基于同步测量的电阻抗层析成像系统研究*

黄华芳，杨 涛，陈晓艳，杨永政

（天津科技大学电子信息与自动化学院，天津300222）

基于同步测量的电阻抗层析成像系统研究*

黄华芳，杨 涛，陈晓艳*，杨永政

（天津科技大学电子信息与自动化学院，天津300222）

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。

电阻抗层析成像；同步测量；正则化算法；PXI；LabVIEW

电阻抗层析成像技术（Electrical Impedance Tomography，EIT）是继形态、结构成像之后，出现的一种新兴的功能性成像技术，电阻抗层析成像系统通常由数据采集系统和成像系统组成［1］。其基本原理是根据不同场域具有不同电阻抗这一物理原理，通过给场域注入交流激励电流/电压，测量边界电压信息，利用图形重建算法来重构场域内部的电导率分布或其变化的图像［2］。EIT的最大优势是能够持续地反映场域内部结构及状态的变化，是一种正处于迅速发展中并有广泛应用前景的图像重建技术［3］，具有无损伤、功能性成像、设备简单、使用方便等特点［4-5］。

目前，大多数电阻抗成像系统都采用APT工作模式，边界测量信号是按照顺/逆时针顺序依次采集及处理［6-9］，这种异步测量会导致测量数据的解调结果不准确，成像效果不理想。针对上述问题，本文旨在研究能实现同步测量、结构简单、配置灵活的新型EIT系统。拟采用PXI（PCI Extensions for In⁃strumentation）平台构建EIT系统，开发LabVIEW专用软件，实现同步测量，并验证该方法的可行性与优越性。

1 理论基础

1.1 正交序列解调算法

对EIT系统而言，当正弦电流注入激励电极时，测量电极接收到的是交变的电压信号，必须通过解调才能得到阻抗的实部和虚部信息，一般采用正交序列解调算法［10］进行解调。设

式中，p（n）是激励电流信号，作为正交参考信号，u（n）是测量电压信号，q（n）是同相参考信号，A为测量电压幅值，φ为测量电压相角，N为一个信号周期的采样点数，n为第几个采样点（0≤n≤N-1）。根据正交序列解调算法，可计算测量电压的实部分量R和虚部分量I。

进而得到成像系统所需的幅值信息

以上算法中的测量电压相角φ表征的是由介质引起的测量信号与激励信号之间的相位差。在异步测量时，除第一个测量电极的电压信号能较准确表征该相位差外，随后测量的电压信号中都会因时间滞后引入相角误差，这就导致正交序列解调算法得到的实部分量和虚部分量不准确，最终影响成像质量［11］。电极数越多，异步测量引入的相角误差越大。针对多电极EIT系统（电极数≥16），采用同步测量可解决上述问题。

1.2 改进正则化算法

EIT系统完成边界信息采集后，需要对被测对象的电导率分布进行图像重建，本系统采用改进正则化算法［12］进行逆问题的求解。

电阻抗层析成像逆问题的数学模型可以表示为

式中，U为被测对象的边界电压测量值；J为灵敏度矩阵；σ为被测对象的电导率分布矩阵。

采用最小二乘法进行逆问题求解，

取JTJ的每一行向量或列向量的最大元素构成对角阵Q作为阻尼项，对JTJ施加阻尼作用，改进正则化算法如式（9）所示。

式中，α为正则系数，取值为0～1之间，具体值可通过建模、多元拟合和求最优值的方法获得。

2 系统硬件设计

本系统由被测对象（含16个电极）、激励源模块、切换开关模块、数据采集模块、控制器模块和上位计算机组成，系统结构如图1所示。上位机通过PCI总线与PXI-1033内置控制器连接，对每块PXI板卡进行控制。首先PXI-5404产生正弦电压信号，经VCCS（Voltage Control Current Source）电路转化为电流信号后作为系统激励源；该信号经由PXI-2593所控激励电极注入被测对象，再由PXI-2520所控测量电极同时将14路电压信号送至NI 5751和PXI-7952R进行数据采集；采集到的电压数据通过PXI总线经由PXI-1033传至上位计算机；最后，在上位机软件LabVIEW中进行数据处理，并调用图像重建程序对被测对象的电导率分布进行重构。

