三维电阻抗成像系统设计

发布时间：2017-08-12 04:29

  本文关键词：三维电阻抗成像系统设计

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【摘要】：电阻抗断层成像技术(EIT:Electrical Impedance Tomography)是近30年才出现,继形态、结构成像之后,新一代的医学成像技术,它是现在生物医学工程学中的重大研究课题之一。由于电阻抗断层成像技术不使用核素、射线,所以对人体无伤害,并且具有可以多次测量、重复使用,成像速度比较快,及功能成像等特点,另外其成本比较低廉,对工作环境没有特殊的要求等。因此其作为一种理想的、有着诱人的应用前景的无损伤医学成像技术,迅速成为研究热点。 在先前的研究中,电阻抗断层成像技术的研究对象通常被假定在二维(2D)的平面结构,由于实际情况是研究对象一般为三维(3D)结构,因此激励电流是在立体空间内传导的,而不是仅仅限定在测量平面内传导。由于这一差异导致了重建图像显现出明显的误差,因此影响了EIT在诊断和病态分析中的作用。为了获得更多电阻抗信息,重建出更准确的图像,三维电阻抗成像(3D-EIT)成为研究的热点。既可以通过研究三维成像算法对生物体进行三维成像,也可以设计成像的数据采集系统对生物体进行三维数据采集。 本文研究工作主要包括两部分：一是基于准对角激励的模式下,进行3D EIT系统电极优化设计；二是基于FPGA的3D EIT数据采集系统设计。 一、3D EIT系统电极优化设计 1.利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics建立仿真模型。设计了4种双层32电极均匀分布的圆柱体试验仿真模型：方形电极(Ⅰ型)、圆形电极(Ⅱ型)、同心圆复合电极(Ⅲ型)、方圆复合电极(Ⅳ型) 2.仿真实验一：由于复合电极在激励-测量电极的不同导致6种情况的出现,在准对角电流激励-相邻测量模式下进行仿真试验,对三维场域中4个高度相等、电导率相同的物体,采用共轭梯度算法进行图像重建,并截取5个不同断层图像进行对比。利用测量电压动态范围D、敏感场灵敏度的均匀性P和重建图像的相关度R三种评价指标6种情况进行对比研究。结果表明外激内测式复合电极较优。 3.仿真实验二：在准对角电流激励-相邻测量模式下分别对4种电极结构在0.2-0.7之间8种占空比情况下进行仿真试验,求得雅可比系数矩阵,对三维场域中5个高度不等、电导率相同的物体,采用共轭梯度算法进行图像重建,并截取5个不同断层图像进行对比。利用测量电压动态范围D、敏感场灵敏度的均匀性P和重建图像的相关度R三种评价指标对所设计的4种电极结构进行对比研究。结果表明,占空比在0.4的情况下,4种电极都较好,Ⅳ型电极较优于其他3种。 二、基于FPGA的3D EIT数据采集系统设计 1.以Spartan3E系列XC3S500E-4PQ208型号的FPGA为核心,嵌入8位微处理器PicoBlaze实现恒流激励源、模拟开关通道切换、串口通信等逻辑控制功能。为了提高系统抗干扰性,采用Altium Designer软件设计了4层PCB数据采集板,并对每个模块进行逐个调试。 2.使用VHDL语言完成了FPGA的硬件开发,使用Delphi软件开发了上位PC机界面,实现数据的实时存储并绘制曲线。 3.利用单层标定板以及直径为30cm的物理实验水槽,对整个系统进行性能测试,实验结果表明该系统具有较好的信噪比和通道一致性,能够实现三维电阻抗数据采集功能。 4.在物理实验水槽中放入有机玻璃棒,基于准对角激励/相邻测量模式下进行数3D据采集,并利用共轭梯度算法进行图像重建。 文章最后,针对3D系统存在的问题,从电极、制板、调试方法等角度,提出了一些后续的改进方案。
【关键词】：3D EIT 电极优化 图像评价 FPGA
【学位授予单位】：天津科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP274.2;R310
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 前言10-17
• 1.1 生物医学电阻抗成像技术简介10-11
• 1.2 EIT技术的基本原理11-13
• 1.3 EIT技术的发展历史及趋势13-15
• 1.4 本论文的组织形式15-17
• 2 电阻抗成像理论基础17-22
• 2.1 EIT的数学模型17-18
• 2.2 EIT的正问题18-19
• 2.3 EIT的逆问题19-22
• 3 3D EIT 系统电极优化设计22-38
• 3.1 EIT电极系统22
• 3.2 环形电极阵列22-24
• 3.2.1 线电极与复合电极22-23
• 3.2.2 电极数的选择23
• 3.2.3 激励/测量模式23-24
• 3.3 基于COMSOL建立3D EIT系统电极模型24-27
• 3.3.1 COMSOL软件简介25
• 3.3.2 COMSOL建立仿真模型25-26
• 3.3.3 物理量设定26-27
• 3.4 正问题求解27-29
• 3.5 逆问题求解及图像重建29
• 3.6 3D EIT电极优设计29-38
• 3.6.1 评价指标30-31
• 3.6.2 激励/测量模式31
• 3.6.3 仿真实验31-38
• 4 基于FPGA的3D EIT数据采集系统设计38-56
• 4.1 3D EIT数据采集系统设计需考虑的主要问题38
• 4.2 3D EIT数据采集系统结构38
• 4.3 3D EIT数据采集系统结构设计38-50
• 4.3.1 FPGA 简介39-42
• 4.3.2 D/A转换模块42-44
• 4.3.3 二阶巴特沃斯低通滤波器44-45
• 4.3.4 VCCS 电路45
• 4.3.5 电极选通开关45-46
• 4.3.6 AD8130 差分放大电路46-47
• 4.3.7 可编程增益放大电路47-49
• 4.3.8 A/D转换模块49-50
• 4.4 3D EIT数据采集系统软件设计50-56
• 4.4.1 基于FPGA的开发工具50-51
• 4.4.2 FPGA的开发流程51-52
• 4.4.3 PicoBlaze 8位微控制器52
• 4.4.4 PicoBlaze 开发工具52-53
• 4.4.5 3D EIT数据采集系统的软件设计流程53-55
• 4.4.6 上位PC机界面55-56
• 5 系统性能测试及物理实验56-65
• 5.1 3D EIT数据采集系统电路板测试56
• 5.2 用纯电阻网络标定板进行测试56-59
• 5.3 用实验圆桶进行测试59-61
• 5.4 二维数据的采集及图像重建61-63
• 5.5 3D数据的采集及图像重建63-65
• 6 总结与展望65-66
• 7 参考文献66-72
• 8 论文发表情况72-73
• 9 致谢73

