基于LabView和Matlab混合編程的腦MIT數(shù)字鑒相方法的實現(xiàn)

1、基于LabView和Matlab混合編程的腦MIT數(shù)字鑒相方法的實現(xiàn)         07-08-07 17:13:00     作者：胡曉彥，秦明新，梁文    編輯：studa20【摘要】  目的： 為實現(xiàn)用于腦磁感應(yīng)成像系統(tǒng)中的數(shù)字鑒相方法，尋求一種高精度的相位檢測手段. 方法： 本研究采用LabView對數(shù)據(jù)采集卡編程，控制激勵信號的產(chǎn)生和檢測信號的采集；采用Matlab進行快速傅立葉變換法(FFT)法，相關(guān)法和經(jīng)典法

2、的編程，用于實現(xiàn)數(shù)字鑒相. 結(jié)果： 得到了步進0.1°條件下的數(shù)字鑒相結(jié)果，構(gòu)建了一整套包含信號產(chǎn)生、采集和處理的鑒相系統(tǒng)，最終，實現(xiàn)了FFT法和相關(guān)法0.1°的相位差分辨率. 結(jié)論： 數(shù)字鑒相方法能夠應(yīng)用于腦磁感應(yīng)斷層成像技術(shù)（MIT）檢測系統(tǒng)中，對高精度的系統(tǒng)測量提供了理論依據(jù). 【關(guān)鍵詞】  腦磁感應(yīng)成像；相位檢測；導(dǎo)電性；傅里葉分析；相關(guān)法在腦磁感應(yīng)斷層成像技術(shù)(magnetic induction tomography, MIT)中，激勵信號與檢測信號之間的相位差產(chǎn)生源于磁場中腦組織的存在，同時，對組織電導(dǎo)率的求取可以轉(zhuǎn)化為相位差的求取1-3. 因此尋求

3、一種高精度的相位檢測方法對系統(tǒng)設(shè)計具有重要意義. Watson等4和Scharfatter等5多采用模擬鑒相器的方法進行MIT方面的研究，而采用軟件數(shù)字鑒相方面仍處于起步階段. 本研究針對模擬鑒相器容易引入噪聲，精度難以提高的現(xiàn)象，擬采用數(shù)字鑒相方法對MIT監(jiān)測系統(tǒng)進行改進，旨在實現(xiàn)一種低誤差、高精度的軟件鑒相方法.1材料和方法1.1材料本系統(tǒng)采用了基于LabView的虛擬儀器接口編程方法6實現(xiàn)信號產(chǎn)生和采集. 數(shù)據(jù)采集卡使用美國國家儀器公司(National InstrumentsTM, NI)的NI6115，最高采樣頻率10 MHz，12位精度，輸出電壓范圍，最大雙通道同步數(shù)模轉(zhuǎn)換器(di

4、gital and analog convertor, DAC)的輸出頻率為2.5 Msamps/s，程序采用7.0版本編寫. 數(shù)字鑒相算法采用美國Mathwork公司推出的Matrix Laboratory(Matlab)實現(xiàn).1.2方法1.2.1系統(tǒng)設(shè)計MIT檢測系統(tǒng)中檢測信號與激勵信號間存在由于生物組織所產(chǎn)生的相位差，它們的模擬利用數(shù)據(jù)采集卡編程實現(xiàn)，對相位的三種檢測在PC內(nèi)部完成，以便實現(xiàn)方便控制的檢測方法. 具體方法如圖1：1.2.2信號產(chǎn)生MIT系統(tǒng)中，初級磁場的強弱對信號檢測有著非常大的影響，過大的初級磁場會使檢測信號被淹沒，因此考慮使用低頻信號進行處理. 信號產(chǎn)生由NI6115

5、通過LabView編程實現(xiàn)，同步發(fā)生兩路200 KHz正弦信號（幅度、相位、波形、偏移量可調(diào)），由于NI6115雙通道DAC的最高輸出頻率為2.5 Msamp/s，因此每周期最多只能產(chǎn)生12個點. 信號的產(chǎn)生采用LabView中級模擬輸出函數(shù). 包括通道設(shè)置模出操作，啟動帶緩沖的模出操作及清除模出操作. 程序運行時，設(shè)置模出操作會產(chǎn)生一個任務(wù)編碼(taskID)和出錯信息簇，其余的模擬輸出接受taskID以識別操作的設(shè)備和通道，并且在操作完成后輸出一個taskID，該參數(shù)形成了采集函數(shù)之間的一個關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù).將產(chǎn)生的信號進行譜估計，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的信號噪聲成分很多，通過計算，信號頻率能量占總能量的59.