图1 电阻抗层析成像系统结构图

2.1 激励源模块

本系统采用电流激励-电压测量工作方式。激励源由PXI-5404板卡和VCCS电路组成。信号发生器PXI-5404具有1.07 μHz分辨率，可编程输出频率9 kHz～100 MHz、幅值0.5 V～1 V的正弦波电压信号，经16位运算放大器AD8021构建的VCCS电路可实现压流转换。VCCS电路原理如图2所示，电压信号由R1左端输入，电流信号由R5右端输出。本系统的激励电流频率为100 kHz，幅值为2 mA。

图2 VCCS电路原理图

2.2 三模态电极切换模块

在EIT系统中，每个电极有三种工作模态，即电流激励、电压测量、接地，各电极均需在这三种模态下进行切换，选用PXI-2593板卡和PXI-2520板卡实现切换功能。为实现同步测量，本系统中每个电极由三条线缆连接，分别对应电极的激励、测量和接地模态。PXI-2593多路复用器用于选通激励电极流入端；PXI-2520通用开关用于选通激励电极的流出端和测量端，其通道均由单刀单掷电枢继电器构成，每个继电器为非锁存继电器，具有极低的导通电阻，能有效隔离通道间干扰，切换时间为1 ms，满足系统对测量通道一致性及同步测量的要求。三模态电极切换电路如图3所示。

图3 三模态电极切换电路

2.3 同步采集模块

鉴于系统整体性能与数据采集速度（精度）要求，选取NI 5751板卡作为适配器、PXI-7952R板卡作为FPGA模块，共同构成数据采集模块。

NI 5751是模数转换适配器，可实现16通道同步采样，采样速率50 MS/s，输入电压范围2 VPP，分辨率14位。经LabVIEW编程可实现FPGA模块PXI-7952R对适配器NI 5751的控制，实现多路信号同步采集，克服常规依次采集所造成的测量精度下降问题，保证了系统的成像质量。

3 系统软件设计

本系统采用LabVIEW 2013和LabVIEW 2013 FPGA完成软件开发工作，主要包括三部分：用户界面GUI设计、数据采集和图像重构。

3.1 GUI设计

在LabVIEW平台上设计了用户界面，实现参数设置、数据采集、曲线绘制和系统成像的功能。在参数设置界面，可设置PXI-5404的地址、激励源幅值及频率，PXI-2593和PXI-2520的地址、工作模式，PXI-7952R FPGA的地址等参数。曲线绘制界面可实现对实时采集数据的曲线绘制和历史数据的曲线绘制，界面如图4所示。系统成像界面可选择图像重建算法及对应算法参数。

图4 LabVIEW曲线绘制界面

3.2 数据采集程序

数据采集程序流程如图5所示。首先进行各功能板卡的初始化，设好地址及工作模式；接着进入选通开关程序，LabVIEW控制PXI-2593选通激励电极，控制PXI-2520选通测量和接地电极；然后对14路测量电压信号进行同步采集，数据处理后存在上位机中；之后选通下一组激励、测量和接地电极，继续测量下一组数据，直到16组激励电极均已选通，便完成了一幅图像重构所需的所有数据采集。重复以上测量过程，即可得到下一幅图像数据。

图5 软件控制流程图

3.3 图像重构程序

本系统采用LabVIEW调用MATLAB程序的方法，进行被测对象的电导率分布图像重构。MATLAB程序流程如图6所示，在载入灵敏度矩阵和空场、满场数据并导入正则系数之后，先对采集的数据进行预处理，用空场数据减去满场数据得到相对数据，再用改进正则化算法进行逆问题的求解，接着对求解数据进行归一化处理，最后绘制重建图像。

