基于虚拟仪器的电阻抗断层成像测量系统设计

李日辉，李雅宁 吴俊鹏，李伟波 高金武

中山大学工学院，广东 广州 510006

基于虚拟仪器的电阻抗断层成像测量系统设计

李日辉，李雅宁 吴俊鹏，李伟波 高金武

中山大学工学院，广东 广州 510006

电阻抗断层成像技术是一种新兴的功能性成像技术，数据采集和处理是电阻抗成像的关键环节。本文设计了一个基于虚拟仪器的电阻抗成像测量系统，阐述了如何快速搭建一个实用性强的测量系统。硬件设计方面使用美国NI公司的DAQ数据采集卡作为核心，简化了整个系统的硬件结构，提高了系统的稳定性和精确度。软件方面使用LABVIEW进行激励-测量方式控制以及后期数据处理。经过实验，初步验证了系统的实用性。使用虚拟仪器，为搭建高性能、扩展性强的电阻抗断层成像系统提供了一个新的方式。

虚拟仪器；电阻抗成像测量系统；LABVIEW

0 前言

电阻抗断层成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）技术，是基于生物组织电学特性（如电导率）的不同，通过给生物体注入一定的安全激励电流（或电压）信号，测量生物体的体表电压（或电流）信号来重建人体内部的电阻抗分布。EIT作为一种新的医学成像技术，具有无损伤、功能成像和医学图像监护三大突出优势[1-2]。在近年来受到国际学术界的广泛关注，并呈现出很好的应用前景[3-4]。

在目前的电阻抗成像系统中，大多都是基于DSP和FPGA的协调工作来采集数据并处理数据，把处理后的数据送到PC机进行图像显示[5,6]。但是这种基于硬件为主的数据采集系统设计通常硬件结构比较复杂，以求达到较高的稳定性和精度。因此本文将虚拟仪器引入到了电阻抗断层成像系统的设计中。虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）以硬件系统为基础，借助于计算机软件平台建立测试与控制系统。用户可以根据自己的实际需求，通过修改软件来设计自己所需的仪器系统。其“软件即仪器”的设计思想，让设计变得更加简单高效，且精度高、可移植性强、有强大的数据分析处理能力。使用虚拟仪器，为搭建高性能、扩展性强的电阻抗断层成像系统提供了一个新的方式。

1 硬件系统设计

1.1 系统组成

本系统主要由激励模块、多通道模块、信号调理模块、数据采集模块和LABVIEW主控模块组成，系统框图如图1所示。

图1 EIT系统框图

系统的工作原理为：首先由LABVIEW主控模块输出一定频率（约10～500 kHz），振幅为1 V的正弦电压信号，由激励模块的电压/电流转换电路（Voltage Controlled Current Source）把正弦电压信号转换成同频率的正弦电流信号，该信号经由多通道开关控制的激励通道通过电极注入待成像目标。由多通道开关控制的测量通道通过电极提取两路测量的电压信号。该电压信号经过带通滤波器后进入前置差分放大器进行差分放大，随后再次经带通滤波器滤除干扰信号后通过运算放大器进行二级放大，经由交流转直流芯片后变成直流信号，最后由数据采集卡采集信号并传输到由LABVIEW主控模块，在LABVIEW里面进行数据处理、分析及存储。

1.2 激励源

生物电阻抗测量系统中普遍采用电流源作为激励[7]。由于LABVIEW产生的电压信号精度高，且干扰噪声较少，所以本系统采用LABVIEW产生一定频率的正弦电压信号，然后利用电压/VCCS电流转换电路）把该电压信号转换成电流信号。系统采用的VCCS如图2所示。

图2 电压/电流转换电路（VCCS）

1.3 多通道开关

多通道开关的选择主要考虑以下几个参数：通道的数量、导通电阻、通道一致性、导通速度[8]。本系统采用的电极阵列为16电极，因而选用16选1的模拟多路开关ADG1606（美国ADI公司生产），导通电阻典型值为4.5 Ω，通道间的电阻匹配误差为0.5 Ω，开关时间＜214 ns，且其通道间串扰＜-62db，导通时对地漏电流＜0.3 nA。通道的选取由LABVIEW编程直接控制。

1.4 信号测量和调理

从成像目标测得的感应电压信号的基本特征是信息量大、信噪比低、信号微弱、并伴有较大的共模干扰等[9-10]，为有效地提取信号带来了困难。

本系统对测得电极对上的电压信号采用二级放大方法。从测量电极对上提取出的两路电压信号经过电压跟随电路处理后的通过一个带通滤波器滤除原始信号中的干扰信号。选用的滤波器是美信公司的MAX263，滤波后的信号由AD624进行前置差分放大。

经过AD624放大的信号再次使用MAX263进行带通滤波，然后经过OP07再一次进行放大。研究表明生物组织的电特性在10～300 kHz的范围内表现比较丰富[11]，而在该范围内阻抗的虚部信息很微弱，因此本系统不对信号进行解调，而是利用交流转直流芯片AD637将OP07放大后的交流信号转为直流信号，直接求得阻抗信号的真有效值（RMS）。RMS的计算公式如下：

