感应电流电阻抗成像的硬件系统

本回顾了感应电流电阻抗成像技术的发展历史及现状，指出了其研究意义。对感应电流电阻抗成像的硬件系统主要采用的技术进行了介绍，并讨论了研究中存在的关键问题。最后总结了今后工作可能的研究方向。     

一个感应电流电阻抗断层成像的数据采集系统

感应电流电阻抗断层成像(ICEIT)是电阻抗断层成像的一个分支。我们设计并实现了一个基于物理模型的32电极高精度ICEIT数据采集硬件系统。提出了一种新的有效抑制电极引线回路中附加感生电动势的方法。通过采用双引线电极和垂直引线技术,使引线回路中的附加感生电动势降低为未采用前的10%,提高了系统的总体精度。对硬件系统的测量结果表明,对测得的数据经1000次叠加后测量精度优于0.5%。采用重建算法对基于物理模型的测量数据进行图像重构,得到了较为理想的成像结果。     

一种基于FPGA的数字EIT系统的实验研究

以FPGA芯片为核心的数字化生物电阻抗测量实验平台,主要完成直接数字频率合成(DDS)的电流源模块、V/I变换和数字解调模块的研究.采用DDS技术生成正弦信号发生器,由THS4021改进的Howland电路设计压控电流源,在不同负载条件下测量其输出电流幅值的频率响应,并在不同频率下测量电流源的输出阻抗,对恒流源性能的稳定性和精度进行测定.解调方法采用数字化解调,测试不同激励频率下的数字正交解调输出误差变化情况.最后采用盐水槽实验系统进行成像实验.结果表明,电流源可在6.1～390.6 kHz范围输出多频激励信号,在600 kHz前保持在190 kΩ的输出阻抗.当信号频率从200 kHz逐渐增加到1.6 MHz时,解调电路输出的I和Q路误差逐渐增加,对应的幅度误差从1.13％增加到7.19％,相位误差从1.03％增大到5.34％.采用相邻激励-相邻测量模式对环氧树脂棒进行盐水槽成像实验,成像结果表明系统能够对单个目标物体实现较准确的定位,验证了本研究平台的可行性.     

感应电流电阻抗成像的硬件系统

本文回顾了感应电流电阻抗成像技术的发展历史及现状 ,指出了其研究意义。对感应电流电阻抗成像的硬件系统主要采用的技术进行了介绍 ,并讨论了研究中存在的关键问题。最后总结了今后工作可能的研究方向     

信噪比对不同EIT图像重建算法的影响研究及评价

探索不同位置单目标和多目标电阻抗断层成像(EIT)中,信噪比对不同EIT图像重建算法应用效果的影响。针对16电极系统,通过仿真获取EIT场域理想边界电压作为理想EIT系统的采集信号,对理想系统所有通道采集的数据整体添加高斯白噪声,模拟信噪比为40、60、80 dB的EIT检测系统的测量电压。采用等位线反投影(LBP)、基于Newton-Raphson算法的Tikhonov正则化(NR Tikhonov)和Tikhonov-Noser组合正则化(NR Tikhonov-Noser)、Landweber迭代以及Newton-Raphson 5种算法,重建EIT图像。引入重建误差ER和结构相似度函数SSIM,定量评价成像效果。结果表明,当单目标由场域中心向场域边界移动时,5种算法的SSIM都增大;当目标位置靠近边界但个数增加时,5种算法的ER都增大。LBP和NR Tikhonov-Noser在3种信噪比的系统中均可对5种目标模型成像,5种算法中NR Tikhonov-Noser成像质量最好。对场域中心的目标A,Newton-Raphson算法在40 dB信噪比时无法成像,NR Tikhonov、Landweber在40和60 dB时均不能获得有效图像。在80 dB系统中,LBP成像效果不及另4种算法。不同算法成像对EIT检测系统信噪比的要求不一致,应依据构建的EIT检测系统信噪比指标和具体应用目标择优选取成像算法。NR Tikhonov-Noser可作为一般情况下的首选算法,信噪比低于60 dB的系统建议选择LBP,80 dB以上的系统不建议选择LBP。60 dB左右的系统还建议可选择Newton-Raphson算法成像。     

