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1、XXX大学毕业设计开题论证报告专 业机械设计制造及其自动化学生姓名班 级学 号指导教师完成日期课题名称：电阻抗人体扫描成像系统的仪表硬件设计一、课题来源、课题研究的主要内容及国内外现状综述课题来源：1、本课题来源于生产实践，人体组织采用电阻抗扫描成像检测是一种先进的检测方 法。2、本课题工作量适中，难易程度也适中，重点和难点突出，重点在图像信号实时采 集电路设计，难点在图像信号的信号采集与特征识别电路的实现。课题研究的主要内容：硬件系统主要包括正弦激励信号源、低通和带通滤波器、电压控制电流源(VCCS)、 开关阵列、AD采样和数字相敏解调器的设计。本文涉及的主要内容有:1、图像信号的构 成；2
2、、扫描图像的处理方法研究；3、组织特征识别方案设计与实施；4、结果交互系统 设计；5、对测量效果进行验证。国内外现状：从上世纪80年代早期开始，EIT系统就逐步进入了研究阶段，随着时间的推移，成 像系统的质量也逐步得到提升。早期的硬件设计大都采用模拟技术，而当今系统的设计 都开始逐步转入数字化领域，采用数字信号处理器和可编程逻辑器件作为整套设备的核 心器件，这些器件和新技术使EIT系统的性能得到很大的提升。英国Sheffield大学 Brown等于1987年建立了第一个完整的EIT硬件系统Mark I。激励源采用直接数字合成 (Direct Digitai Synthesis,DDS)技术实现
3、正弦波形发生，主控时钟20kHz,经16进制 计数器循环读去EPROM中预先存储的16点正弦形数据，由D/A转换形成51kHz正弦波形， 经V/I变换及16选2多路开关后依次选择16个电极中的一对相邻电极进行5mA p- p 恒流驱动。测量电路中由另一 16选2多路开关依次选择除用于驱动电极外的其余14个 电极进行临近电压测量,相敏模拟解调后由归一化定标电路对信号动态范围进行调整， 最后经A/D转换(12位)得到反映阻抗实部信息的104个独立测量数据，用于图像重构。 该系统采用了变压器隔离、屏蔽驱动、动态范围压缩等技术使系统达到0.29%的精度及 每秒10组数据的测量速度。1995年，Smit
4、h和Brown等在Mark I的基础上建立了第一 个实时的供临床基础研究用的Mark II系统。该系统采用16电极并行采集数据，以等位 线反投影法重建图像，成像速度达25帧/秒，能够获取人体胸腔的实时图像。它已在英 国皇家Hallamshire医院进行临床实验。俄国研究小组也研制了一系列的单电源激励的 EIT成像系统，主要用于胸腔和肺部的检测成像。牛津大学的研究小组己开发了几套基 于多个激励源的阻抗成像系统，OXBACTIII是比较典型的一套设备。Rensselaer Poly technic研究小组已经研制的是一套自适应电流成像系统（ACT）。美、日等国也相继 有EIT硬件系统用于临床数据采
5、集的报道。俄国研究小组也研制了一系列的单电源激励 的EIT成像系统，主要用于胸腔和肺部的检测成像。系统采用16电极（可支持256电极 阵列）、50KHz的交流电流，其峰值为.05毫安。在电压测量模块部分，电压信号经放大 器和低通滤波器后由14hit的ADC进行采样，后端采用数字同步检测器来测量电压的实 部数值。该系统的缺点是，由于采用了大量的电极数（256个），不能够做到实时成像（采 集一幅图像所要的数据近似需要20秒的时间），成像效果较差，改善工作非常困难。目 前，国际上有30多个研究小组从事EIT方面的基础及应用基础研究。每年在英国都要召 开EIT国际研讨会，并在维也纳已连续召开了两届欧洲
6、EIT联合会。与以上这些国家相 比，在国内约有10来个研究小组从事EIT方面的基础研究，主要都集中在模型成像算法 和硬件系统设计等方面的研究。目前主要集中于重建算法的计算机模拟，相对于EIT硬 件系统的报道还很少。国内从上世纪八十年代末由图像重建算法开始进入EIT研究，至九 十年代末陆续进人EIT系统研究。在国家自然科学基金以及相关部委、省、市等的支持 下,EIT方法学研究已基本完成，建立了多个EIT实验装置和研究平台，已形成一支水平较 高、相对稳定的研究队伍。一些研究小组已经在乳腺肿瘤检测，脑、腹部渗血监护和肺功 能测量等方面进入临床应用技术研究国家“十一五”计划等也开始向EIT应用技术研究
