基于MIT軟件鑒相系統(tǒng)設(shè)計和相位檢測實驗

張 華 ，荊西京，路國華，王 華 ，李文哲

(第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，陜西西安 710032)

腦磁感應(yīng)斷層成像(Magnetic Induction Tomography，MIT)通過非接觸方式獲取生物組織的電導(dǎo)率分布，對顱內(nèi)病變進行實時監(jiān)測和診斷。MIT技術(shù)依據(jù)渦流檢測原理，檢測信號與原始激勵信號之間的相位差和被測組織電導(dǎo)率成線性關(guān)系，所以在MIT技術(shù)中建立高精度的相位差檢測單元是提高系統(tǒng)性能的重要環(huán)節(jié)[1-2]。檢測相位差的方法有硬件鑒相、軟件鑒相。硬件鑒相要求時鐘分辨率始終是信號頻率的某個倍數(shù)，如3 600倍，即可保證全頻段范圍內(nèi)0.10°分辨率，但是MIT檢測信號的頻率高達MHz，硬件檢測的方案很難實現(xiàn)[3]，且硬件電路存在溫漂、噪聲等干擾。而軟件鑒相可以克服硬件電路的溫漂等影響，在實踐性和可擴展性等方面存在明顯優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于相位差檢測中。目前，主要的鑒相算法有過零法、相關(guān)法、FFT算法。過零法，當(dāng)信號含有干擾時，信號的過零點不易準確測量，誤差較大[4];相關(guān)法，測量相位差適用于低頻信號，特別是對超低頻信號的測量具有其他測量方法不可比擬的優(yōu)點[5];由于實驗信號頻率高達MHz且容易引入高頻電磁干擾所以選用FFT算法實現(xiàn)相位差檢測。

文中介紹FFT算法的MIT軟件鑒相系統(tǒng)設(shè)計，基于該系統(tǒng)在模擬腦出血實驗中進行相位差檢測。實驗結(jié)果表明，隨著出血量的增加，系統(tǒng)檢測出參考信號和檢測信號相位差增大，且當(dāng)激勵功率一定時，隨著激勵信號的頻率增加相位差增大。MIT軟件鑒相系統(tǒng)為后續(xù)MIT成像及臨床實驗打下基礎(chǔ)。

1 MIT軟件鑒相系統(tǒng)

MIT軟件鑒相系統(tǒng)組成如圖1所示，MIT軟件鑒相系統(tǒng)由激勵源產(chǎn)生兩路同頻信號，路作為參考信號，另一路加載在激勵線圈上作為激勵信號。激勵信號通過激勵線圈產(chǎn)生激勵磁場B，在磁場B中放置腦模型容積導(dǎo)體。由于電磁感應(yīng)作用，在容積導(dǎo)體內(nèi)會產(chǎn)生出渦流，渦流又會感生出擾動磁場ΔB，影響原激勵磁場的空間分布，且磁場強度發(fā)生變化，在檢測線圈中可以檢測到變化的磁場，當(dāng)容積導(dǎo)體里的電導(dǎo)率發(fā)生變化時，其渦流強度及空間分布會隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，擾動磁場ΔB也發(fā)生變化，從而使得檢測線圈上的電信號相位發(fā)生變化[6]。檢測到的信號屬于微弱小信號，經(jīng)過增益放大模塊進行功率放大。信號采集模塊PXI5122對放大后的檢測信號與同頻參考信號同時進行采集，采集到的參考信號和檢測信號通過FFT鑒相算法進行相位差檢測。

圖1 MIT軟件鑒相系統(tǒng)組成框圖

1.1 組成模塊

(1)信號采集卡NI PXI-5122。激勵信號頻率在1 MHz和10 MHz，MIT軟件鑒相系統(tǒng)完成實時采樣對采集卡的采樣頻率要求較高，前期實驗中采用的采集卡PCI-6115最高采樣頻率為10 MHz不能滿足實驗需求，選用5122可以達到100 MSample·s-1的實時采樣。對信號的實時采樣精度直接影響FFT算法相位檢測精度，實驗中旨在建立高精度的MIT軟件鑒相系統(tǒng)，原實驗中PCI-6115最高12位精度的采集卡不能滿足精度要求，現(xiàn)改進為5122采集卡14位分辨率的雙同步采樣通道，滿足實驗要求。該采集卡同時還帶有去噪和抗混疊濾波器的100 MHz帶寬和62 dB信號-噪聲及失真比，可以有效地抑制干擾。

(2)LabVIEW2009平臺。NI公司為提高用戶開發(fā)效率而設(shè)計的NI LabVIEW 2009圖形化編程環(huán)境，通過流程圖的方式提供拖放式圖形化功能塊與線，用于設(shè)計、測試、測量與控制。LabVIEW2009提供了強大的分析、處理VI庫及許多專業(yè)的工具包，結(jié)合LabVIEW獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使得測量數(shù)據(jù)的分析、處理簡單、方便，并且實用性強，節(jié)約了開發(fā)時間。

(3)增益放大模塊。

由于腦組織內(nèi)部容積導(dǎo)體變化感應(yīng)出的渦流磁場強度相對于主磁場較弱，容易外界干擾，需要將檢測線圈獲得的微弱信號進行放大，以提高檢測信號的信噪比。增益放大模塊完成對微弱信號的增益放大處理，多個通道選其中心頻率分別為200 kHz、1 MHz、10 MHz、21.4 MHz、30.850 MHz、40.05 MHz 和49.950 MHz;信噪比65 dB以上;共模抑制比65 dB以上;通道-3 dB帶寬10 kHz以上;信道增益范圍20～70 dB;輸入阻抗1 MΩ、輸出阻抗 5 0 Ω;通訊接口為RS232;數(shù)據(jù)格式9 600 bit·s-1，8，1，N。且考慮了電磁安全性，輸出放大信號穩(wěn)定、安全。