电阻抗与EIT 测量微系统设计

以微系统结构、高稳定性为设计目标,构建一套基于ATmega16单片机和AD5933的电阻抗与EIT测量微系统。AD5933芯片内部集成了DDS部分、滤波放大部分、12位A/D转换部分和片上的DSP离散傅里叶变换解调部分,避免了各个模块时序不一致造成的误差,提高了系统的稳定性和抗干扰性。基于Matlab平台开发图形用户界面(GUI),实现了数据无线通讯、阻抗图谱绘制、特征参数计算、EIT图像重建。对均匀场进行100次数据采集,系统信噪比达70 dB。对高精度电阻、离体猪肉分别进行阻抗测试,根据Cole-Cole理论,绘制了阻抗圆图,测量结果与最小二乘算法拟合效果相符。针对16电极实验槽中不同位置和不同数量的有机玻璃棒分布,采用高斯牛顿重建算法进行电阻抗图像重建,成像效果良好,验证了系统的有效性与可行性。     

医学EIT复合电极结构参数优化设计

目的探索医学EIT复合电极结构参数变化对系统性能的影响。方法采用笔者建立的EIT电极结构及参数优化设计方法对复合电极进行了仿真研究，研究了位于成像区域不同位置的成像目标，复合电极各结构参数改变对成像质量和系统检测灵敏度影响的规律。结果和结论各结构参数的影响错综复杂，采用多参数仿真实验的方法是一种有效的方法。     

头部组织感应电流磁共振电阻抗成像仿真研究

将感应电流磁共振电阻抗成像(IC-MREIT)应用于人体头部组织电导率重构,并在三层球头模型上进行仿真研究.首先建立二次磁场Z方向磁感应强度摄动对有限元头模型中单元电导率摄动的灵敏度矩阵;然后分析系统中激励线圈个数、激励线圈与三层球头模型相对位置及激励线圈半径等因素对灵敏度矩阵性态的影响,为IC-MREIT系统激励线圈优化设计提供指导;最后采用灵敏度矩阵法对三层球头模型非均匀电导率分布进行重构,仿真结果证明IC-MREIT技术用于重构头部组织电导率分布是可行的,在无创头部组织电导率检测领域具有潜在的应用价值.     

一个基于物理模型的生物电阻抗断层成像系统的研究

电阻抗断层成像(electrical impedance tomography,EIT)是以目标体内电阻抗的分布或变化为成像对象的一种新型成像技术.它具有简便、无创、造价较低的优势,并具有功能成像及动态图像监护的优点.我们设计了基于物理模型的EIT系统,该系统由硬件系统和软件系统组成.硬件系统由32电极、物理模型、恒流驱动模块、信号检测模块、数据采集模块、驱动及测量模式设置模块、多组电源模块以及计算机等组成.我们主要在图像重构模式和算法方面进行了研究,实现了等位线反投影动态重构算法法并提出了广义逆动态重构算法.应用该系统在物理模型上得到了较好的结果.     

实用化EIT条件下不同激励模式成像效果仿真研究

目前常用的电阻抗断层成像(EIT)相邻激励-相邻测量模式下,有限测量分辨率(MR)和信噪比(SNR)的系统往往难于分辨微小电位差,影响图像重建。通过获取16电极EIT系统均匀场在相邻、间隔6电极和相对激励模式下的理想仿真边界电压,分析实用化EIT系统成像对MR和SNR的要求,仿真模拟了不同MR和SNR测量条件下3种激励模式对近场域中心目标A、场域1/2半径处目标B、近场域边缘目标C的成像。图像重建采用Tikhonov Noser组合正则化算法,引入图像重建误差函数和结构相似度函数定量评价成像效果。结果表明,各激励模式对不同目标成像要求的MR和SNR不同。MR为1 mV和0.01 mV时,成像效果分别是间隔6电极激励和相邻激励最优;MR为0.1 mV时对模型A、B成像间6激励更优,对模型C成像相邻激励更好。间隔6电极和相对激励对模型A、B、C成像要求的SNR临界值分别为50、40和30 dB,都比相邻激励低10 dB,临界值附近间6成像效果最优,其次是相对激励,SNR高于临界值10 dB时相邻激励成像质量最高。低MR和高MR时影响成像的主要指标分别是各模式边界电压次小值与最小值之差和独立测量数。建议低MR成像时优先选择间6激励,其次是相对激励,高MR时选择相邻激励,MR为0.1 mV时近场域边缘目标成像选择相邻激励而近场域中心目标成像选择间6激励。低SNR和高SNR时影响成像的是测量电压数组整体的数值大小和独立测量数。模型A、B、C成像时若SNR分别在50、40和30 dB的临界值附近建议选择间隔6电极和相对激励,一旦SNR高于临界值10 dB,建议选择相邻激励。     

