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生物阻抗电磁层析成像系统研究

作　者: 李小科
导　师: 董峰
学　校: 天津大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 生物电阻抗 电磁层析成像 高频激励 数据采集 正交解调
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


电磁层析成像技术（Electromagnetic Tomography，简称EMT）是一种基于电磁感应原理的新型过程层析成像技术。通过向分布在物场边界的激励线圈注入交变电流产生磁场，在被测物体内部激发感应磁场，利用检测线圈获取磁场在边界的感应电压信号，进而获得物场空间的导电率和导磁率的分布信息。电磁层析成像除了具有非接触、低成本、无害等特点，相较于一般的电阻抗层析成像技术（Electrical Impedance Tomography,简称EIT），EMT在成像区域中心有较高的敏感性。对于被高电阻物质包围的被测对象，磁场可以比较容易的耦合进入并在被测对象内产生涡流，这在对生物深层组织的研究中具有重要的意义。课题在系统地总结生物电阻抗成像技术及电磁层析成像技术的研究现状与存在不足的基础上，针对目前EMT系统工作频率较低，无法用于低电导率的生物组织电阻抗成像问题，设计了一套工作频率在500KHz——10MHz的双通道电磁层析成像系统，主要研究内容如下：1.系统利用屏蔽线绕制了具有平衡线圈结构的传感器。屏蔽层采用单点接地，避免线圈内芯的磁感应电流受到外界的干扰，简化了EMT系统的屏蔽装置；传感器的平衡线圈结构，能有效的消除激励线圈与检测线圈的容性耦合，提高系统检测信号的灵敏度。2.针对高频信号容易受到干扰、产生相位偏移的特点，检测通道采用二阶主动反馈测量电路，能够使由运算放大器构成的检测放大单元，相位测量精度达到0.031°，可有效地消除相位误差。3.利用NI PXI-5105板卡构建对高频信号的高速采集系统，简化了硬件电路设计的复杂性；运用LabVIEW测试组态软件设计、实现对信号进行在线处理和监测的应用程序；并应用Matlab软件设计数字正交解调算法，对采集到的离散信号进行解调，得到检测信号的幅值和相位信息。4.在完成系统设计的基础上，以不同电导率盐溶液为实验被测对象，对被测电导率与检测信号幅值和相位的关系进行了分析；讨论了检测信号相位差与激励频率、被测对象的空间位置和不同位置检测线圈之间的关系；实现微弱高频信号的准确采集，为多通道高频EMT系统的设计奠定基础。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章 绪论  8-19
  1.1 基于生物电阻抗的医学成像  8-10
    1.1.1 生物组织的电特性  8
    1.1.2 基于生物电阻抗的成像方法  8-10
  1.2 电磁层析成像技术  10-16
    1.2.1 EMT 技术简介  10-11
    1.2.2 EMT 在医学成像中的发展及现状  11-16
  1.3 EMT 的研究难点和本课题的主要研究内容  16-17
  1.4 本论文的组织结构  17-19
第二章 电磁层析成像技术的理论基础  19-25
  2.1 EMT 系统的构成与工作原理  19-20
  2.2 EMT 的物理基础  20-21
  2.3 EMT 正问题和逆问题  21-25
第三章 传感器线圈与测量电路的设计  25-39
  3.1 EMT 系统总体介绍  25-26
  3.2 传感器线圈的设计  26-28
  3.3 FPGA 最小系统设计  28-29
  3.4 激励源设计  29-34
    3.4.0 电路实现和结构框图  30
    3.4.1 信号源  30-32
    3.4.2 功率放大模块  32-34
  3.5 检测通道设计  34-38
    3.5.1 二阶主动反馈电路  35-36
    3.5.2 可编程放大电路  36-38
  3.6 电源模块设计  38-39
第四章 数据采集和处理模块的设计  39-52
  4.1 虚拟仪器简介  39-40
  4.2 虚拟仪器关于数据采集技术  40-42
    4.2.1 数据采集设备  40-41
    4.2.2 虚拟数据采集系统的构成  41-42
  4.3 信号采集与处理模块设计  42-46
    4.3.1 高频信号采集  42-43
    4.3.2 数字正交解调  43-46
  4.4 基于 LabVIEW 的软件设计  46-52
    4.4.1 数据采集程序  46-48
    4.4.2 数据处理程序  48-52
第五章 系统测试和实验分析  52-61
  5.1 系统测试  52-54
    5.1.1 DDS 激励源性能测试  52-53
    5.1.2 相位测量性能测试  53-54
  5.2 实验与结果分析  54-59
    5.2.1 实验设计  54-55
    5.2.2 检测信号与电导率的关系  55-56
    5.2.3 检测信号与激励频率的关系  56-57
    5.2.4 检测信号与被测物空间位置的关系  57-59
    5.2.5 检测信号与检测线圈位置的关系  59
  5.3 结论  59-61
第六章 总结与展望  61-62
参考文献  62-67
发表论文和参加科研情况说明  67-68
致谢  68

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统
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