多频电阻抗成像硬件系统研究和设计

摘要

电阻抗成像技术是依据生物组织内部阻抗变化情况，通过向附着在生物组织表皮上的电极片施加激励电流信号，测量并处理得到的微弱电压信号，利用相关图像重构算法来反应出生物组织内部的阻抗分布，在生物病理检测以及临床医疗诊断等方面具有很好发展应用前景的一种成像技术手段，并且具有伤害性小、可动态检测、造价低廉等诸多优点，一直以来都是国内外众多科研小组的研究热点。多频电阻抗成像技术中激励信号源的频率可以动态地进行调节，扩大了电阻抗成像技术的应用场合，并可以获取更为丰富的生物组织阻抗信息。 本文设计了多频电阻抗成像硬件系统的中各个模块，采用高性能的集成芯片来搭建具体硬件电路，实现了以FPGA＋单片机作为控制核心处理器的多频电阻抗成像硬件系统，其工作频率范围在10KHz～100KHz之间，并编写了相应的软件控制程序，使得多频电阻抗成像硬件系统能够平稳、流畅、有效地运行。主要工作内容如下： （1）实现了基于FPGA的多频信号源，该信号源可以同时产生激励信号以及后续模拟解调技术中所需的参考信号，激励信号与参考信号的频率一致，其初始相位差始终保持在90°，有效地克服了以往使用移相电路来进行相位翻转过程中存在的元器件参数误差的缺点，为多频电阻抗成像硬件系统提供了良好的精度。 （2）设计了多频电阻抗成像硬件系统其它组成部分，主要包括：改进的Howland电流源电路、16通道多路开关电路、电压跟随电路、高精度差分放大电路、可调增益放大电路、带通滤波电路、模拟解调电路、16位A/D模数转换电路以及电源转换电路，并采用FPGA＋单片机作为核心控制处理器，两路控制器独立工作，互不干扰，使得整个硬件系统具有很好的工作性能，并能够有效地提升信号采集处理的速度。 （3）研究了现有解调技术中的开关解调、乘法解调的基本解调原理，设计并实现了开关解调以及乘法器解调所需的硬件电路，利用多频信号源生成的两路正余弦电压信号分别作为参考信号，可以获取得到生物组织阻抗实部以及虚部信息。 （4）测试了系统各个组成模块的性能以及实验物理模型的通道一致性，将一定浓度的生理盐水倒入实验物理模型内，并利用多频电阻抗成像硬件系统采集得到的相关电压数据，测试在不同频率电流激励信号注入下系统通道一致性问题，最后在实验物理模型内部放置不同的实验对象，并通过相关图像重构算法得到其内部的成像结果。

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