胃区3层EIT模型构建和仿真

构建3层电阻抗成像技术(EIT)模型,研究不同电极激励模型下胃排空信息的规律,以及胃内容物电导率不同时胃阻抗测量信号的变化情况。利用COMSOL MULTIPHYSICS仿真软件,以人体解剖学为基础,构建包含胃、肝胆的人体腹腔模型,并在模型外构建3层电极模型,每层16个电极,以5 mA的安全电流为激励源进行仿真。分别设定相对和相邻电极激励模型,设定不同的胃内容物,即绝缘试餐0.054 S/m、导电试餐1 S/m和中性试餐0.5 S/m等3种条件,用以模拟不同食物在胃内的情况;设定胃体积由2倍变为1倍的过程,模拟胃排空过程,进行仿真实验研究。包括对测量电压进行数据分析,利用评价参数边界测量电压敏感性δ,利用边界电压测量动态范围U~,对测量电压进行稳定性和检测效果的评价。相对电极模型的测量电压敏感性δ较高,且其在绝缘试餐时较导电试餐时小;而相邻模型的δ在绝缘试餐时较导电试餐时大,边界测量动态范围U~也相对更大。对测量的敏感性而言,在试餐电导率0.054 S/m时,两种激励模式分别为34.13与34.25;试餐电导率1 S/m时,两种激励模式分别为33.60与26.68。3层EIT模型可提供达24×23×3组水平测量数据组,以及根据测试需求的可扩展交叉激励数据组,能够得到更多的胃排空信息,有效地反映胃内容物情况,以及胃排空过程的信息关系。     

Design of an electrical impedance tomography phantom using active elements

The architecture of a novel phantom for electrical impedance tomography (EIT) is proposed. The design employs active elements, which include multiplying digital to analogue converters (MDAC), so that the impedance distribution in the phantom may be varied dynamically using computer control. The phantom is designed to assist in the validation of an EIT system under test. A number of published layouts for passive phantoms are analysed, and the requirements for an active element are specified for the most applicable of these. The use of active elements throughout a phantom imposes significant costs because of the need for each active element to operate independently. This proposal limits the cost and complexity by employing active elements in a restricted region of the phantom. Currently available technology, principally due to the limited analogue bandwidth of the MDAC, precludes the construction of a fully capable phantom from active elements. However, a design is specified that would enable its future development to cover the frequency range from 10kHz to 1 MHz.     

基于Polar表数据的体能训练生理负荷强度分析系统的研究

芬兰的 Polar表在运动训练中是最普遍的仪器之一 ,对运动训练起着重要的作用。本研究开发了一套利用现有 Polar表测得的数据 ,进行体能训练生理负荷分析的系统。初步建立了一套体能训练生理负荷量的现场分析指标体系和训练分析报告 ,分析报告的指标体系包括 5个大类 ,12 7项量化具体分析指标 ,反映其运动生理负荷的分布情况 ,为教练员提供一系列参数指标 ,以便科学地指导训练 ,提高运动成绩。     

An Experimental Study on the Effect of the Anisotropic Regions in a Realistically Shaped Torso Phantom

Determination of electrically active regions in the human body by observing generated bioelectric and/or biomagnetic signals is known as source reconstruction. In the reconstruction process, it is assumed that the volume conductor consists of isotropic compartments and homogeneous tissue bioelectric parameters but this assumption introduces errors when the tissue of interest is anisotropic. The aim of this study was to investigate changes in the measured signal strengths and the estimated positions and orientations of current dipoles in a realistically shaped torso phantom having a heart region built from single guar gum skeins. Electric data were recorded with 60 electrodes on the front of the chest and 195 sensors measured the magnetic field 2 cm above the chest. The artificial rotating dipoles were located underneath the anisotropic skeins distant from the sensors. It was found that the signal strengths and estimated dipole orientations were influenced by the anisotropy while the estimated dipole positions were not significantly influenced. The signal strength was reduced between 17% and 43% for the different dipole positions when comparing the parallel alignment of dipole orientation and anisotropy direction with the orthogonal alignment. The largest error in the estimation of dipole orientation was 42 degrees. The observed changes in the magnetic fields and electric potentials can be explained by the fact that the anisotropic skeins force the current along its direction. We conclude that taking into account anisotropic structures in the volume conductor might improve signal analysis as well as source strength and orientation estimations for bioelectric and biomagnetic investigations.     

