電阻抗人體掃描成像系統(tǒng)的儀表硬件設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告

XXX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)

開(kāi)題論證報(bào)告專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)生姓名 班級(jí) 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 完成日期 課題名稱：電阻抗人體掃描成像系統(tǒng)的儀表硬件設(shè)計(jì)一、課題來(lái)源、課題研究的主要內(nèi)容及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀綜述課題來(lái)源：1、 本課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐，人體組織采用電阻抗掃描成像檢測(cè)是一種先進(jìn)的檢測(cè)方法。2、 本課題工作量適中，難易程度也適中，重點(diǎn)和難點(diǎn)突出，重點(diǎn)在圖像信號(hào)實(shí)時(shí)采集電路設(shè)計(jì)，難點(diǎn)在圖像信號(hào)的信號(hào)采集與特征識(shí)別電路的實(shí)現(xiàn)。課題研究的主要內(nèi)容：硬件系統(tǒng)主要包括正弦激勵(lì)信號(hào)源、低通和帶通濾波器、電壓控制電流源(VCCS)、開(kāi)關(guān)陣列、AD采樣和數(shù)字相敏解調(diào)器的設(shè)計(jì)。本文涉及的主要內(nèi)容有:1、圖像信號(hào)的構(gòu)成；2、掃描圖像的處理方法研究；3、組織特征識(shí)別方案設(shè)計(jì)與實(shí)施；4、結(jié)果交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)；5、對(duì)測(cè)量效果進(jìn)行驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀：從上世紀(jì)80年代早期開(kāi)始，EIT系統(tǒng)就逐步進(jìn)入了研究階段，隨著時(shí)間的推移，成像系統(tǒng)的質(zhì)量也逐步得到提升。早期的硬件設(shè)計(jì)大都采用模擬技術(shù)，而當(dāng)今系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都開(kāi)始逐步轉(zhuǎn)入數(shù)字化領(lǐng)域，采用數(shù)字信號(hào)處理器和可編程邏輯器件作為整套設(shè)備的核心器件，這些器件和新技術(shù)使EIT系統(tǒng)的性能得到很大的提升。英國(guó)Sheffield大學(xué)Brown等于1987年建立了第一個(gè)完整的EIT硬件系統(tǒng)MarkI。激勵(lì)源采用直接數(shù)字合成(DirectDigitalSynthesis,DDS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)正弦波形發(fā)生，主控時(shí)鐘20kHz,經(jīng)16進(jìn)制計(jì)數(shù)器循環(huán)讀去EPROM中預(yù)先存儲(chǔ)的16點(diǎn)正弦形數(shù)據(jù)，由D/A轉(zhuǎn)換形成51kHz正弦波形，經(jīng)V/I變換及16選2多路開(kāi)關(guān)后依次選擇16個(gè)電極中的一對(duì)相鄰電極進(jìn)行5mAp-p恒流驅(qū)動(dòng)。測(cè)量電路中由另一16選2多路開(kāi)關(guān)依次選擇除用于驅(qū)動(dòng)電極外的其余14個(gè)電極進(jìn)行臨近電壓測(cè)量,相敏模擬解調(diào)后由歸一化定標(biāo)電路對(duì)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行調(diào)整，最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換(12位)得到反映阻抗實(shí)部信息的104個(gè)獨(dú)立測(cè)量數(shù)據(jù)，用于圖像重構(gòu)。該系統(tǒng)采用了變壓器隔離、屏蔽驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)范圍壓縮等技術(shù)使系統(tǒng)達(dá)到0.29%的精度及每秒10組數(shù)據(jù)的測(cè)量速度。1995年，Smith和Brown等在MarkI的基礎(chǔ)上建立了第一個(gè)實(shí)時(shí)的供臨床基礎(chǔ)研究用的MarkII系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用16電極并行采集數(shù)據(jù)，以等位線反投影法重建圖像，成像速度達(dá)25幀/秒，能夠獲取人體胸腔的實(shí)時(shí)圖像。它已在英國(guó)皇家Hallamshire醫(yī)院進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)。