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电阻抗层析成像系统激励电路的设计

作　者: 童倜
导　师: 马艺馨
学　校: 上海交通大学
专　业: 仪器仪表工程
关键词: 电阻抗成像 正弦波发生器 电压控制电流源 电极缓冲
分类号: TH776
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


电阻抗层析成像技术(Electrical Impedance Tomography, EIT)是一种基于电学敏感原理的功能成像技术。它依据人体内不同组织具有不同的电阻抗、同一组织在不同的生理条件下具有不同的电阻抗这一物理现象,在体表施加弱的安全电流,并从体表测量电压,然后根据一定反问题算法来重建人体内部的电阻抗分布图像,用于疾病诊断和临床监测。相对于现有的常规医学影像技术,EIT具有快速、无创、无放射性危害、便携、经济、检测灵敏度高、可长期用于床边观测等优点,吸引着国内外众多研究者的关注。本论文的主要内容是在现有理论的基础上,开发并实现高频宽高输出阻抗的用于生物电阻抗成像数据采集系统的激励电路。首先研究比较了包括文氏桥振荡电路、DDS技术在内的正弦波发生器实现方案,选用商业化的高性能DDS芯片用于EIT系统的正弦波发生器;其次研究采用双路1:2的模拟开关TS3USB221与1:16的模拟开关CD74HCT4067-Q1构建模拟开关阵列的方案,满足了64电极EIT系统对选通功能的需求;然后研究了电压控制电流源性能的测量方法,给出了频率升高时消除测量误差的方法;通过电路仿真实验、实际电路测试,研究比较了现有的基于独立元件实现的电压控制电流源电路的性能;重点研究了改进的Howland电路的特性,通过电路仿真与实验测试,实现了基于AD8610的改进的Howland电路,其输出电流幅值误差小于0.5%,在200KHz以下频率时输出阻抗大于80KΩ,表现出了比其他电压控制电流源方案更高的输出阻抗以及幅值稳定性的性能。改进的Howland电路的输出阻抗在大于200KHz时受寄生电容耦合电容等影响而下降,为克服电容的影响,本研究进一步提出采用GIC并联提高电流源输出阻抗的方法。基于PSPICE的仿真结果表明,当Howland电路并联GIC以后可以得到1MHz频率范围内高于1MΩ的输出阻抗,且保持了良好的线性度,能很好地满足医用EIT系统的需要。最后对本论文的研究工作进行了总结并对今后的研究工作给出建议。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第1章 绪论  9-16
  1.1 电阻抗成像技术简介  9-10
  1.2 电阻抗成像技术的应用  10-12
    1.2.1 EIT 在乳腺癌检测中的应用  10
    1.2.2 EIT 在心脏功能检测中的应用  10-11
    1.2.3 EIT 在肺功能监测中的应用  11
    1.2.4 EIT 在肠胃及食管检测中的应用  11
    1.2.5 EIT 在医学图像监护中的应用  11-12
  1.3 EIT 系统的研究历史、现状  12-14
  1.4 研究内容及意义  14
  1.5 论文组织结构  14-16
第2章 电阻抗成像激励电路  16-30
  2.1 电阻抗层析成像激励电路简介  16-17
  2.2 EIT 系统的激励模式  17-20
    2.2.1 相邻激励模式  17-18
    2.2.2 Avis-Barber 交叉激励模式  18-19
    2.2.3 相对激励模式  19-20
  2.3 激励电路的构成  20-28
    2.3.1 激励源  20-26
    2.3.2 模拟开关  26-28
  2.4 本章小结  28-30
第3章 基于独立元器件的电压控制电流源的研究  30-49
  3.1 电流源的性能指标及测量方法  30-38
    3.1.1 性能指标  30-31
    3.1.2 电流源性能测量方法  31-38
  3.2 基于独立元器件的电压控制电流源的实现方案  38
  3.3 电流镜电路  38-40
  3.4 AD844 电路  40-45
  3.5 其它跨导运算放大器  45-48
  3.6 本章小结  48-49
第4章 基于双运放的电压控制电流源研究  49-71
  4.1 双运放电路  49-50
  4.2 改进的Howland 电路  50-66
    4.2.1 电路原理  50-52
    4.2.2 仿真研究  52-59
    4.2.3 电路的实现及实验测试  59-65
    4.2.4 电路性能实测结果的分析  65-66
  4.3 Howland 电路的进一步改进  66-70
    4.3.1 通用阻抗转换器  66-69
    4.3.2 GIC 电路的实际特性分析  69-70
  4.4 本章小结  70-71
第5章 结论与展望  71-73
  5.1 总结  71
  5.2 展望  71-73
参考文献  73-76
致谢  76-77
攻读硕士学位期间发表的论文及科研说明  77-79

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 医药卫生器械 > 诊断检验用器械
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