電阻抗人體掃描成像系統(tǒng)的儀表硬件設(shè)計開題報告

XXX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計

開題論證報告專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化學(xué)生姓名 班級 學(xué)號 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)計一、課題來源、課題研究的主要內(nèi)容及國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述課題來源：1、 本課題來源于生產(chǎn)實踐，人體組織采用電阻抗掃描成像檢測是一種先進的檢測方法。2、 本課題工作量適中，難易程度也適中，重點和難點突出，重點在圖像信號實時采集電路設(shè)計，難點在圖像信號的信號采集與特征識別電路的實現(xiàn)。課題研究的主要內(nèi)容：硬件系統(tǒng)主要包括正弦激勵信號源、低通和帶通濾波器、電壓控制電流源(VCCS)、開關(guān)陣列、AD采樣和數(shù)字相敏解調(diào)器的設(shè)計。本文涉及的主要內(nèi)容有:1、圖像信號的構(gòu)成；2、掃描圖像的處理方法研究；3、組織特征識別方案設(shè)計與實施；4、結(jié)果交互系統(tǒng)設(shè)計；5、對測量效果進行驗證。國內(nèi)外現(xiàn)狀：從上世紀80年代早期開始，EIT系統(tǒng)就逐步進入了研究階段，隨著時間的推移，成像系統(tǒng)的質(zhì)量也逐步得到提升。早期的硬件設(shè)計大都采用模擬技術(shù)，而當今系統(tǒng)的設(shè)計都開始逐步轉(zhuǎn)入數(shù)字化領(lǐng)域，采用數(shù)字信號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Sheffield大學(xué)Brown等于1987年建立了第一個完整的EIT硬件系統(tǒng)MarkI。激勵源采用直接數(shù)字合成(DirectDigitalSynthesis,DDS)技術(shù)實現(xiàn)正弦波形發(fā)生，主控時鐘20kHz,經(jīng)16進制計數(shù)器循環(huán)讀去EPROM中預(yù)先存儲的16點正弦形數(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多路開關(guān)后依次選擇16個電極中的一對相鄰電極進行5mAp-p恒流驅(qū)動。測量電路中由另一16選2多路開關(guān)依次選擇除用于驅(qū)動電極外的其余14個電極進行臨近電壓測量,相敏模擬解調(diào)后由歸一化定標電路對信號動態(tài)范圍進行調(diào)整，最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換(12位)得到反映阻抗實部信息的104個獨立測量數(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、動態(tài)范圍壓縮等技術(shù)使系統(tǒng)達到0.29%的精度及每秒10組數(shù)據(jù)的測量速度。1995年，Smith和Brown等在MarkI的基礎(chǔ)上建立了第一個實時的供臨床基礎(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25幀/秒，能夠獲取人體胸腔的實時圖像。它已在英國皇家Hallamshire醫(yī)院進行臨床實驗。俄國研究小組也研制了一系列的單電源激勵的EIT成像系統(tǒng)，主要用于胸腔和肺部的檢測成像。牛津大學(xué)的研究小組己開發(fā)了幾套基于多個激勵源的阻抗成像系統(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、日等國也相繼有EIT硬件系統(tǒng)用于臨床數(shù)據(jù)采集的報道。俄國研究小組也研制了一系列的單電源激勵的EIT成像系統(tǒng)，主要用于胸腔和肺部的檢測成像。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。在電壓測量模塊部分，電壓信號經(jīng)放大器和低通濾波器后由14hit的ADC進行采樣，后端采用數(shù)字同步檢測器來測量電壓的實部數(shù)值。該系統(tǒng)的缺點是，由于采用了大量的電極數(shù)（256個），不能夠做到實時成像（采集一幅圖像所要的數(shù)據(jù)近似需要20秒的時間），成像效果較差，改善工作非常困難。目前，國際上有30多個研究小組從事EIT方面的基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究。每年在英國都要召開EIT國際研討會，并在維也納已連續(xù)召開了兩屆歐洲EIT聯(lián)合會。與以上這些國家相比，在國內(nèi)約有10來個研究小組從事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)計等方面的研究。目前主要集中于重建算法的計算機模擬，相對于EIT硬件系統(tǒng)的報道還很少。國內(nèi)從上世紀八十年代末由圖像重建算法開始進入EIT研究，至九十年代末陸續(xù)進人EIT系統(tǒng)研究。在國家自然科學(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EIT實驗裝置和研究平臺，已形成一支水平較高、相對穩(wěn)定的研究隊伍。