6、48%，因此考慮對信號進行濾波處理. 能量計算公式如下：=A2Ni=0X2i (1)(1)式中的A代表有用信號的幅度，N代表采樣點數(shù)，Xi代表頻譜中各個頻率成分信號的幅度.1.2.3信號采集數(shù)據(jù)采集由另外一臺PC完成，通過兩根雙同軸電纜頭連接線(bayonet nut connector, BNC)傳輸線連接端口，采樣速率均為10M/S（NI6115最大的采樣頻率），每周期采集50個點，共采集40周期數(shù)據(jù)進行存儲. 進程包括通道設(shè)置模入操作，啟動帶緩沖的模入操作，從被分配的緩沖讀取數(shù)據(jù)，以及清除模入操作在計算機中分配的緩沖、釋放所有數(shù)據(jù)采集卡的資源. 其中還包括一子程序，在其內(nèi)部可以進行數(shù)據(jù)處

7、理，然后輸出，此處沒有對數(shù)據(jù)進行處理，完成的功能僅僅是判斷數(shù)據(jù)列是否出錯，如果出錯則退出循環(huán)，否則正常進行程序流程.1.2.4數(shù)據(jù)處理數(shù)字處理過程根據(jù)不同算法的要求，對數(shù)據(jù)進行不同處理，快速傅立葉變換法(fast fourier transform, FFT)和相關(guān)法采用200階有限長沖擊響應(yīng)(finite impulse response, FIR)數(shù)字帶通濾波器，得到待測信號后進行FFT和相關(guān)處理；經(jīng)典法先將數(shù)據(jù)通過數(shù)字帶通濾波器，然后將兩路信號相乘，提取直流分量，最后計算相位差，繪制曲線. 數(shù)字鑒相算法由Matlab編程實現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)采集信號處理和Matlab內(nèi)部仿真信號處理的功能.信號

8、處理軟件采用了三種數(shù)字鑒相方法. FFT法中采用了以下結(jié)論7：X(l)=NA2ej(2)(2)式中的N代表采樣點數(shù)，A代表信號幅度，l代表頻譜中標(biāo)志被測信號頻率的譜線序列號. 對復(fù)數(shù)X(l)求反正切即可得到初始相位. 兩路信號同時進行以上處理并相減即可得到相位差. 具體核心程序如下：X=fft(x);Y=fft(y);/兩路信號進行FFT變換theta1=angle(X(41)*180/pi/41代表頻譜中第41個數(shù)據(jù)是信號的譜線theta2=angle(Y(41)*180/pi/對兩路信號進行尋譜并求取初始相位theta=theta2theta1;/求取相位差相關(guān)法利用相關(guān)系數(shù)和信號相位差的

9、關(guān)系進行編程8，結(jié)論如下：Rxy(0)=AB2cos(1-0)(3)1-0=arccos(2Rxy(0)AB)(4)其中A=2Rxx(0)，B=2Ryy(0). 核心程序如下：rx=sum(x.*x)/N;ry=sum(y.*y)/N;/求取兩路信號的自相關(guān)系數(shù)rxy=sum(x.*y)/N;/求取兩路信號的互相關(guān)系數(shù)sqr=sqrt(rx*ry);phase2=acos(rxy/sqr)/pi*180;/依照結(jié)論求取相位差經(jīng)典法較為常用，其基本思想是將兩路具有相位差的同頻信號相乘，變?yōu)橐粋€倍頻信號和一個只具有相位差信息的直流分量的疊加，經(jīng)過低通濾波器以后即可得到相位差信息. 此方法同硬件鑒相器的設(shè)計思路一致，屬于硬件鑒相的軟件實現(xiàn)，但由于直流噪聲的存在，使得這種方法的檢測結(jié)果和理論分析相差