脑磁感应断层成像系统中软件鉴相方法的研究

论文摘要

脑磁感应断层成像技术（Brain Magnetic Induction Tomography, BMIT）,是一种利用电磁检测原理测量脑组织电导率分布的成像技术。放置于磁场中的脑组织因电磁感应作用产生涡流,涡流生成的磁场会对原磁场产生扰动,致使检测线圈的检测信号和激励信号间产生相位差,其大小和脑组织的电导率大小成正比,通过对相位差进行测量,可以得到脑组织电导率的大小;在头的某一截面周围,进行一系列的相位差测量,采用图像重构算法,可实现对该截面脑组织电导率分布的成像。因此,对相位差的检测成为BMIT成像系统中的核心问题。目前,国际上相位检测方面的研究主要集中在硬件鉴相电路和降频技术方面,存在硬件设计复杂,抗干扰能力差,长久测量需要多次校准,精度难以提高等缺点。而软件鉴相方法仍然处于起步阶段,具有方便设计,不受外界条件干扰,便于同成像算法整合并优化,效率高等优点。本研究采用软件鉴相方法对BMIT相位检测系统进行改进,旨在实现一种低误差、高精度的软件鉴相方法。在对软件鉴相算法处理1MHz正弦信号的可行性分析基础上,借鉴降频处理技术的优势,采用LabView软件对数据采集卡编程,控制双路200KHz正弦信号的同步产生和采集,采用Matlab软件进行FFT法,相关法和经典法的编程,对采集信号进行处理。将产生的双路信号相位差分为1°10°,0.1°0.9°,0.01°0.09°三个区间输出,各区间内分别采用1°、0.1°、0.01°的步进,得到了不同步进条件下的软件鉴相结果,并将结果同锁相放大器SR844检测结果分别进行误差和非线性度分析。实现了FFT法和相关法0.1°的相位差分辨率。最终,构建了一整套包含信号产生、采集和处理的鉴相系统。通过Matlab编写的可行性分析软件实验,Labview与Matlab混合编程仿真实验,得出软件鉴相方法可以很好的应用在MIT检测系统中的结论,为进一步的研究打下了基础。本文主要内容包括:1.通过对诸多信号处理方法的分析,选取适合系统设计的处理方法,证明软件鉴相的可行性;2.通过对数据采集卡的研究,利用Labview7.0编写信号生成和采集程序,实现双通道信号同步发生和采集;3.利用Matlab7.0编程,实现多种信号检测方法,对采集信号进行处理,实现软件鉴相;4.利用锁相放大器SR844对产生的信号进行模拟鉴相,并同软件鉴相结果比较分析;通过误差和线性度这两个评价指标,对模拟鉴相和软件鉴相性能进行评估,结果表明,在0.1°精度的要求下,FFT法和相关法分别具有-19.68dB和-19.06dB的高线性度,及-1.72dB和-2.76dB的误差,满足测量要求,实现了一种高精度的软件鉴相方法。

论文目录

• 缩略语表
• 中文摘要
• 英文摘要
• 前言和文献回顾
• 正文
• 1 脑磁感应断层成像检测方法及相关理论
• 1.1 磁感应断层成像基本原理
• 1.2 磁感应断层成像的基本电磁场理论
• 1.3 磁感应断层成像系统鉴相单元的作用
• 1.4 鉴相单元的种类
• 1.4.1 直接鉴相电路
• 1.4.2 降频锁定放大器鉴相
• 1.4.3 软件鉴相
• 2 软件鉴相方法原理
• 2.1 快速傅立叶变化法
• 2.2 相关法
• 2.3 经典法
• 2.4 小结
• 3 软件鉴相方法的可行性分析实验
• 3.1 材料
• 3.2 函数的调用
• 3.3 方法
• 3.3.1 总体设计
• 3.3.2 软件的构成
• 3.4 结果及分析
• 4 虚拟仪器信号源的仿真实验
• 4.1 实验系统总体设计
• 4.2 软件检测
• 4.3 硬件检测
• 4.4 结果及讨论
• 5 总结与展望
• 参考文献
• 附录
• 个人简历和研究成果
• 致谢