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 苟量,王绪本,曹辉;X射线成像技术的发展现状和趋势[J];成都理工学院学报;2002年02期

2 安源,任超世;电阻抗断层功能成像技术的发展[J];第四军医大学学报;2001年01期

3 尤富生,董秀珍,史学涛,付峰,刘锐岗,李江;电阻抗断层成像中临近和对向驱动模式的研究[J];第四军医大学学报;2004年01期

4 王化祥;王艳儒;;用于EIT成像系统的AD7008 DDS调制器[J];电子测量技术;1999年04期

5 王超;王化祥;;用于医学电阻抗成象电压控制电流源[J];电子测量技术;2001年03期

6 周国富;具有50MHz时钟率的AD7008单片CMOS DDS调制器[J];电子技术应用;1994年03期

7 任超世;EIT──一种诱人的医学成像新技术[J];电子科技导报;1996年05期

8 王妍,任超世;3D-EIT图像重建的研究进展[J];国外医学.生物医学工程分册;2003年06期

9 尤富生;电阻抗断层成像硬件系统[J];国外医学.生物医学工程分册;1998年03期

10 刘锐岗,董秀珍,秦明新;电阻抗断层成像的驱动模式[J];国外医学.生物医学工程分册;1999年01期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 范文茹;生物电阻抗成像技术研究[D];天津大学;2010年

2 张帅;人体胸腔电阻抗成像系统研究[D];河北工业大学;2009年

3 王妍;电阻抗断层成像电极系统性能与评价方法研究[D];中国协和医科大学;2009年

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本文编号：659787