1.2 FFT鑒相算法程序框圖

FFT軟件鑒相算法流程如圖2所示，MIT軟件鑒相系統(tǒng)首先打開鑒相程序，先對采集卡設(shè)置進行數(shù)據(jù)采集即輸入激勵信號和參考信號，采集到的波形實時顯示。采集信號通過濾波器進行帶通濾波，濾波后的波形實時顯示。濾除干擾后進行FFT變換，將時域信號轉(zhuǎn)換到頻域分別計算參考和激勵信號的相位，得到相位差，實時存儲并顯示相位差信息完成相位差檢測。

圖2 MIT軟件鑒相系統(tǒng)程序流程圖

1.3 算法實現(xiàn)

軟件MIT軟件鑒相系統(tǒng)的算法實現(xiàn)如圖3所示，以LabVIEW2009為編程平臺，通過DAQ助手對采集卡NI PXI-5122進行參數(shù)設(shè)置，由參考信號和檢測信號的特點設(shè)置合適的采樣率和采樣點數(shù)。采集的數(shù)據(jù)通過帶通濾波器，濾波后信號分別通過FFT頻譜測量模塊，運用頻域中最大值統(tǒng)計求出峰值點即為主頻率點處對應(yīng)的相位值，保存在一維數(shù)組中，對兩路信號的相位求差值，利用寫入測量文件模塊將得到的相位差存儲，實時顯示輸出相位差。

圖3 MIT軟件鑒相系統(tǒng)算法實現(xiàn)圖

2 模擬腦出血相位檢測實驗

2.1 實驗線圈和腦模型

2.1.1 激勵和檢測線圈說明

激勵線圈直徑6.5 cm，10匝;檢測線圈直徑21.5 cm，10匝。漆包線直徑0.7 mm。計算得到激勵線圈的電感 4 .20 μH，檢測線圈電感 2 7.84 μH[8]。如圖1所示激勵線圈產(chǎn)生同頻且幅值相同的兩路信號:一路作為參考信號直接輸入采集卡;另一路作為激勵信號作用腦模型通過檢測線圈中得到檢測信號。

2.1.2 腦模型說明

模擬正常腦組織，電導(dǎo)率為0.133 S/m，實驗中使用2 800 mL蒸餾水和0.929 g NaCl晶體注入腦模型模擬正常腦組織。

2.2 實驗材料出血溶液介紹

模擬出血，電導(dǎo)率0.822 S/m，實驗中使用200 mL蒸餾水和0.411 g NaCl晶體配制出血溶液。

2.3 MIT軟件鑒相系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

激勵源產(chǎn)生兩路同頻正弦信號作為激勵和檢測信號，兩次實驗頻率分別為10 MHz和20 MHz，幅值VP-P為1 V，初始相位差為0°。PXI 5122采集卡的采樣頻率100 MHz，采樣點數(shù)為2 000 000點。帶通濾波器的高低通截止頻率為10.1 MHz和9.9 MHz。增益放大器選擇10 MHz和20 MHz通道，增益設(shè)為30 dB，輸出功率158 mW。

2.4 實驗方法說明

實驗從0 mL開始，每次增加20 mL出血溶液改變腦模型的磁場電導(dǎo)率，用MIT軟件鑒相系統(tǒng)測量出血狀態(tài)的相位變化。

2.5 實驗數(shù)據(jù)

圖4為激勵信號頻率為10 MHz，增益設(shè)為30 dB，輸出功率選擇158 mW，每次增加20 mL出血溶液，測得參考信號和檢測信號的相位差數(shù)據(jù)圖。

圖4 相位差隨出血量變化圖

圖5為激勵信號頻率分別為10 MHz和20 MHz，增益30 dB，輸出功率選擇158 mW，每次增加20 mL出血溶液測得參考信號和檢測信號的相位差數(shù)據(jù)圖。

圖5 不同頻率下測量相位差變化

2.6 實驗結(jié)果

信號頻率和激勵功率一定時，改變出血量實驗測量結(jié)果如圖4所示，隨著出血量的增加，檢測信號和參考信號的相位差逐漸增大，相位差增大隨著目標(biāo)溶液量增加，符合 MIT相位檢測理論基礎(chǔ)。以LabVIEW2009為實驗平臺采用FFT算法實現(xiàn)的MIT軟件鑒相系統(tǒng)能夠較精確地計算出兩路信號的相位差，并可以實時地顯示保存。采用NI公司最新的采集卡PXI 5122提高了采樣頻率，同時新研制的增益放大模塊提高微弱信號的信噪比，實驗結(jié)果在課題組原有的鑒相平臺 0.01°[9]基礎(chǔ)上精度提高到 0.001°。

圖5顯示，改變激勵頻率，在10 MHz和20 MHz激勵作用下，隨著頻率的增加，激勵信號和檢測信號在出血量相同的情況下，相位差增大。同時在兩個頻率點實驗都表明隨著出血量的增加，信號相位差增大。

3 結(jié)束語

上述實驗表明，MIT軟件鑒相系統(tǒng)可以測量出隨出血量的變化對應(yīng)相位差的變化，且軟件系統(tǒng)測量精度較高為0.001°，MIT軟件鑒相系統(tǒng)為后續(xù)MIT成像及臨床實驗應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

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