一種多頻電阻抗成像信號(hào)源設(shè)計(jì)

曹宣

（南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210000）

電阻抗成像技術(shù)依據(jù)電阻率在生物體內(nèi)部的分布情況，對(duì)生物組織進(jìn)行檢測(cè)，是一種在生物組織病理檢測(cè)與臨床診斷方面具有很好發(fā)展前景的成像手段。

研究結(jié)論表明，生物組織內(nèi)部阻抗信息會(huì)由于注入信號(hào)頻率的改變而發(fā)生相應(yīng)變化，且不同生物組織在不同頻率電流注入下獲取得到的阻抗實(shí)部與虛部都是不盡相同的。因此，為了得到更多不同頻率激勵(lì)下生物組織的阻抗信息，多頻電阻抗成像信號(hào)源的研究設(shè)計(jì)尤為重要。

多頻信號(hào)源是多頻電阻抗成像硬件系統(tǒng)的重要組成部分，因此，對(duì)信號(hào)源的穩(wěn)定性、精確度、動(dòng)態(tài)范圍大小及信噪比高低等都有著比較高的要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

生物組織的阻抗由阻性（阻抗的實(shí)部）和容性部分（阻抗的虛部）兩部分組成。為了獲取生物組織阻抗特性的實(shí)部以及虛部信息，信號(hào)源部分需要同時(shí)產(chǎn)生頻率相同的正余弦電壓信號(hào)，因此，本文設(shè)計(jì)了符合多頻電阻抗成像系統(tǒng)要求的信號(hào)源。信號(hào)源整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由FPGA、AD9767、LPF、第一級(jí)運(yùn)放電路、第二級(jí)運(yùn)放電路組成。

圖1 多頻電阻抗成像信號(hào)源硬件電路結(jié)構(gòu)圖

1.1 基于FPGA的DDS-IP核

Χilinx公司生產(chǎn)的Spartan-6系列FPGA自帶的IP核模塊，其輸出信號(hào)頻率大小以及初始相位的偏移量可以通過相位增量PINC以及相位偏移量POFF來分別進(jìn)行控制。在這里設(shè)置時(shí)鐘頻率FCLk=50 MHz，相位累加器數(shù)據(jù)位寬為29位。則初始相位φ和輸出信號(hào)頻率FOUT的關(guān)系表達(dá)式分別為：

1.2 基于AD9767的雙路14位的D/A電路

AD9767的2路DA輸出都為補(bǔ)碼形式的電流IOUTA和IOUTB.當(dāng)AD9767數(shù)字輸入為滿量程，DAC CODE輸入的14位數(shù)據(jù)都為高時(shí)，IOUTA輸出滿量程的20 mA電流，IOUTB輸出0 mA電流。同樣，當(dāng)AD9767數(shù)字輸入為0，DAC CODE輸入的14位數(shù)據(jù)都為低時(shí)，IOUTB輸出滿量程的20 mA電流，IOUTA輸出0 mA電流。具體的電流和DAC CODE數(shù)據(jù)的關(guān)系表達(dá)式如下所示：

其中，RSET=1.92 kΩ，IREF=0.625 mA，IOUTFS=20 mA。

1.3 基于AD8065的第一級(jí)運(yùn)放轉(zhuǎn)換電路

雙路14位D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路只能生成階梯信號(hào)，波形不夠平滑且存在毛刺，因此，需要將階梯信號(hào)送至低通濾波電路進(jìn)行平滑處理。同時(shí)，AD9767輸出的是兩個(gè)差分電流信號(hào)，因此，還需要進(jìn)行差分電流至單端電壓轉(zhuǎn)換。具體的第一級(jí)運(yùn)放電路整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

輸出的IOUTA和IOUTB先分別經(jīng)過低通濾波電路進(jìn)行信號(hào)平滑，再通過第一級(jí)運(yùn)放AD8065轉(zhuǎn)換成峰值±1 V的單端電壓信號(hào)。具體輸出的差分電壓轉(zhuǎn)換表達(dá)式分別為：

圖2 第一級(jí)運(yùn)放電路整體結(jié)構(gòu)圖

1.4 基于AD8065的第二級(jí)運(yùn)放調(diào)壓電路

第二級(jí)運(yùn)放AD8065電路通過改變電位調(diào)節(jié)器RG的阻值，可以將電壓峰峰值變換到±5 V范圍以內(nèi)。第二級(jí)運(yùn)放電路的輸出信號(hào)輸入至電壓控制電流源電路就可以得到用于激勵(lì)注入的電流源，出于對(duì)人體安全考慮，注入的激勵(lì)電流不應(yīng)大于5 mA，因此，本文設(shè)計(jì)滿足臨床應(yīng)用要求，具體的第二級(jí)運(yùn)放調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 第二級(jí)運(yùn)放調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)圖

2 測(cè)試結(jié)果

多頻電阻抗成像系統(tǒng)中典型工作頻率主要有1 kHz、10 kHz、100 kHz以及500 kHz等，則對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期以及寫入PINC的值分別如表1所示。

表1 四組不同頻率對(duì)應(yīng)的周期時(shí)間以及PINC的數(shù)值

圖4 1 kHz/±1 Vpp

圖5 10 kHz/±2 Vpp

圖6 100 kHz/±4 Vpp

圖7 500 kHz/±5 Vpp

4組實(shí)測(cè)波形結(jié)果通過示波器顯示分別如圖4～圖7所示。其中，CH1通道為正弦電壓信號(hào)輸出，CH2通道為余弦電壓信號(hào)輸出。CH1/CH2數(shù)字為縱向電壓幅值單位，M為橫向周期時(shí)間單位。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的多頻電阻抗成像信號(hào)源具有調(diào)節(jié)便利快速、結(jié)構(gòu)精簡、波形精度高等特點(diǎn)。通過示波器實(shí)測(cè)出來的正余弦電壓信號(hào)頻率可變，電壓幅值穩(wěn)定。利用FPGA自帶的IP核資源，保證了激勵(lì)信號(hào)與解調(diào)所需參考信號(hào)之間的相位差始終在90°，這有效地克服了以往使用移相電路來進(jìn)行相位翻轉(zhuǎn)過程中存在的元器件參數(shù)誤差的缺點(diǎn)，為多頻電阻抗成像硬件系統(tǒng)提供了良好的精度。同時(shí)，具有頻率可變，幅值可調(diào)特性的多頻電阻抗成像信號(hào)源拓寬了多頻電阻抗成像硬件系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，并且充實(shí)了不同生物組織在不同激勵(lì)頻率、不同幅值測(cè)試狀態(tài)下阻抗特性的實(shí)部以及虛部信息的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備量，為生物組織信息檢測(cè)與臨床醫(yī)學(xué)成像方面提供了更加具體、可靠的理論依據(jù)與診斷方向。

參考文獻(xiàn)：

［1］BH Brown.Medical Impedance Tomography and Process Impedance Tomography：a Brief Review［J］.Measurement Science and Technology，2001，12（08）：991-996.

［2］季振宇，史學(xué)濤，尤富生，等.基于FPGA實(shí)現(xiàn)的用于生物電阻抗成像的多頻信號(hào)源［J］.醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)備，2005，26（04）：11-13.

［3］丁忠林，陳曉艷，吳佳妮.基于FPGA的生物電阻抗成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（05）：33-36.

［4］郭珂.電阻抗成像快速采集系統(tǒng)的研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2008.

［5］Bertemes-Filho.P.BH.Brown.A.J.Wilson.A comparison of modeified how land circuits as current generators with current mirror type circuits［J］.Physiol Meas，2000（21）：1-6.