肺功能EIT系统优化设计

论文摘要

电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)系统发展的最终目标是应用于临床的诊断和监测,尤其在病变的监测方面具有很明显的优势。使用EIT技术对人体肺部进行监测,就是对其在呼吸过程中的阻抗变化进行功能性成像。目前,其在肺功能检测中的应用只处于实验室的研究阶段。本文介绍了肺部电阻抗成像技术的研究现状,对人体肺部正常组织和病变组织进行阻抗测量分析,对数据采集系统进行优化设计,并对物体的图像重建进行实验研究。具体说来,分为以下内容:1.在之前动物组织阻抗测量的基础上,进一步研究生物组织的电阻抗特性,利用Agilent 4294A电阻抗分析仪测量了人体肺部健康组织及浸润性肺癌组织的电阻抗,并对其电阻抗频率特性进行了分析,对系统激励频率的选择提供参考。2.在原有EIT系统的基础上,对各主要功能模块进行优化,改进外围电路。分别用软件和硬件来实现系统的抗干扰能力,提高系统稳定性;利用在线逻辑分析仪Chipscope Pro对FPGA内部信号进行测试,加快了系统调试速度,降低了调试难度。3.针对系统性能测试而专门设计了硬件调试电阻网络,并利用电阻抗分析仪对其进行阻抗测试,用其来标定、调试系统并评价系统的性能。在此基础上对电阻网络进行些许改变,验证实际测试得到结果与理论分析是否一致,从而评价系统的性能。4.采用一个接近于人体胸部直径的盐水槽作为测量场域,对其通道一致性进行测试,并进行实验研究。实验中针对不同直径、不同材质和不同数量的物体进行静态图像重建,检验EIT系统的分辨能力,对结果进行分析并提出改进办法。最后,总结本课题研究工作,提出改进方法,并对下一步工作提出建议。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 生物电阻抗技术的发展
• 1.3 肺部电阻抗成像技术的研究现状
• 1.4 研究内容和主要工作
• 1.5 组织结构
• 第二章 医学电阻抗断层成像的模型及算法
• 2.1 数学模型
• 2.1.1 EIT 敏感场的描述
• 2.1.2 EIT 正问题
• 2.2 反投影算法
• 第三章 生物阻抗特性与离体组织实验
• 3.1 生物电阻抗特性
• 3.1.1 生物组织等效电路模型
• 3.1.2 Cole－Cole 理论
• 3.1.3 频散理论
• 3.2 人体肺部组织阻抗测量
• 第四章 硬件系统改进与优化设计
• 4.1 硬件系统概述
• 4.2 系统抗干扰实现
• 4.2.1 软件实现
• 4.2.2 硬件实现
• 4.3 激励选择
• 4.4 测量选择及信号放大
• 4.4.1 差分放大电路
• 4.4.2 可编程增益放大电路
• 4.5 A/D 转换
• 4.5.1 A/D 转换的实现
• 4.5.2 A/D 转换结果的测试
• 4.6 数字相敏解调
• 4.6.1 常用的几种相敏解调方法
• 4.6.2 数字正交解调的实现
• 4.7 小结
• 第五章 系统性能测试及实验研究
• 5.1 通道一致性及稳定性测试
• 5.1.1 硬件调试电阻网络
• 5.1.2 通道一致性测试
• 5.2 物体成像实验
• 5.2.1 单个物体成像实验
• 5.2.2 两个物体成像实验
• 5.2.3 多个物体成像实验
• 5.2.4 实验结果分析
• 第六章 总结与建议
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