù)據(jù)采集卡，不僅使系統(tǒng)能夠及時(shí)處理大量數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度，而且能夠縮短搭建系統(tǒng)的時(shí)間。在控制方面，基于LABVIEW的主控模塊可以方便控制激勵(lì)-測(cè)量模式和激勵(lì)信號(hào)的大小和頻率，從而易于開發(fā)出多頻測(cè)量系統(tǒng)。

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Design of Electrical Impedance Tomography Measuring System based on Virtual Instrument

LI Ri-hui, LI Ya-ning WU Jun-peng, LI Wei-bo GAO Jin-wu
School of Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou Guangdong 510006, China

Electrical impedance tomography (EIT) is a new kind of functional imaging technique. Data acquisition and processing are essential for the EIT. This paper presents a measuring system for EIT based on virtual instrument and explains how to build up a practical EIT system quickly. A data acquisition card is the core of the hardware system which simplifes the hardware structure of the system as well as improving the stability and accuracy of the system. The LABVIEW is applied to control the stimulation-measurement mode and data processing. A preliminary experiment has been taken to verify the practicability of the system. The EIT system based on virtual Instrument provides a new way to establish a high-performance and fexible EIT system.

virtual instrument; EIT measuring system; LABVIEW

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.03.004

1674-1633(2014)03-0011-03

2013-12-14

廣東省自然科學(xué)基金博士啟動(dòng)（S2012040007715）；大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（1055813028）資助。