其中，VPEAK为输入信号的峰峰值。

1.5 数据采集模块

系统选用了美国NI USB-6341作为数据采集卡，基于USB进行通讯，使得系统在软、硬件接口方面具有良好的适应性。USB-6341主要的功能和参数如下：

（1）模拟输入：具有16路单端输入通道，8路差分输入通道数，16位AD采集，采样率最高达500 KS/s，模拟输入最大的电压范围是（-10～10 V）。本系统采用参考地单端输入的模拟信号输入方式，把下位机的电压模拟量转换为数字量，从而为后续的数字化处理提供数据。16位的AD可以保证系统能够检测到mV级别的电压变化量，从而提高了测量的精度，使得系统的成像精度得到了很高的提升。

（2）模拟输出：具有2路模拟输出通道，分辨率16 bits，最大模拟输出电压范围是（-10～10 V）。传统的电阻抗系统产生恒流源的方式是使用一个直接数字式频率合成（Direct Digital Synthesizer，DDS）芯片来产生正弦电压信号，而利用LABVIEW控制板卡的模拟输入恒定的正弦电压信号，不仅省去DDS芯片的使用，还能保证激励信号的稳定性和精度。

（3）数字I/O：24路双向通道，最大时钟速率为10 MHz，逻辑电平TTL。本系统使用16路的数字I/O，主要用于上位机控制测量和输入通道的通信。10 MHz的时钟速率可以保证上位机能够及时快速的控制多通道开关，从而高效的控制不同激励和测量通道的切换，确保系统的精度。

2 软件系统设计

本设计基于LABVIEW语言开发了电阻抗测量系统的主控模块。主控模块主要包括两个部分：激励-测量控制模块和数据分析处理模块。

2.1 激励-测量控制模块

激励-测量控制模块主要用于精确控制激励电流注入目标的电极和测量目标边界电压的电极。本系统采用16电极通道，根据需要，可以从操作界面上直接输入任意一对激励电极和任意一对测量电极的编号进行测量，也可以在用户界面设置相邻激励-相邻测量、相对激励-相邻测量等不同的激励-测量的方式，系统会自动完成不同方式的测量任务。此外，用户还能够随时调整激励电流的大小和频率，实现混频测量的功能。激励-控制模块完成相邻激励-相邻测量的程序流程如图3所示。

图3 相邻激励-相邻测量的程序流程图

2.2 数据分析处理模块

数据分析处理模块的主要功能将数据采集卡采集到的信号进行分析和处理。该模块每一次测量均采集若干个点求均值后作为本次测量的测量值进行实时显示和存储。

3 实验验证

实验采用基于物理模型的方法来验证系统测量的通道一致性[12]，实验环境和系统如图4所示。实验中使用16电极系统，电极使用宽铜电极，每个电极的尺寸是15 mm×25 mm。同时在直径为30 cm、高为45 cm的圆柱形水槽中盛有电导率为30 mS/cm的生理盐水，采用相邻激励-相邻测量的方式进行测量，系统的通道一致性如图5所示。从图中可以看出系统测量的通道一致性验证符合预期，精度较高。

图4 实验环境和系统

图5 系统通道一致性验证

4 总结

本文介绍了以虚拟仪器为核心，构建具有简单硬件结构的电阻抗成像系统，在简化了硬件设计的同时，增强了系统的扩展性。采用NI的USB-6341数据采集卡，不仅使系统能够及时处理大量数据，提高了系统的测量精度，而且能够缩短搭建系统的时间。在控制方面，基于LABVIEW的主控模块可以方便控制激励-测量模式和激励信号的大小和频率，从而易于开发出多频测量系统。

[1] Dijkstra A M,Brown B H,Leathard A D,et al． Review clinical applications of electrical impedance tomography[J]．Journal of medical engineering & technology,1993,17(3):89-98．

[2] Cheney M,Isaacson D,Newell J C．Electrical impedance tomography [J]．SIAM review,1999,41(1): 85-101．

[3] Adler A,Amato M B,Arnold J H,et al．Whither lung EIT:Where are we,where do we want to go and what do we need to get there [J]．Physiological Measurement,2012,33(5): 679．

[4] Bodenstein M,David M,Markstaller K．Principles of electrical impedance tomography and its clinical application [J]．Critical care medicine,2009,37(2):713-724．

[5] Halter R,Hartov A,Paulsen K D．Design and implementation of a high frequency electrical impedance tomography system [J]．Physiological measurement,2004,25(1):379．

[6] Soleimani M．Electrical impedance tomography system:an open access circuit design [J]．Biomedical engineering online,2006, 5(1):28．

[7] 宋光．高精度电阻抗断层成像硬件检测系统研究[D]．北京:北京协和医学院生物医学工程研究所,2011．

[8] 李有余．电阻抗断层成像硬件系统的研究[D]．天津:河北工业大学．2003．

[9] Kolehmainen V,Lassas M,Ola P．Electrical impedance tomography problem with inaccurately known boundary and contact impedances [J]．Medical Imaging,IEEE Transactions on, 2008,27(10):1404-1414．

[10] Muders T,Luepschen H, Putensen C．Impedance tomography as a new monitoring technique [J]．Current opinion in critical care, 2010,16(3):269-275．

[11] Rigaud, B．,et al． "In vitro tissue characterization and modeling using electrical impedance measurements in the 100 Hz-10 MHz frequency range．"Physiological measurement 16．3A (1995): A15．

[12] 朱清友．基于虚拟仪器的电阻抗成像算法研究 [D]．重庆:重庆大学,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

广东省自然科学基金博士启动（S2012040007715）；大学生创新训练计划项目（1055813028）资助。