论文部分内容阅读
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。