基于FPGA的生物电阻抗成像系统设计

根据电阻抗断层成像技术要求,设计了以Spartan3E系列XC3S500E FPGA为核心的16电极生物电阻抗成像系统,系统嵌入8 bit微处理器PicoBlaze实现逻辑控制并产生激励信号实现高速A/D采集及实现数字解调,通过RS232将采集数据传输到PC机,重建人体内部的电阻率分布或其变化图像。为广泛应用研究电阻抗断层成像技术提供一种硬件设计方案。     

电阻抗断层成像的神经网络模型

由于传统的电阻抗断层成像算法成像速度慢、且在某些情况下得到的图像无法反映敏感场的真实阻抗分布,本文提出了两种基于不同神经网络(BP神经网络和RBF神经网络)的电阻抗图像重建模型及其成像算法.结果表明,基于神经网络模型的成像算法从成像质量和速度上均优于传统的成像算法.     

电阻抗成像系统的设计

介绍了电阻抗成像系统,该系统以PC机作为上位机,用来进行可视化控制、实时成像显示操作鸦下位机采用高速单片机,控制电极选通、数据采集及预处理,并与PC机进行通讯;采用直接数字频率合成穴DDS雪技术产生高精度激励信号源,用相敏解调方法实现高质量数据获取。实验结果表明该系统能达到电阻抗成像(EIT)的性能要求。     

电阻抗成像的数据采集系统

简要介绍了电阻抗成像的基本原理，着重阐述了该系统的数据采集电路的设计，提供了一种双路同时采集数据的方法。     

位图方法在电阻抗断层成像中的应用

借助插值方法根据有限元节点数据计算出需要显示图像的像素点数据,通过位图方法将结果显示与后处理应用于电阻抗断层成像系统中,实现了一种在Windows环境下基于有限元方法重构的电阻抗断层成像显示处理的新方法。此方法的实现简单可行、结果可靠。     

一种改善空间分辨率的电阻抗成像技术

电阻抗断层功能成像技术(Electrical Impedance Tomography简称EIT),是当今生物医学工程学重大研究课题之一,它是通过对物体表面电压、电流的测量来重建物体内部阻抗分布或变化的一种新颖的医学成像技术.它是继形态、结构成像之后,于近20年才出现的新一代无损伤功能成像技术.本文介绍了电阻抗成像技术的基本原理及研究的现状,针对成像技术中所需的有限元方法,采用了对某一物体内部阻抗变化的位置进行局部细化剖分,再重建出物体内阻抗分布图象的成像方法.这种方法不仅能减少重建算法的计算量,且能提高阻抗图象的空间分辨率.实验结果表明这种方法是可取的.     

高精度电阻抗断层成像数据采集系统

针对电阻抗断层成像技术对电阻抗信号采集精度的要求,建立了一个高精度的数据采集系统.该系统主要由一个基于数字合成技术的可编程激励电流源和一个基于正交序列数字解调法的边界电压采集模块共同构成.系统可以在1～190 kHz之间编程选择激励电流的频率,并可在0～1.25 mA之间编程设定输出幅度以满足人体测量的安全要求.系统可同时检测出边界电压的幅值和相位信息.工作频率范围内,系统的共模抑制比高于75 dB,相对测量精度优于0.02%.     

一种快速电阻抗成像方法及其灵敏度研究

该文介绍了一种基于等位线反投影算法的快速电阻抗断层成像方法，并实现了一种以等位线反投影算法为基础的实用动态电阻抗断层成像方法，分别研究了简单、复杂场域电导率分布下，该重建算法对场域内目标的定位精度及其对场域内部电导率分布变化的灵敏度。研究结果表明：该重建算法可以准确对目标进行定位，而且成像速度快，具有一定的分辨率，对场域内电导率分布的变化具有较好的灵敏度，但该重建算法的图像分辨率仍有待进～步提高。该快速电阻抗成像方法非常适合于对脑血肿、脑水肿患者的实时图像监护，以帮助医生及时做出正确的诊断，这在医学上有着重要的意义。     

