一種多頻電阻抗成像信號源設計

曹宣

（南京郵電大學 自動化學院，江蘇 南京 210000）

電阻抗成像技術依據電阻率在生物體內部的分布情況，對生物組織進行檢測，是一種在生物組織病理檢測與臨床診斷方面具有很好發展前景的成像手段。

研究結論表明，生物組織內部阻抗信息會由于注入信號頻率的改變而發生相應變化，且不同生物組織在不同頻率電流注入下獲取得到的阻抗實部與虛部都是不盡相同的。因此，為了得到更多不同頻率激勵下生物組織的阻抗信息，多頻電阻抗成像信號源的研究設計尤為重要。

多頻信號源是多頻電阻抗成像硬件系統的重要組成部分，因此，對信號源的穩定性、精確度、動態范圍大小及信噪比高低等都有著比較高的要求。

1 系統結構

生物組織的阻抗由阻性（阻抗的實部）和容性部分（阻抗的虛部）兩部分組成。為了獲取生物組織阻抗特性的實部以及虛部信息，信號源部分需要同時產生頻率相同的正余弦電壓信號，因此，本文設計了符合多頻電阻抗成像系統要求的信號源。信號源整體結構如圖1所示，主要由FPGA、AD9767、LPF、第一級運放電路、第二級運放電路組成。

圖1 多頻電阻抗成像信號源硬件電路結構圖

1.1 基于FPGA的DDS-IP核

Χilinx公司生產的Spartan-6系列FPGA自帶的IP核模塊，其輸出信號頻率大小以及初始相位的偏移量可以通過相位增量PINC以及相位偏移量POFF來分別進行控制。在這里設置時鐘頻率FCLk=50 MHz，相位累加器數據位寬為29位。則初始相位φ和輸出信號頻率FOUT的關系表達式分別為：

1.2 基于AD9767的雙路14位的D/A電路

AD9767的2路DA輸出都為補碼形式的電流IOUTA和IOUTB.當AD9767數字輸入為滿量程，DAC CODE輸入的14位數據都為高時，IOUTA輸出滿量程的20 mA電流，IOUTB輸出0 mA電流。同樣，當AD9767數字輸入為0，DAC CODE輸入的14位數據都為低時，IOUTB輸出滿量程的20 mA電流，IOUTA輸出0 mA電流。具體的電流和DAC CODE數據的關系表達式如下所示：

其中，RSET=1.92 kΩ，IREF=0.625 mA，IOUTFS=20 mA。

1.3 基于AD8065的第一級運放轉換電路

雙路14位D/A數模轉換電路只能生成階梯信號，波形不夠平滑且存在毛刺，因此，需要將階梯信號送至低通濾波電路進行平滑處理。同時，AD9767輸出的是兩個差分電流信號，因此，還需要進行差分電流至單端電壓轉換。具體的第一級運放電路整體結構如圖2所示。

輸出的IOUTA和IOUTB先分別經過低通濾波電路進行信號平滑，再通過第一級運放AD8065轉換成峰值±1 V的單端電壓信號。具體輸出的差分電壓轉換表達式分別為：

圖2 第一級運放電路整體結構圖

1.4 基于AD8065的第二級運放調壓電路

第二級運放AD8065電路通過改變電位調節器RG的阻值，可以將電壓峰峰值變換到±5 V范圍以內。第二級運放電路的輸出信號輸入至電壓控制電流源電路就可以得到用于激勵注入的電流源，出于對人體安全考慮，注入的激勵電流不應大于5 mA，因此，本文設計滿足臨床應用要求，具體的第二級運放調壓電路結構如圖3所示。

圖3 第二級運放調壓電路結構圖

2 測試結果

多頻電阻抗成像系統中典型工作頻率主要有1 kHz、10 kHz、100 kHz以及500 kHz等，則對應的時間周期以及寫入PINC的值分別如表1所示。

表1 四組不同頻率對應的周期時間以及PINC的數值

圖4 1 kHz/±1 Vpp

圖5 10 kHz/±2 Vpp

圖6 100 kHz/±4 Vpp

圖7 500 kHz/±5 Vpp

4組實測波形結果通過示波器顯示分別如圖4～圖7所示。其中，CH1通道為正弦電壓信號輸出，CH2通道為余弦電壓信號輸出。CH1/CH2數字為縱向電壓幅值單位，M為橫向周期時間單位。

3 結論

本文設計的多頻電阻抗成像信號源具有調節便利快速、結構精簡、波形精度高等特點。通過示波器實測出來的正余弦電壓信號頻率可變，電壓幅值穩定。利用FPGA自帶的IP核資源，保證了激勵信號與解調所需參考信號之間的相位差始終在90°，這有效地克服了以往使用移相電路來進行相位翻轉過程中存在的元器件參數誤差的缺點，為多頻電阻抗成像硬件系統提供了良好的精度。同時，具有頻率可變，幅值可調特性的多頻電阻抗成像信號源拓寬了多頻電阻抗成像硬件系統的應用范圍，并且充實了不同生物組織在不同激勵頻率、不同幅值測試狀態下阻抗特性的實部以及虛部信息的數據儲備量，為生物組織信息檢測與臨床醫學成像方面提供了更加具體、可靠的理論依據與診斷方向。

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