乳腺检测的高精度EIT系统的设计

目的 设计用于乳腺检测的多通道串并结合处理的高精度电阻抗断层成像数据采集系统.方法 以ADuC845为控制核心,机械开关与模拟开关相结合的办法设计并实现高精度、多模式16电极电阻抗断层成像（EIT）硬件系统,编写上位机软件平台用于数据的通讯与处理.结果 使用该系统进行了初步的成像实验,取得了较好的成像结果.结论 采用多通道高精度EIT系统进行乳腺检测是可行的,且可作为一种辅助手段应用于乳腺疾病的诊断与治疗.     

横向电场作用下外周神经兴奋特性的实验研究

传统的外周神经电缆方程只能描述纵向电场刺激下外周神经兴奋,实验发现在脉冲磁场诱导的横向电场作用下也可使神经兴奋,从而揭示出需要进一步对感应电场兴奋外周神经的机理进行研究。本文研究了横向电场作用下外周神经的兴奋特性,以在体的人体正中神经为例研究了横向电场作用下外周神经兴奋点的位置、刺激阈值、及刺激阈值与纤维半径的关系,以离体的蟾蜍坐骨神经为例研究了刺激阈值与作用时间的关系。实验结果验证了改进的电缆方程的有效性。实验研究成果有助于磁刺激技术的进一步发展与应用。     

节点反投影方法在三维EIT模型中的仿真与实验研究

电阻抗成像(EIT)技术中逆问题的病态特性是造成重建图像分辨率较低的主要原因之一,增加先验信息是改善成像效果的可行方法.建立三维圆柱体仿真模型,对边界电压数据进行多项式曲面拟合,增加先验信息,采用节点反投影方法进行图像重建.对两种目标模型进行仿真实验,并利用本实验室设计的128通道EIT系统进行水槽物理模型重建实验.仿真实验结果表明,较之传统的反投影方法,两种目标模型采用节点反投影方法重建的总体误差分别降低了8.87％和6.85％;在物理模型中,重建图像可清晰显示目标物体.所提出的方法有望用于提高临床检测与监护的成像质量.     

Experimental investigation of the mammary gland tumour phantom for multifrequency microwave radio-thermometers

Microwave radiometry is a spectral measurement technique for resolving the electromagnetic radiation of matter when its temperature is above absolute zero. The radio-thermometer utilises this technique and consequently can provide temperature distributions in subcutaneous biological tissues. A new phantom was proposed that imitates a mammary gland tumour, and the brightness temperature was observed using radio-thermometers operated at different frequencies, 1.75 GHz and 3 GHz. The proposed phantom, simulating heat diffusion propagated by tissues around real tumours, revealed that the thermal characteristics of the tumour imitator were well matched to the heat transfer properties of a real tumour and a proportional linear relationship between the location of the tumour imitator and the brightness temperature in a homogenous medium was established. From experiments using the proposed mammary gland tumour phantom and a clinical trial on patients with breast cancer, it could be concluded that a radio-thermometer with a short wavelength (λ=10 cm, i.e., f=3 GHz) is useful to resolve a thermal anomaly at a shallow depth in an homogenous medium such as a breast.     

绝缘性容器壁对磁感应断层成像相位检测的影响研究

研究绝缘性容器对磁感应断层成像相位检测的影响关系。使用绝缘性的有机玻璃制作容器,其内充入饱和CaSO_4溶液,将其置入充入饱和CaSO_4溶液的圆柱形水槽式物理模型之中,分别测量置入容器前后的磁感应相位差。选择两种尺寸的有机玻璃容器,分别进行上述实验过程。使用实心有机玻璃棒逐步浸入饱和CaSO_4溶液之中,每下降1 cm测量一次磁感应相位差,绘制相位差随浸入深度的变化曲线。两种有机玻璃容器壁的体积与磁感应相位差的比例相近,相位差随浸入深度的变化曲线近似呈线性关系。绝缘性的有机玻璃容器对磁感应相位的测量值有影响,减小容器壁的体积可减轻这种影响。