无解调电阻抗成像方法研究

探讨了正交序列数字解调算法中参考信号与测量信号频率不一致引起的解调结果不准确影响成像质量的问题,提出无需数字解调直接提取幅值进行电阻抗成像的方法：通过多次采样比较和算术平均滤波法获取幅值进行EIT成像。通过构建以FPGA为核心控制器的EIT系统,验证了直接提取阻抗幅值方法的可行性。实验结果表明：系统测量精度达0.082%,信噪比为60.3 dB,能准显示物体的大小和位置,空间分辨率达到0.29%,验证了方法的可行性,提高了数据采集精度和系统的稳定性,改善了图像成像质量,该方法为EIT技术的完善及系统性能的提升提供了一种有效的解决方案。     

在ARM处理器上设计FIR低通滤波器

滤波器是电阻抗成像（Electrical Impedance Tomography,EIT）硬件系统的重要组成部分。为降低电阻抗成像硬件系统的成本,使用最佳方法（即切比雪夫最佳一致逼近法）设计FIR低通滤波器,通过Matlab仿真验证后在ARM处理器Cortex-M3上实现。实验表明,该方法设计的滤波器能够满足电阻抗成像系统的要求,具有成本低、功耗低、开发周期短的特点。     

电容耦合电阻层析成像并行电阻测量原理研究

传统的电阻层析成像(ERT)系统的电极与被测介质直接接触,容易产生电极极化、电化学腐蚀等问题,近年来出现的电容耦合非接触电导测量技术与ERT技术相结合的电容耦合电阻层析成像系统提出了一种新的非接触测量方法来解决此问题。但是目前该系统的电阻测量原理决定了其测量模式是串行的,成为限制系统数据采集速度的一个重要因素。针对该问题,本文引入了新的测量模型,提出了并行电阻测量原理,实现了数据采集系统,大大提高了系统速度。本文主要研究内容包括:分析了新型传感器的测量模型,提出了新的电阻求解方法;利用有限元法获得了新测量模型下管道内灵敏场分布;研制了相应的12电极样机系统。初步实验测试结果表明,该系统在具有较好测量精度的同时,其数据采集速度可达120帧/s,有效提高了电容耦合电阻层析成像系统的实时性。     

基于电阻抗原理的水质快速检测系统

介绍了一种基于电阻抗原理的水质快速检测系统。高速微控制器实现电极选通、数据采集并与PC机进行数据通信;PC机作为主控机控制下位机工作,并通过GPRS模块实现远程数据通信。实验结果表明:该系统基本满足对水质检测的性能要求,通过对系统软硬件的进一步改进和完善,可望实现对工业废水实时快速检测的目标。     

基于双极性脉冲电流技术的电阻层析实时成像系统

提出了一种采用新的激励方法的电阻层析实时成像系统.该系统采用双极性脉冲电流激励模式,避免了直流激励下的介质电极化现象.相对于采用交流激励模式的电阻层析成像系统,新系统结构简单,大大地简化了比较耗时的滤波器环节,数据的采集速度显著提高.实验结果表明,电阻层析实时成像系统每秒可采集150帧以上的图像数据,采用灵敏度系数算法可实现每秒30帧实时成像.     

基于同步测量的电阻抗层析成像系统研究

针对APT模式EIT系统存在的异步测量、结构复杂、调试困难等问题,研究设计了一种基于同步测量的电阻抗层析成像系统,从硬件和软件两个方面阐述了如何实现同步测量.系统硬件由PXI集成控制器、开关模块、数据采集模块和自制电流源组成,简化了系统结构,提高了系统的稳定性和精确度.本系统采用LabVIEW开发了专用软件包,实现了信号的同步采集,并用改进正则化算法重建了电导率分布图像.对比实验显示了同步测量和异步测量的差异,结果表明同步测量EIT系统图像更清晰,伪影更少,平均相对误差降低了48.99%.本文提供了一种可行的EIT系统同步测量方法,该方法适用于多电极(电极数≥16)场域的无损伤成像应用.     

