基于虛擬儀器的電阻抗斷層成像測量系統設計

李日輝，李雅寧 吳俊鵬，李偉波 高金武

中山大學工學院，廣東 廣州 510006

基于虛擬儀器的電阻抗斷層成像測量系統設計

李日輝，李雅寧 吳俊鵬，李偉波 高金武

中山大學工學院，廣東 廣州 510006

電阻抗斷層成像技術是一種新興的功能性成像技術，數據采集和處理是電阻抗成像的關鍵環節。本文設計了一個基于虛擬儀器的電阻抗成像測量系統，闡述了如何快速搭建一個實用性強的測量系統。硬件設計方面使用美國NI公司的DAQ數據采集卡作為核心，簡化了整個系統的硬件結構，提高了系統的穩定性和精確度。軟件方面使用LABVIEW進行激勵-測量方式控制以及后期數據處理。經過實驗，初步驗證了系統的實用性。使用虛擬儀器，為搭建高性能、擴展性強的電阻抗斷層成像系統提供了一個新的方式。

虛擬儀器；電阻抗成像測量系統；LABVIEW

0 前言

電阻抗斷層成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）技術，是基于生物組織電學特性（如電導率）的不同，通過給生物體注入一定的安全激勵電流（或電壓）信號，測量生物體的體表電壓（或電流）信號來重建人體內部的電阻抗分布。EIT作為一種新的醫學成像技術，具有無損傷、功能成像和醫學圖像監護三大突出優勢[1-2]。在近年來受到國際學術界的廣泛關注，并呈現出很好的應用前景[3-4]。

在目前的電阻抗成像系統中，大多都是基于DSP和FPGA的協調工作來采集數據并處理數據，把處理后的數據送到PC機進行圖像顯示[5,6]。但是這種基于硬件為主的數據采集系統設計通常硬件結構比較復雜，以求達到較高的穩定性和精度。因此本文將虛擬儀器引入到了電阻抗斷層成像系統的設計中。虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）以硬件系統為基礎，借助于計算機軟件平臺建立測試與控制系統。用戶可以根據自己的實際需求，通過修改軟件來設計自己所需的儀器系統。其“軟件即儀器”的設計思想，讓設計變得更加簡單高效，且精度高、可移植性強、有強大的數據分析處理能力。使用虛擬儀器，為搭建高性能、擴展性強的電阻抗斷層成像系統提供了一個新的方式。

1 硬件系統設計

1.1 系統組成

本系統主要由激勵模塊、多通道模塊、信號調理模塊、數據采集模塊和LABVIEW主控模塊組成，系統框圖如圖1所示。

圖1 EIT系統框圖

系統的工作原理為：首先由LABVIEW主控模塊輸出一定頻率（約10～500 kHz），振幅為1 V的正弦電壓信號，由激勵模塊的電壓/電流轉換電路（Voltage Controlled Current Source）把正弦電壓信號轉換成同頻率的正弦電流信號，該信號經由多通道開關控制的激勵通道通過電極注入待成像目標。由多通道開關控制的測量通道通過電極提取兩路測量的電壓信號。該電壓信號經過帶通濾波器后進入前置差分放大器進行差分放大，隨后再次經帶通濾波器濾除干擾信號后通過運算放大器進行二級放大，經由交流轉直流芯片后變成直流信號，最后由數據采集卡采集信號并傳輸到由LABVIEW主控模塊，在LABVIEW里面進行數據處理、分析及存儲。

1.2 激勵源

生物電阻抗測量系統中普遍采用電流源作為激勵[7]。由于LABVIEW產生的電壓信號精度高，且干擾噪聲較少，所以本系統采用LABVIEW產生一定頻率的正弦電壓信號，然后利用電壓/VCCS電流轉換電路）把該電壓信號轉換成電流信號。系統采用的VCCS如圖2所示。

圖2 電壓/電流轉換電路（VCCS）

1.3 多通道開關

多通道開關的選擇主要考慮以下幾個參數：通道的數量、導通電阻、通道一致性、導通速度[8]。本系統采用的電極陣列為16電極，因而選用16選1的模擬多路開關ADG1606（美國ADI公司生產），導通電阻典型值為4.5 Ω，通道間的電阻匹配誤差為0.5 Ω，開關時間＜214 ns，且其通道間串擾＜-62db，導通時對地漏電流＜0.3 nA。通道的選取由LABVIEW編程直接控制。

1.4 信號測量和調理

從成像目標測得的感應電壓信號的基本特征是信息量大、信噪比低、信號微弱、并伴有較大的共模干擾等[9-10]，為有效地提取信號帶來了困難。

本系統對測得電極對上的電壓信號采用二級放大方法。從測量電極對上提取出的兩路電壓信號經過電壓跟隨電路處理后的通過一個帶通濾波器濾除原始信號中的干擾信號。選用的濾波器是美信公司的MAX263，濾波后的信號由AD624進行前置差分放大。

經過AD624放大的信號再次使用MAX263進行帶通濾波，然后經過OP07再一次進行放大。研究表明生物組織的電特性在10～300 kHz的范圍內表現比較豐富[11]，而在該范圍內阻抗的虛部信息很微弱，因此本系統不對信號進行解調，而是利用交流轉直流芯片AD637將OP07放大后的交流信號轉為直流信號，直接求得阻抗信號的真有效值（RMS）。RMS的計算公式如下：