7、 和产业化发展投人。2001年12月在西安第四军医大学召开了国内第一届EIT学术研讨 会，北航，河北工业大学，天津大学，中国医学科学院生物研究所，上海大学，重庆大 学，第四军医大学生物医学工程系等7个单位参加了会议并以上述几个单位为主成立了 联合研究小组。二、本课题拟解决的问题本文的主要成果是对硬件电路的设计提出了以单片机为核心的EIT数据采集系统、 A/D转换系统的设计方案，实现了模块的设计。完整的EIT系统应包括用于激励和测量 的电极阵列，高稳定性的交流激励源，高精度的测量电路，相应控制电路及由计算机系 统构成的数据采集与处理单元。EIT技术的发展是一个全面的、综合的过程，在研究高精 度高
8、速度硬件系统的同时，还应当从重构算法、激励及测量模式等其它几个方面综合研 究，以促进这一技术尽快应用到临床功能成像及动态图像监护之中。EIT硬件系统是阻 抗断层成像技术中重要组成部分，系统的精度、速度、稳定性、信噪比等对EIT进行实 时图像重构的质量与速度起着十分重要的作用，是EIT能否用于临床应用的关键。同时 讨论了 EIT成像系统的硬件电路结构，并对数据采集模块，交流信号源模块，电极阵列 控制模块等给出了设计。由于EIT成像系统在人体组织内建立的电流场为软场，指向性 差，电流在组织内的分布规律复杂，以及阻抗的不定性造成误差。EIT作为一种无创的 成像手段，目前均采用外部激励、体表测量技术，
9、致使EIT的被测信号非常微弱且动态 范围较大。硬件系统采集一组成像数据的获取时间加上算法重构一幅图像时间应小于 20ms的高速度的特性。由于在EIT技术的重建算法中，边界电位值的微小变化会导致求 解出的场域内部电阻率分布有很大的变化，因此EIT测量统的稳定性和精确性对电阻率 成像结果有着非常重要的影响。三、解决方案及预期效果本文对整套单激励源的EIT系统所需的基本模块都进行了阐述和设计，重点放在对 边界电压数据采集系统模块的设计上，并设计了以FPAG器件为核心数据采集模块，由 FGPA来完成对开关阵列的逻辑控制和对采样信号的数字相敏解调。对电磁敏感场进行仿 真研究，以便对阵列电极的形状、结构尺
10、寸进行优化设计，采用高灵敏度的深部区域阻 抗前级探测法，提高入射电流的指向性或聚焦性以减小误差。硬件系统采集一组成像数 据的获取时间加上算法重构一幅图像时间小于20ms，满足高速度的特性。数据精度高， 抑制噪声能力强A/D转换器的选择要满足以下几个要求，采样速率要求达到10M以上（由 数字相敏解调算法的采样点数N和原信号的频率决定），精度为12bit，输出为双极性二 进制补码一方便数字解调器中的有符号数相乘运算。测量电路必须具有高的灵敏度和信 噪比以解决被测信号非常微弱且动态范围较大的问题。EIT作为一种无创的成像手段， 目前均采用外部激励、体表测量技术，致使EIT的被测信号非常微弱且动态范围
11、较大， 因而要求测量电路必须具有高的灵敏度和信噪比。为充分利用EIT无创及功能成像的优 势，EIT成象速度理论上应大于25帧/s，即硬件系统采集一组成像数据的获取时间加上 算法重构一幅图像时间应小于40ms。因此，硬件系统应满足高速度的特性。采用高灵敏 度的深部区域阻抗前级探测法，提高入射电流的指向性或聚焦性。以上解决方案以达到 EIT系统的高精度、高灵敏度、高速度、高信噪比、低误差特性OEIT技术是一项非侵入 性并且相对廉价的监测手段。考虑到患者自身体质以及经济承受能力，这是非常有利的。四、课题进度安排2月21日3月19日 毕业设计前期阶段。毕业实习，查阅资料，市场调查，到多个公司实践，撰写实习报告。 论文总体构思方案，填写开题报告。3月20日5月7日.设计初稿阶段。完成总体设计图、部件图、零件图。5月8日5月25日.中期工作阶段。完善设计图纸，编写毕业设计说明书，中期检查。5月26日5月27日毕业设计预答辩。5月28日6月6日毕业设计整改。图纸修改、设计说明书修改、定稿，材料复查。6月7日6月8日毕业设计材料评阅。6月9日6月10日毕业答辩。6月11日6月15日材料整理装袋。五、指导教师意见签名年 月 日六、专业系意见签名年月日七、学院意见签名年月日
电阻抗人体扫描成像系统的仪表硬件设计开题报告