一些研究小組已經(jīng)在乳腺腫瘤檢測，腦、腹部滲血監(jiān)護和肺功能測量等方面進入臨床應(yīng)用技術(shù)研究國家“十一五”計劃等也開始向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)召開了國內(nèi)第一屆EIT學(xué)術(shù)研討會，北航，河北工業(yè)大學(xué)，天津大學(xué)，中國醫(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個單位參加了會議并以上述幾個單位為主成立了聯(lián)合研究小組。二、本課題擬解決的問題本文的主要成果是對硬件電路的設(shè)計提出了以單片機為核心的EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計方案，實現(xiàn)了模塊的設(shè)計。完整的EIT系統(tǒng)應(yīng)包括用于激勵和測量的電極陣列，高穩(wěn)定性的交流激勵源，高精度的測量電路，相應(yīng)控制電路及由計算機系統(tǒng)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集與處理單元。EIT技術(shù)的發(fā)展是一個全面的、綜合的過程，在研究高精度高速度硬件系統(tǒng)的同時，還應(yīng)當從重構(gòu)算法、激勵及測量模式等其它幾個方面綜合研究，以促進這一技術(shù)盡快應(yīng)用到臨床功能成像及動態(tài)圖像監(jiān)護之中。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EIT進行實時圖像重構(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。同時討論了EIT成像系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)，并對數(shù)據(jù)采集模塊，交流信號源模塊，電極陣列控制模塊等給出了設(shè)計。由于EIT成像系統(tǒng)在人體組織內(nèi)建立的電流場為軟場，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作為一種無創(chuàng)的成像手段，目前均采用外部激勵、體表測量技術(shù)，致使EIT的被測信號非常微弱且動態(tài)范圍較大。硬件系統(tǒng)采集一組成像數(shù)據(jù)的獲取時間加上算法重構(gòu)一幅圖像時間應(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導(dǎo)致求解出的場域內(nèi)部電阻率分布有很大的變化，因此EIT測量統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性對電阻率成像結(jié)果有著非常重要的影響。三、解決方案及預(yù)期效果本文對整套單激勵源的EIT系統(tǒng)所需的基本模塊都進行了闡述和設(shè)計，重點放在對邊界電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊的設(shè)計上，并設(shè)計了以FPAG器件為核心數(shù)據(jù)采集模塊，由FGPA來完成對開關(guān)陣列的邏輯控制和對采樣信號的數(shù)字相敏解調(diào)。對電磁敏感場進行仿真研究，以便對陣列電極的形狀、結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化設(shè)計，采用高靈敏度的深部區(qū)域阻抗前級探測法，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)的獲取時間加上算法重構(gòu)一幅圖像時間小于20ms，滿足高速度的特性。數(shù)據(jù)精度高，抑制噪聲能力強°A/D轉(zhuǎn)換器的選擇要滿足以下幾個要求，采樣速率要求達到10M以上（由數(shù)字相敏解調(diào)算法的采樣點數(shù)N和原信號的頻率決定），精度為12bit，輸出為雙極性二進制補碼一方便數(shù)字解調(diào)器中的有符號數(shù)相乘運算。測量電路必須具有高的靈敏度和信噪比以解決被測信號非常微弱且動態(tài)范圍較大的問題。EIT作為一種無創(chuàng)的成像手段，目前均采用外部激勵、體表測量技術(shù)，致使EIT的被測信號非常微弱且動態(tài)范圍較大，因而要求測量電路必須具有高的靈敏度和信噪比。為充分利用EIT無創(chuàng)及功能成像的優(yōu)勢，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)的獲取時間加上算法重構(gòu)一幅圖像時間應(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)域阻抗前級探測法，提高入射電流的指向性或聚焦性。以上解決方案以達到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)是一項非侵入性并且相對廉價的監(jiān)測手段。考慮到患者自身體質(zhì)以及經(jīng)濟承受能力，這是非常有利的。四、課題進度安排2月21日?3月19日.畢業(yè)設(shè)計前期階段。畢業(yè)實習(xí)，查閱資料，市場調(diào)查，到多個公司實踐，撰寫實習(xí)報告。論文總體構(gòu)思方案，填寫開題報告。3月20日?5月7日.設(shè)計初稿階段。完成總體設(shè)計圖、部件圖、零件圖。5月8日?5月25日.中期工作階段。