其中，VPEAK為輸入信號的峰峰值。

1.5 數據采集模塊

系統選用了美國NI USB-6341作為數據采集卡，基于USB進行通訊，使得系統在軟、硬件接口方面具有良好的適應性。USB-6341主要的功能和參數如下：

（1）模擬輸入：具有16路單端輸入通道，8路差分輸入通道數，16位AD采集，采樣率最高達500 KS/s，模擬輸入最大的電壓范圍是（-10～10 V）。本系統采用參考地單端輸入的模擬信號輸入方式，把下位機的電壓模擬量轉換為數字量，從而為后續的數字化處理提供數據。16位的AD可以保證系統能夠檢測到mV級別的電壓變化量，從而提高了測量的精度，使得系統的成像精度得到了很高的提升。

（2）模擬輸出：具有2路模擬輸出通道，分辨率16 bits，最大模擬輸出電壓范圍是（-10～10 V）。傳統的電阻抗系統產生恒流源的方式是使用一個直接數字式頻率合成（Direct Digital Synthesizer，DDS）芯片來產生正弦電壓信號，而利用LABVIEW控制板卡的模擬輸入恒定的正弦電壓信號，不僅省去DDS芯片的使用，還能保證激勵信號的穩定性和精度。

（3）數字I/O：24路雙向通道，最大時鐘速率為10 MHz，邏輯電平TTL。本系統使用16路的數字I/O，主要用于上位機控制測量和輸入通道的通信。10 MHz的時鐘速率可以保證上位機能夠及時快速的控制多通道開關，從而高效的控制不同激勵和測量通道的切換，確保系統的精度。

2 軟件系統設計

本設計基于LABVIEW語言開發了電阻抗測量系統的主控模塊。主控模塊主要包括兩個部分：激勵-測量控制模塊和數據分析處理模塊。

2.1 激勵-測量控制模塊

激勵-測量控制模塊主要用于精確控制激勵電流注入目標的電極和測量目標邊界電壓的電極。本系統采用16電極通道，根據需要，可以從操作界面上直接輸入任意一對激勵電極和任意一對測量電極的編號進行測量，也可以在用戶界面設置相鄰激勵-相鄰測量、相對激勵-相鄰測量等不同的激勵-測量的方式，系統會自動完成不同方式的測量任務。此外，用戶還能夠隨時調整激勵電流的大小和頻率，實現混頻測量的功能。激勵-控制模塊完成相鄰激勵-相鄰測量的程序流程如圖3所示。

圖3 相鄰激勵-相鄰測量的程序流程圖

2.2 數據分析處理模塊

數據分析處理模塊的主要功能將數據采集卡采集到的信號進行分析和處理。該模塊每一次測量均采集若干個點求均值后作為本次測量的測量值進行實時顯示和存儲。

3 實驗驗證

實驗采用基于物理模型的方法來驗證系統測量的通道一致性[12]，實驗環境和系統如圖4所示。實驗中使用16電極系統，電極使用寬銅電極，每個電極的尺寸是15 mm×25 mm。同時在直徑為30 cm、高為45 cm的圓柱形水槽中盛有電導率為30 mS/cm的生理鹽水，采用相鄰激勵-相鄰測量的方式進行測量，系統的通道一致性如圖5所示。從圖中可以看出系統測量的通道一致性驗證符合預期，精度較高。

圖4 實驗環境和系統

圖5 系統通道一致性驗證

4 總結

本文介紹了以虛擬儀器為核心，構建具有簡單硬件結構的電阻抗成像系統，在簡化了硬件設計的同時，增強了系統的擴展性。采用NI的USB-6341數據采集卡，不僅使系統能夠及時處理大量數據，提高了系統的測量精度，而且能夠縮短搭建系統的時間。在控制方面，基于LABVIEW的主控模塊可以方便控制激勵-測量模式和激勵信號的大小和頻率，從而易于開發出多頻測量系統。

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[12] 朱清友．基于虛擬儀器的電阻抗成像算法研究 [D]．重慶:重慶大學,2008．

Design of Electrical Impedance Tomography Measuring System based on Virtual Instrument

LI Ri-hui, LI Ya-ning WU Jun-peng, LI Wei-bo GAO Jin-wu
School of Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou Guangdong 510006, China

Electrical impedance tomography (EIT) is a new kind of functional imaging technique. Data acquisition and processing are essential for the EIT. This paper presents a measuring system for EIT based on virtual instrument and explains how to build up a practical EIT system quickly. A data acquisition card is the core of the hardware system which simplifes the hardware structure of the system as well as improving the stability and accuracy of the system. The LABVIEW is applied to control the stimulation-measurement mode and data processing. A preliminary experiment has been taken to verify the practicability of the system. The EIT system based on virtual Instrument provides a new way to establish a high-performance and fexible EIT system.

virtual instrument; EIT measuring system; LABVIEW

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.03.004

1674-1633(2014)03-0011-03

2013-12-14

廣東省自然科學基金博士啟動（S2012040007715）；大學生創新訓練計劃項目（1055813028）資助。