一种改进的电阻层析硬件系统设计

针对目前电阻层析成像(ERT)系统激励产生和数据采集较复杂的问题,实现了一种改进的单电极激励ERT硬件系统。采用微控器控制DAC芯片产生脉冲电压信号驱动精密电压/电流转换电路产生双极性脉冲电流激励,同时控制ADC芯片完成数据同步采集。该方法简化了激励信号的产生,不需要数据同步采集的控制模块,具有电流激励可调的特点。实验结果表明,改进的16电极ERT系统在简化设计的同时可实现208帧/秒的数据采集速度,满足实际应用要求。     

基于DSP的数字化电容层析成像系统

由于电容层析成像技术中模拟滤波和解调环节对采集速度和精度的影响,本文提出电容层析成像系统数字化方案,设计以高速数字信号处理器为核心的12电极高速数据采集和处理系统,利用FPGA实现数字滤波和数字解调,构建了全新的数字化ECT系统.理论分析和实验表明,该系统数据采集和处理速度快,抗噪声性强,完全满足ECT成像实时性要求,精度也有一定的提高.     

一种基于感光干膜-铟锡氧化物电极的简易细胞阻抗传感器实现细胞形态学和阻抗信息同时检测

加工一种基于感光干膜-铟锡氧化物DFP-ITO( Dry Film Photoresist-Indium Tin Oxide)电极的细胞阻抗生物传感器并实现细胞形态学和阻抗信息同时检测。35μm厚的感光干膜层压在ITO导电玻璃表面上作为绝缘层,通过照相制版技术在感光干膜绝缘层上蚀刻不同直径圆孔;以DFP-ITO作为工作电极,通过夹具和测量小池与Ag/AgCl参比电极、Pt丝对电极相连构成三电极阻抗测量系统;考察了不同直径DFP-ITO工作电极阻抗谱特征;通过细胞粘附实验及细胞毒性实验考察了感光干膜细胞生物相容性;通过光学显微镜和阻抗谱技术分别对接种在DFP-ITO电极上人肺癌细胞株A549粘附、增殖过程中的形
　　态学和阻抗信息进行检测和分析。研究结果发现不同直径DFP-ITO电极具有相似的阻抗特性;充分固化的感光干膜表面适宜A549细胞粘附且无明显的细胞毒性;基于DFP-ITO电极构建的细胞阻抗传感器能够通过光学显微镜获取A549细胞形态学数据,同时通过阻抗谱技术能够解析A549细胞粘附、增殖过程中的细胞质膜电容、细胞-细胞间隙电阻、细胞-ITO电极间隙电阻变化。本文发展了基于DEP-ITO电极的细胞阻抗传感器结构简单,可实现细胞形态学和阻抗信息的双通道获取,未来可用于细胞生理病理学行为和药物细胞毒性研究。     

基于高输入阻抗放大器的EEG传感器设计

脑电（头皮脑电）图（EEG）是医疗上重要的诊断信息,目前非接触式干电极在采集EEG信号时具有使用简单、不易受环境约束的优点,具有着广阔的应用前景,已经成为全世界的热门研究课题。由于人体皮肤具有很高的阻抗,故要求非接触式干电极具有高输入阻抗。为了提高输入阻抗,采用深度电压串联负反馈来实现超高输入阻抗放大电路,并给出电路的设计和分析。深度电压串联负反馈的前置放大器能提供高达2.6×1011Ω的输入阻抗,有助于非接触式干电极进行信号的采集。     

基于多周期欠采样技术的生物电阻抗成像硬件系统

生物医学研究表明,人体组织复阻抗的实部和虚部均包含着丰富的生理和病理信息,而复阻抗的虚部信息很微弱,不易提取,要求激励频率达到1 MHz以上,提取出虚部信息,从而提高诊断准确性。针对该问题,本文设计了一种基于CAN总线的生物电阻抗成像系统硬件电路,使激励信号的频率扩至10 MHz。电路中采用数字合成器AD9852为各数据采集单元提供统一的时钟信号,采用16位1MSPS的模数转换器AD7677以及多周期欠采样技术对高频段波形采集信号,最后利用数字相敏解调技术获取复阻抗的实部和虚部信息。