128电极电阻抗断层成像数据采集系统设计

赵立平，陈香才

(郑州大学物理工程学院，河南郑州450001)

0 引言

电阻抗断层成像(electrical impedance tomography，EIT)是生物电阻抗成像技术中的一种，是新一代更为有效的无损伤功能成像技术，是当今医学成像领域的重要研究课题之一。EIT通过排列在人体体表周围的电极，给人体施加小的安全驱动电流(电压)，在体外测量响应电压(电流)，进而重构人体相应层面电阻率分布的断层图像。EIT不使用核素或射线，对人体无害，操作简便，成像速度快，成本低廉，因而，在对病人进行长期、连续监护和医疗普查中具有十分重要的意义。

EIT技术目前存在的主要问题是成像分辨率较低，根本原因在于成像过程中的病态性。决定病态性及其程度的因素主要有以下3点:驱动模式、图像重构模型、图象重构算法［1］。EIT对成像目标施加激励电压或电流的方式、采集数据的量、精度、EIT非线性图像重构技术中的假设及限制条件与CT，NMR等其他成像系统相比具有更高的要求。

旋转电极法EIT［2］的思想是建立一个接近于匀强(简化分析条件)的电场，用实验的方法，拟合边界数据和电场中非均匀介质之间的关系，使非均匀介质电场的分布近似满足均匀介质电场分布的假设条件，解决非均匀介质电场的实际电流(电压)路径与均匀介质电场假设的电流(电压)路径不重合的问题。为了避开边沿电场分析的复杂性，采用测量激励电极电流的方法来获取测量数据，该方法易于分析出非均匀介质电场边界电极电流与均匀介质电场分布之间的影响关系［3］，进而修正非均匀介质电场的电流路径，使沿电流路径重构成像的方法趋于简单。

本文设计了具有128个电极的旋转电极法EIT数据采集系统。NIOSII软核处理器作为系统核心，实现快速复杂的电极旋转控制与数据采集，并将采集的数据传输到PC机中。该系统配合PC机中相应的图象重构算法，可进行旋转电极法EIT实验。

1 数据采集系统的设计

1.1 结构设计

随着激励电极数目的增加，为实现电极电气旋转、极性转换，数据采集的模拟开关数目也随之增加，大量、较长的引线会导致很多问题的产生［4］。本采集系统采用一体化设计，在物理模型主板上敷设铜箔镀金电极，保证形成的电场在各个方向上的一致性;用厚为8 mm、内径为110 mm的有机玻璃环覆盖电极之上，露出有机玻璃环内侧长1 mm，宽1.6mm的电极，作为形成电场的有效部分［5］，在有机玻璃环内注入盐水，构成断层盐水槽物理模型(该采集系统暂对一个断层进行实验，多断层可在此基础上扩展)。控制电极旋转、极性转换的模拟开关板卡通过插槽和排线分别与模型主板、NIOS II处理器模块和测量模块连接，以减小引线所带来杂散电容的影响。

1.2 电路设计

数据采集系统总体电路如图1所示，主要包括信号源、用于电极旋转、极性转换和电流检测的模拟开关、电流检测电路、NIOSII处理器控制电路等。

图1 数据采集系统电路结构框图Fig 1 Block diagram of circuit structure of data acquisition system

1.2.1 电极旋转与极性转换电路

根据电极旋转与极性转换及电流检测的要求，设计如图2所示的电路。

图2 电极旋转与极性转换电路Fig 2 Electrode rotation＆polarity conversion circuit

系统在NIOSII处理器控制下，通过模拟开关对关于模型中轴线对称的32对电极施加驱动电压，在模型中建立电场。考虑到边缘电场分布的复杂性，仅测量居中的16对电极上的响应电流。测量一组数据后，旋转电极，重新建立电场，让电流从不同的方向流过模型，继续该次的数据测量，直至旋转128次。电路中，P，CC，CP，ME分别为激励电极和电极旋转、极性转换控制信号及电流测量端。电路中，R为测量响应电流的取样电阻器。

在电极旋转电路中，每个电极都有接通、断开的状态。为减少电子开关的数目，设计时，CC控制的电极旋转电子开关采取跨接的连接方式(如，电极对1和33，65和97)。在CC1的控制下，电极对1和65断开的同时，33和97接通，实现了一次电气旋转。为改变电极的极性，增加一级单刀双掷开关，一对电极所接极性总是相反，所以，用一个控制信号CP1控制这2个开关。其他各对电极与电极对1，65和33，97情况相同。因此，按照图2使用128个模拟开关和64个控制信号即可实现系统所需的电极旋转。模拟开关使用具有3路单刀双掷开关的CD4053。