俄國(guó)研究小組也研制了一系列的單電源激勵(lì)的EIT成像系統(tǒng)，主要用于胸腔和肺部的檢測(cè)成像。牛津大學(xué)的研究小組己開(kāi)發(fā)了幾套基于多個(gè)激勵(lì)源的阻抗成像系統(tǒng)，OXBACTIII是比較典型的一套設(shè)備。RensselaerPolytechnic研究小組已經(jīng)研制的是一套自適應(yīng)電流成像系統(tǒng)（ACT）。美、日等國(guó)也相繼有EIT硬件系統(tǒng)用于臨床數(shù)據(jù)采集的報(bào)道。俄國(guó)研究小組也研制了一系列的單電源激勵(lì)的EIT成像系統(tǒng)，主要用于胸腔和肺部的檢測(cè)成像。系統(tǒng)采用16電極（可支持256電極陣列）、50KHz的交流電流，其峰值為.05毫安。在電壓測(cè)量模塊部分，電壓信號(hào)經(jīng)放大器和低通濾波器后由14hit的ADC進(jìn)行采樣，后端采用數(shù)字同步檢測(cè)器來(lái)測(cè)量電壓的實(shí)部數(shù)值。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，由于采用了大量的電極數(shù)（256個(gè)），不能夠做到實(shí)時(shí)成像（采集一幅圖像所要的數(shù)據(jù)近似需要20秒的時(shí)間），成像效果較差，改善工作非常困難。目前，國(guó)際上有30多個(gè)研究小組從事EIT方面的基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究。每年在英國(guó)都要召開(kāi)EIT國(guó)際研討會(huì)，并在維也納已連續(xù)召開(kāi)了兩屆歐洲EIT聯(lián)合會(huì)。與以上這些國(guó)家相比，在國(guó)內(nèi)約有10來(lái)個(gè)研究小組從事EIT方面的基礎(chǔ)研究，主要都集中在模型成像算法和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的研究。目前主要集中于重建算法的計(jì)算機(jī)模擬，相對(duì)于EIT硬件系統(tǒng)的報(bào)道還很少。國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)八十年代末由圖像重建算法開(kāi)始進(jìn)入EIT研究，至九十年代末陸續(xù)進(jìn)人EIT系統(tǒng)研究。在國(guó)家自然科學(xué)基金以及相關(guān)部委、省、市等的支持下,EIT方法學(xué)研究已基本完成，建立了多個(gè)EIT實(shí)驗(yàn)裝置和研究平臺(tái)，已形成一支水平較高、相對(duì)穩(wěn)定的研究隊(duì)伍。一些研究小組已經(jīng)在乳腺腫瘤檢測(cè)，腦、腹部滲血監(jiān)護(hù)和肺功能測(cè)量等方面進(jìn)入臨床應(yīng)用技術(shù)研究國(guó)家“十一五”計(jì)劃等也開(kāi)始向EIT應(yīng)用技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展投人。2001年12月在西安第四軍醫(yī)大學(xué)召開(kāi)了國(guó)內(nèi)第一屆EIT學(xué)術(shù)研討會(huì)，北航，河北工業(yè)大學(xué)，天津大學(xué)，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物研究所，上海大學(xué)，重慶大學(xué)，第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系等7個(gè)單位參加了會(huì)議并以上述幾個(gè)單位為主成立了聯(lián)合研究小組。二、本課題擬解決的問(wèn)題本文的主要成果是對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)提出了以單片機(jī)為核心的EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了模塊的設(shè)計(jì)。完整的EIT系統(tǒng)應(yīng)包括用于激勵(lì)和測(cè)量的電極陣列，高穩(wěn)定性的交流激勵(lì)源，高精度的測(cè)量電路，相應(yīng)控制電路及由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集與處理單元。EIT技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)全面的、綜合的過(guò)程，在研究高精度高速度硬件系統(tǒng)的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)從重構(gòu)算法、激勵(lì)及測(cè)量模式等其它幾個(gè)方面綜合研究，以促進(jìn)這一技術(shù)盡快應(yīng)用到臨床功能成像及動(dòng)態(tài)圖像監(jiān)護(hù)之中。