在LabVIEW中进入系统成像界面，选择使用正则化算法，设定正则系数α的值后即可得到重构的电导率分布图像。

图6 图像重构程序流程图

4 实验及结果

系统实物如图7所示。被测对象选用直径20 cm、高25 cm的圆柱水槽，水槽内盛有电导率0.332 S/m、温度15℃的生理盐水，电极选用直径4 mm的金属钛圆形点电极。

图7 基于同步测量的电阻抗层析成像系统

4.1 系统性能测试

本系统电极数16个，激励源频率100 kHz，激励源幅值2 mA，采样频率5 MHz，测量电压范围-1 V～+1 V，根据数据采集模块分辨率可知能分辨的最小测量电压为［1-（-1）］/214=0.122 mV，测量精度达±0.2‰。

对系统信噪比SNR（Signal to Noise Ratio）进行测试，按式（10）计算

4.2 静态实验

在水槽中依次放入直径5 cm、4 cm、3 cm三种尺寸的有机玻璃棒，分别标记为粉色、蓝色和黑色以示区分。在LabVIEW中选择正则化算法进行成像，正则系数α=0.7，与实验室前期研制的基于FPGA的异步测量EIT系统［13］进行对比实验，成像效果如表1所示。

表1 两套系统成像效果对比

从表1可以看出，本系统更好地反映了有机玻璃棒的形状、大小及位置，聚焦性增强了，伪影减少了，成像质量明显提高。

选取图像相对误差RE（Relative Error）作为重建图像质量的衡量指标，按式（11）计算

式中，M为重建图像的总单元数；σ（j）为重建电导率分布；σ*（j）为仿真电导率分布［12］。计算结果如表2所示。

表2 两套系统图像相对误差对比

从表2可以看出，三种情况下同步测量系统的图像相对误差都比异步测量系统小，平均相对误差降低了48.99%。

4.3 动态实验

经实际测试，本系统采集速度为7 frame/s，将直径5 cm的有机玻璃棒放在电极8和电极9之间，在距离水槽圆心5 cm处顺时针匀速旋转一周，用时约14 s，采集到100幅图像数据，选取其中8幅，动态成像效果如图8（a）-（h）所示。

图8显示的是第5幅、第18幅、第31幅、第44幅、第57幅、第70幅、第83幅、第96幅的重建图像，这些图像如实地反映了有机玻璃棒的运动过程，说明本系统的成像结果能够很好地识别有机玻璃棒的运动轨迹。

图8 动态成像图

5 结论

本文设计了基于同步测量的电阻抗层析成像系统，实现了对被测对象的电导率分布图像重构。PXI平台极大地简化了硬件系统，缩短了硬件平台的搭建时间；三模态电极和同步采集模块的使用实现了同步测量，提高了系统的采集和成像精度；在软件方面，LabVIEW极大地提高了软件的开发效率，缩短了程序开发周期。由于PXI平台的可扩展性，方便今后搭建更加复杂的系统。本系统集成度高，稳定性好，测量准确，抗干扰能力强，扩展方便，为无创医学成像和工业成像领域提供了理想的解决方案，尤其适合于多电极（电极数≥16）场域的无损伤成像应用。

［1］Barber D C，Brown B H.Applied Potential Tomography［J］.Jour⁃nal of Physics E：Scientific Instruments，1984，17（9）：723-733.

［2］董秀珍.生物电阻抗成像研究的现状与挑战［J］.中国生物医学工程学报，2008，27（5）：641-643.

［3］孙进平，程吉宽，杜岩.电阻抗成像的修正阻尼最小二乘重建算法［J］.电路与系统学报，2000，5（2）：47-51.

［4］Brown B H.Electrical Impedance Tomography（EIT）：A Review［J］.Journal of Medical Engineering and Technology，2003，27（3）：97-108.