1.2.2 响应电流测量与处理电路

响应电流测量电路经过I/U转换，通道选择，信号条理，A/D转换后，将数据采集到NIOSII处理器中。

系统在整个工作过程中，要对每一个电极上的电流进行测量。为避免测量中引进干扰，在同一对对应电极构成的电流路径中，只测量靠近接地端取样电阻器上的电压。如图3所示。128个电极转换出64路电压信号，采用4片16选1的模拟开关MAX306，将信号选通到后续电路进行处理。

图3 I/U转换Fig 3 I/U conversion

本系统采用单片仪表放大器AD8221对I/U转换后的电压信号进行放大。AD8221具噪声低、性能稳定、高带宽、可通过外部电阻调节增益等特点，有利于拓宽研究范围，扩展到在不同频率激励信号下成像的研究［6，7］。

为了进一步降低噪声，使用MAX274构成的低通滤波器与OP27构成的MFB高通滤波器级联，形成带通滤波器进行滤波，滤波器通频带为10～60 kHz。带通滤波器可以使激励信号有一定的频率调节范围，同时滤除通带外干扰信号。

放大滤波后的正弦信号，经过真有效值转换芯片AD536A转换为与之有效值对应的直流电压［8］。12位SPI接口A/D转换芯片MAX1284将此直流电压转换为数字量，传送到控制核心NIOSII处理器中。

1.2.3 NIOSII处理器控制电路

考虑到实现电极旋转与电流测量需要多达90个左右的信号端口，并且要快速处理数据，系统采用在FPGA芯片EP1C6中构建 NIOS II软核处理器来实现整体控制。EP1C6最多可以提供185个I/O口，满足系统的需求。

NIOSII软核处理器是32位RISC处理器，其具备超过200 DMIP的性能，并且可以根据实际需求剪裁硬件，实现成本与功能的双重要求［9］。本系统所建立的NIOS II系统如图4所示，包括处理器内核，JTAGUART，可编程I/O，SPI控制器，LCD控制器，SDRAM控制器，FLASH接口等，工作频率为50 MHz。处理器外挂FLASH和SDRAM芯片，用于存储、运行程序和暂存采集到的数据。采集过程结束后，NIOSII将数据经JTAG UART传输到PC机中保存。

图4 NIOS II系统Fig 4 NIOS II system

为保证测量精度，避免数字地与模拟地相互干扰，控制电路通过光耦与模拟开关和电流测量电路连接，实现了模拟电路与数字电路的隔离［10］。

1.3 程序设计

本设计采用C语言在NIOSII EDS下编写NIOS II处理器程序，实现系统初始化、控制电极旋转、测量响应电流、LCD显示及通过JTAG UART传输数据到PC机中。利用NIOSII EDS中的控制台在PC机上获得采集到的数据并进行保存。

2 实验结果

为测试系统性能，在模型中注入深1 mm、电阻率为2.5Ω·m的盐水溶液，对模型施加6 V，20 kHz的正弦激励信号，电场电流控制在10 mA以下，进行数据采集实验。

电极旋转一周历时3.07s，采集128组(2048个)数据，其对应数据离散性不大。在均匀介质场中，连续3次旋转测量，表1给出了在同一方向上电场中测量的数据。对采集到的数据进行对比，其差异很小，可重复性较好。

在均匀介质场中置入φ=12 mm的铁柱，铁柱在电场中不同的位置测量出来的数据如表2所示。从均匀介质电场、异物处于测量电场范围内和异物处于测量电场范围外的数据大体分析可知，异物处于测量电场范围内时，对测量数据有明显影响;异物处于测量电场范围外时，测量数据基本不变。

旋转电极法EIT测量的对象是激励电极上的电流，其在取样电阻器上的压降最大时(铁柱靠近测量电极)为20 mV，此压降会影响电场的分布，这些影响在后续成像时给予解决。

表1 相同激励电极在不同时间段采集的16个电压Tab 1 Same incentive electrodes，16 voltages collected at various time periods

表2 同一位置、不同介质电场的采样数据Tab 2 Same location，different media，the electric field sampling data

3 结论

从实验结果可以看出:本文设计采用的128个电极的旋转电极法EIT数据采集系统能够自动可靠地进行数据采集，并将采集数据传输到PC机中。采集时间、数据存储、模型中电场的对称性、系统的可重复性均符合设计要求。测量结果所显示的异物对测量电场的影响也符合旋转电极法EIT研究的初步设想［2］。这为进一步研究旋转电极法EIT技术建立了实验平台。该系统是为研究非均匀介质电场边界电极电流与均匀介质电场分布之间的影响关系而设计的，研究对象限于一层电场断面上，该断面电场对于多断层的上下断面电场分布的影响和多断层的采集系统在后续研究中进行。

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