应用于肺通气功能成像的EIT系统设计及实验研究

论文摘要

电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)是继形态、结构成像之后,近年来出现的新一代无损伤医学成像技术。它是将人体组织或器官的生物阻抗的分布和变化以2D/3D图像的形式直观的展现出来,并以此功能图像对组织或器官进行诊断和评价。本课题是关于电阻抗断层成像技术在人体肺呼吸功能检测中的应用研究,主要研究工作和结果如下:针对医学EIT系统高精度、高可靠性的要求,设计一套基于FPGA的数字化系统,具体工作为:1.设计适合EIT的系统结构,规划数字系统各模块的功能2.根据各模块的具体功能,编制VHDL程序,在FPGA中数字化的实现DDS、相敏解调、以及与上位机的串行通讯等功能,并设计相应的外围电路,建立完整的EIT数据采集系统。3.针对EIT系统整体的工作流程和特点,对MCU软核的控制功能进行了开发,并将其嵌入FPGA中作为整体的控制模块,实现对其它各模块的控制与调节,使FPGA中的各数字化模块与外围电路部分协调工作共同完成数据采集功能;针对EIT技术在肺通气功能中的应用,进行了静态和动态实时实验:1.静态实验中采用一个接近于人体胸部直径的盐水槽作为测量场域,对不同直径和不同数量的物体进行图像重建,检验EIT系统的分辨性能以及用于肺部呼吸过程中阻抗变化成像的可行性。2.制作了肺部横切面的模型,并对其进行图像重建,检验系统对类似人体肺部这种大直径物体的图像重建效果,并进一步验证EIT系统对肺部阻抗进行图像重建的可行性。3.进行了动态的实时的人体肺通气过程阻抗成像实验,真实反映了肺部在不同呼吸状态下阻抗变化与图像以及数据变化之间存在的实际对应关系,证明了EIT系统对人体肺通气过程进行功能成像的可行性,为进一步的临床应用研究打下基础。最后,对EIT系统在肺呼吸功能成像中的应用进行总结,并给出改进建议。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 生物电阻抗技术
• 1.2.1 生物电阻抗技术的发展
• 1.2.2 生物电阻抗技术的应用优势及前景
• 1.3 医学电阻抗断层成像
• 1.3.1 电学成像技术简介
• 1.3.2 医学电阻抗断层成像技术及在肺功能成像中的应用
• 1.4 本论文的研究内容和完成的主要工作
• 1.5 论文的组织结构
• 第二章 医学电阻抗断层成像的数理基础及算法
• 2.1 数学模型
• 2.1.1 EIT 敏感场的描述
• 2.1.2 EIT 正问题
• 2.2 医学EIT 图像重建算法
• 第三章 人体肺部的生理及生物阻抗特性
• 3.1 肺部生理特性
• 3.1.1 肺的呼吸功能
• 3.1.2 肺通气
• 3.2 生物电阻抗特性
• 3.2.1 生物组织等效电路模型
• 3.2.2 Cole－Cole 理论
• 3.2.3 频散理论
• 第四章 数字化电阻抗断层成像系统设计
• 4.1 系统的总体框架
• 4.2 测量电极
• 4.3 采用FPGA 进行EIT 系统设计的优势
• 4.4 数字时钟管理器
• 4.5 控制器（MCU）软核
• 4.6 系统激励源的设计
• 4.6.1 FPGA 实现的DDS 模块
• 4.6.2 数模转换（D/A）
• 4.6.3 电压控制电流源
• 4.7 激励和测量选通
• 4.7.1 电流激励选通
• 4.7.2 电压测量选通
• 4.8 电压测量部分
• 4.8.1 差分放大电路
• 4.8.2 可编程增益放大电路
• 4.9 模数转换（A/D）
• 4.10 数字相敏解调
• 4.10.1 常用的几种相敏解调方法
• 4.10.2 数字正交解调的实现
• 4.11 串口通讯
• 4.12 小结
• 第五章 系统性能评价及实验研究
• 5.1 系统性能评价
• 5.2 静态物体分辨实验
• 5.3 人体肺通气过程的动态实验
• 第六章 总结与建议
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