［5］任超世，李章勇，王妍，等.我国电阻抗层析成像实用化应用研究展望［J］.航天医学与医学工程，2010，23（4）：309-312.

［6］Goharian M，Soleimani M，Jegatheesan A，et al.A DSP Based Multi-Frequency 3D Electrical Impedance Tomography System［J］.Annals of Biomedical Engineering，2008，36（9）：1594-1603.

［7］张凌烽，王化祥.基于FPGA和DSP的电阻层析成像数据采集系统［J］.传感技术学报，2011，24（7）：1011-1016.

［8］Gaggero P O，Adler A，Brunner J，et al.Electrical Impedance Tomography System Based on Active Electrodes［J］.Physiological Measurement，2012，33（5）：831-847.

［9］侯海岭，王化祥，陈晓艳.基于多周期欠采样技术的生物电阻抗成像硬件系统［J］.传感技术学报，2015，28（2）：211-216.

［10］赵德春，任超春，沙洪，等.EIT高精度数字解调方法误差分析［J］.仪器仪表学报，2010，31（9）：1933-1938.

［11］陈晓艳，杨永政，杜萌.无解调电阻抗成像方法研究［J］.传感技术学报，2015，28（6）：870-875.

［12］陈晓艳，房晓东.一种新的正则化图像重建算法及参数优化［J］.天津科技大学学报，2014，29（6）：74-77.

［13］Chen X Y，Yang T，Yang Y Z.A PXI-Based Biomedical Electrical Impedance Tomography System［C］//Applied Mechanics and Materials，2014，670-671：1205-1209.

黄华芳（1979-），女，副教授，硕士生导师，天津科技大学电子信息与自动化学院，主要研究方向为测控技术与电力电子技术，huanghf@tust.edu.cn；

杨 涛（1990-），男，硕士研究生，现就读于天津科技大学电子信息与自动化学院，主要研究方向为电阻抗成像技术，13820772636@163.com；

陈晓艳（1973-），女，教授，博士，天津科技大学电子信息与自动化学院，主要研究方向为电学参数检测与处理，cxywxr@tust.edu.cn；

杨永政（1988-），男，硕士研究生，现就读于天津科技大学电子信息与自动化学院，主要研究方向为电阻抗成像技术，yyz1988@163.com。

Study on Electrical Impedance Tomography System Based on Synchronous Measurement*

HUAN Guafang，YANG Tao，CHEN Xiaoyan*，YANG Yongzheng
（College of Information and Automation，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300222，China）

Avoiding the disadvantages of traditional APT-pattern electrical impedance tomography（EIT）systems，such as asynchronous measurement，complex structure and debugging difficulty，a synchronous measuring EIT sys⁃tem is proposed and designed.This paper introduces an approach of realizing synchronous measuring in terms of hardware and software.The hardware platform consists of PXI-based integrated controller module，switch module，data acquisition module and lab-made current generator.Thishardware scheme simplifiesthe structure and improves the stability and accuracy of the system.A specified software kit is developed by LabVIEW to carry out data syn⁃chronous collecting and images reconstructing.An improved regularization algorithm is applied to reconstruct the in⁃ternal conductivity distribution.The comparative experiments are taken to illustrate the differences between syn⁃chronous and asynchronous measuring.The results show that the images are clearer and the artifacts are less.The average relative error of EIT images based on synchronous measuring is decreased by 48.99%.This paper provides a feasible and available method of synchronous measuring for EIT system，which is suitable for noninvasive imaging applications in numerous electrodes（electrode number≥16）fields.

electrical impedance tomography；synchronous measurement；regularization algorithm；PXI；LabVIEW

TP391

A

1004-1699(2015)10-1575-06

��7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.10.027

项目来源：国家自然科学基金项目（61301246）；天津市高校优秀青年教师资助计划

2015-05-22 修改日期：2015-07-21