基于APT的生物医学电阻抗成像系统设计与研究

论文摘要

作为一种基于电磁场理论的新型测量技术,生物医学电阻抗成像技术(Electrical Impedance Tomography,简称EIT)是通过对置于体表的电极施加微小的交变电信号,并测量电极上的电压信号,经重建算法再现被测区域阻抗分布的检测技术,根据生物组织或器官的阻抗特性,从测量数据和重构图像中提取与人体组织或器官相关的生理、病理信息。该技术不但反映了解剖学结构,而且能提供丰富的功能信息,是继形态、结构成像之后,于近30年出现的新一代功能成像技术。该技术具有非侵入、无辐射、结构简单、设备成本低廉及可视化等特点,在临床医学监测领域具有广阔的应用前景。本文在EIT技术的发展状况、技术特点、应用前景和研究难点等基础上,围绕电阻抗成像技术的正问题数学模型和逆问题求解展开深入研究,对多种图像重建算法进行了理论分析,并采用等位线反投影算法重建了圆形场域中一个异于背景电导率的物体的图像,获得较好的成像效果。此外,针对生物医学电阻抗成像系统中数据测量的技术要求,本文提出了基于APT (Applied Potential Tomography)工作原理的数据采集方案,设计了以ATmega16为控制核心的16电极生物医学电阻抗数据采集系统。该系统采用直接数字频率合成(DDS)技术和三运放电路构成频率、幅值、相位可调的电压控制电流源(VCCS),在70MHz以下具有较高的稳定度和输出阻抗,采集的信号经乘法解调、放大、滤波、转换传至成像计算机。本文对系统各功能模块进行了详细的论述与分析,经测试,该系统转换精度达1mV,数据采集速度100KHz,满足系统设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 1.1 生物电阻抗成像技术简介
• 1.2 生物电阻抗技术的发展状况及研究现状
• 1.2.1 生物电阻抗技术理论的发展
• 1.2.2 图像重建算法的发展
• 1.2.3 EIT技术研究现状
• 1.3 生物电阻抗成像技术的特点及应用前景
• 1.3.1 临床医学需要能用于监护的成像技术
• 1.3.2 现有的成像技术都不适用于图像监护
• 1.3.3 生物电阻抗成像技术在图像监护方面的优势
• 1.4 生物电阻抗成像技术难点
• 1.5 本文的主要研究工作
• 2 电阻抗成像技术的数学模型及重建算法
• 2.1 生物组织的电特性
• 2.2 人体电阻等值电路
• 2.3 电阻抗成像技术的数学模型
• 2.4 正问题
• 2.4.1 常用算法
• 2.4.2 有限元法
• 2.5 逆问题
• 2.5.1 逆问题病态性分析
• 2.5.2 静态图像重建算法
• 2.5.3 动态图像重建算法
• 2.5.4 等位线反投影算法原理
• 2.5.5 等位线反投影算法实现
• 3 EIT数据采集系统设计
• 3.1 作原理
• 3.2 信号源
• 3.2.1 DDS简介
• 3.2.2 DDS的工作原理
• 3.2.3 DDS的实现
• 3.2.4 VCCS的设计
• 3.2.5 VCCS仿真与测试
• 3.2.6 信号源的性能测试
• 3.3 电极及其测量方式
• 3.3.1 电极
• 3.3.2 驱动模式
• 3.4 模拟开关
• 3.5 前端放大电路
• 3.6 解调电路
• 3.7 低通滤波电路
• 3.8 模数转换电路的设计
• 3.9 通讯接口设计
• 3.10 系统软件设计
• 4 结论
• 5 展望
• 6 参考文献
• 7 发表论文情况
• 8 致谢