本文關(guān)鍵詞：多頻醫(yī)學(xué)電阻抗成像數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)

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【摘要】：電阻抗成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)是近40年發(fā)展起來的一種新型醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。該技術(shù)以人體內(nèi)電阻抗的分布或變化為成像目標(biāo),通過電極向人體施加安全的激勵(lì)電流,測量人體表面的感應(yīng)電壓信號(hào),利用軟件算法重構(gòu)出人體內(nèi)部的阻抗分布,從而用于疾病的檢測和臨床監(jiān)護(hù)。電阻抗成像技術(shù)具有無創(chuàng)、快速、便捷、安全、廉價(jià)等優(yōu)勢(shì),適合對(duì)病人進(jìn)行長期、連續(xù)的臨床監(jiān)護(hù),具有重要的潛在價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。本論文主要對(duì)EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了一套基于FPGA控制的多頻電阻抗成像數(shù)據(jù)采集硬件電路,該電路能夠在1KHz~1MHz激勵(lì)頻率下,實(shí)現(xiàn)16電極系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集,仿真和硬件電路測試表明所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集電路具有優(yōu)良的性能。本論文設(shè)計(jì)的主要硬件電路包括電阻抗成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前端并行信號(hào)緩沖放大模塊、模擬多路開關(guān)模塊、數(shù)字相敏解調(diào)模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。在前端并行信號(hào)緩沖放大模塊中,選取了AD8065作為電壓跟隨放大器,AD8250和AD8253作為兩級(jí)PGA放大電路,以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的緩沖和靈活的動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整;將電極、緩沖電路、放大電路集合在一起,盡可能近地貼近人體表面,提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的共模抑制能力和信號(hào)傳輸質(zhì)量。模擬多路開關(guān)模塊通過建立電路模型,對(duì)模擬多路開關(guān)進(jìn)行了細(xì)致地仿真和實(shí)際電路測試,經(jīng)過性能比較,選取ADG1206作為激勵(lì)電極切換用模擬開關(guān),選取ADG1406作為測量電極切換用模擬開關(guān)。在相敏解調(diào)模塊的設(shè)計(jì)中,重點(diǎn)分析了數(shù)字相敏解調(diào)的解調(diào)過程和實(shí)現(xiàn)方法,采用Matlab對(duì)數(shù)字相敏解調(diào)進(jìn)行仿真,研究采樣點(diǎn)數(shù)對(duì)解調(diào)精度的影響,為后期模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇提供參考和依據(jù)。設(shè)計(jì)了以LTC1420為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓測量和電流測量模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,采用74AC16373作為數(shù)據(jù)緩存模塊,對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和控制,實(shí)現(xiàn)有序的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸。通過軟件仿真和實(shí)際電路測試發(fā)現(xiàn):所設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理模塊能夠在1KHz~1MHz頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的信號(hào)緩沖濾波差分放大作用,動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整倍數(shù)在1MHz時(shí)能夠達(dá)到460倍,差分放大后的信號(hào)能夠滿足ADC輸入范圍要求;所選擇的模擬多路開關(guān)在高頻階段的分布參數(shù)對(duì)信號(hào)的影響較小,能夠?qū)崿F(xiàn)基本無損耗的電流和電壓傳輸;數(shù)字相敏解調(diào)能夠得到準(zhǔn)確的信號(hào)幅值和相位信息,解調(diào)精度高,但是需要前端ADC具有至少12位精度,8倍信號(hào)頻率以上采樣率;因此選取了具有12位精度,10MSPS采樣率的LTC1420作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器,用于實(shí)現(xiàn)電壓和電流模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換,同時(shí)通過74AC16373對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和傳輸控制。本文設(shè)計(jì)的硬件電路能夠用于寬頻帶、多激勵(lì)的電阻抗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),系統(tǒng)可以根據(jù)電極數(shù)目進(jìn)行靈活地配置,通過改變信號(hào)調(diào)理模塊的數(shù)量和模擬多路開關(guān)的通道數(shù),即可實(shí)現(xiàn)任意電極的數(shù)據(jù)采集,具有良好的實(shí)驗(yàn)與開發(fā)價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：R319;TP274.2

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