EIT硬件系統(tǒng)是阻抗斷層成像技術(shù)中重要組成部分，系統(tǒng)的精度、速度、穩(wěn)定性、信噪比等對(duì)EIT進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像重構(gòu)的質(zhì)量與速度起著十分重要的作用，是EIT能否用于臨床應(yīng)用的關(guān)鍵。同時(shí)討論了EIT成像系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)，并對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊，交流信號(hào)源模塊，電極陣列控制模塊等給出了設(shè)計(jì)。由于EIT成像系統(tǒng)在人體組織內(nèi)建立的電流場(chǎng)為軟場(chǎng)，指向性差，電流在組織內(nèi)的分布規(guī)律復(fù)雜，以及阻抗的不定性造成誤差。EIT作為一種無(wú)創(chuàng)的成像手段，目前均采用外部激勵(lì)、體表測(cè)量技術(shù)，致使EIT的被測(cè)信號(hào)非常微弱且動(dòng)態(tài)范圍較大。硬件系統(tǒng)采集一組成像數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間加上算法重構(gòu)一幅圖像時(shí)間應(yīng)小于20ms的高速度的特性。由于在EIT技術(shù)的重建算法中，邊界電位值的微小變化會(huì)導(dǎo)致求解出的場(chǎng)域內(nèi)部電阻率分布有很大的變化，因此EIT測(cè)量統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性對(duì)電阻率成像結(jié)果有著非常重要的影響。三、解決方案及預(yù)期效果本文對(duì)整套單激勵(lì)源的EIT系統(tǒng)所需的基本模塊都進(jìn)行了闡述和設(shè)計(jì)，重點(diǎn)放在對(duì)邊界電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)上，并設(shè)計(jì)了以FPAG器件為核心數(shù)據(jù)采集模塊，由FGPA來(lái)完成對(duì)開(kāi)關(guān)陣列的邏輯控制和對(duì)采樣信號(hào)的數(shù)字相敏解調(diào)。對(duì)電磁敏感場(chǎng)進(jìn)行仿真研究，以便對(duì)陣列電極的形狀、結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用高靈敏度的深部區(qū)域阻抗前級(jí)探測(cè)法，提高入射電流的指向性或聚焦性以減小誤差。硬件系統(tǒng)采集一組成像數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間加上算法重構(gòu)一幅圖像時(shí)間小于20ms，滿足高速度的特性。數(shù)據(jù)精度高，抑制噪聲能力強(qiáng)°A/D轉(zhuǎn)換器的選擇要滿足以下幾個(gè)要求，采樣速率要求達(dá)到10M以上（由數(shù)字相敏解調(diào)算法的采樣點(diǎn)數(shù)N和原信號(hào)的頻率決定），精度為12bit，輸出為雙極性二進(jìn)制補(bǔ)碼一方便數(shù)字解調(diào)器中的有符號(hào)數(shù)相乘運(yùn)算。測(cè)量電路必須具有高的靈敏度和信噪比以解決被測(cè)信號(hào)非常微弱且動(dòng)態(tài)范圍較大的問(wèn)題。EIT作為一種無(wú)創(chuàng)的成像手段，目前均采用外部激勵(lì)、體表測(cè)量技術(shù)，致使EIT的被測(cè)信號(hào)非常微弱且動(dòng)態(tài)范圍較大，因而要求測(cè)量電路必須具有高的靈敏度和信噪比。為充分利用EIT無(wú)創(chuàng)及功能成像的優(yōu)勢(shì)，EIT成象速度理論上應(yīng)大于25幀/s，即硬件系統(tǒng)采集一組成像數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間加上算法重構(gòu)一幅圖像時(shí)間應(yīng)小于40ms。因此，硬件系統(tǒng)應(yīng)滿足高速度的特性。采用高靈敏度的深部區(qū)域阻抗前級(jí)探測(cè)法，提高入射電流的指向性或聚焦性。以上解決方案以達(dá)到EIT系統(tǒng)的高精度、高靈敏度、高速度、高信噪比、低誤差特性。EIT技術(shù)是一項(xiàng)非侵入性并且相對(duì)廉價(jià)的監(jiān)測(cè)手段。考慮到患者自身體質(zhì)以及經(jīng)濟(jì)承受能力，這是非常有利的。四、課題進(jìn)度安排2月21日?3月19日.畢業(yè)設(shè)計(jì)前期階段。畢業(yè)實(shí)習(xí)，查閱資料，市場(chǎng)調(diào)查，到多個(gè)公司實(shí)踐，撰寫(xiě)實(shí)習(xí)報(bào)告。論文總體構(gòu)思方案，填寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告。3月20日?5月7日.設(shè)計(jì)初稿階段。完成總體設(shè)計(jì)圖、部件圖、零件圖。5月8日?5月25日.中期工作階段。