动态电阻抗层析成像系统设计

摘要

电阻抗层析成像（Electrical Impedance Tomography，简称EIT）技术是近几十年新出现的一种新型无损功能成像技术。其基本原理是根据人体内不同组织器官在不同生理或病理状态下具有不同阻抗的特点，通过配置体表电极阵列施加一定频率的低幅交变安全电流，并通过扫描电极测量电压数据，重建被测组织或器官的断层部分图像，从而提取与人体生理、病理状态相关组织或器官的电特性信息。由于该技术具有无辐射、非侵入、响应快、成本低廉以及可视化等优点，在生物医学领域具有广阔的应用前景。
　　本文主要以人体肺功能成像为研究对象进行了动态电阻抗层析成像系统硬件方面的开发工作。该系统主要采用了ARM和FPGA相结合的双核心控制方案，实现了测量数据的高精度和高速度采集，获得的数据经过算法处理后传送至上位机并进行图像重建。论文主要完成了以下工作:
　　首先，现有EIT系统因存在速度低和采样精度低的问题，无法满足肺功能的动态成像需求。本文设计了以ARM和FPGA为核心的硬件平台，FPGA控制采集芯片完成了数据的高精度和高速率采集;ARM作为主控芯片完成了多路选通模块的通道选通，同时采用TCP/IP通信协议完成了与上位机之间的数据高速传输。两者结合，充分发挥了FPGA运行速度快和ARM外设资源丰富的优势，满足肺功能动态成像的采集。
　　其次，通过对多种EIT系统硬件方案的分析，针对集成模拟电子开关芯片导通电阻大，动态范围小的问题，采用光耦继电器构建多路选通矩阵开关模块，实现激励和测量通道的选通任务，具有速度快、灵活性高、传递信号效果好、失真小等优点。
　　经试验测试，本文所设计的系统具有较高的性噪比和良好的通道一致性，系统能够稳定工作，性能良好，证明了该系统用于肺功能动态成像的可行性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 电阻抗成像技术介绍

1．2 课题思路来源

1．3 国内外电阻抗层析成像技术的研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．3．3 现状分析

1．4 论文主要研究内容和章节安排

第二章 EIT成像理论基础

2．1 EIT敏感场的数学描述

2．2 EIT正问题

2．3 EIT逆问题

2．4 本章小结

第三章 EIT图像重建算法

3．1 灵敏度系数算法

3．2 共轭梯度(Conjugate Gradient)算法

3．3 Tikhonov正则化算法

3．4 仿真结果

3．4．1 仿真模型

3．4．2 仿真结果

3．5 本章小结

第四章 电阻抗层析成像系统的设计

4．1 系统的硬件组成及工作原理

4．2 激励源模块设计

4．2．1 DDS信号发生模块

4．2．2 压控电流源模块

4．3 多路选通模块设计

4．4 数据采集模块设计

4．4．1 AD采集电路设计

4．4．2 STM32和FPGA接口设计

4．4．3 数据通信的设计

4．4．4 STM32控制电路设计

4．4．5 FPGA控制电路设计

4．5 数据采集模块性能测试

4．6 软件系统设计

4．7 本章小结

第五章 成像系统性能验证

5．1 通道的一致性和性噪比分析

5．2 实时性与数据采集速度分析

5．3 EIT系统成像实验

5．3．1 新旧系统的EIT静态实验

5．3．2 混合分布成像实验

5．3．3 肺呼吸的模拟成像实验

5．3．4 动态成像实验

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