嵌入式電阻抗測量系統(tǒng)研究*

陳曉艷,孫 良,褚猛麗

(天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院,天津 300222)

嵌入式電阻抗測量系統(tǒng)研究*

陳曉艷*,孫 良,褚猛麗

(天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院,天津 300222)

為提高阻抗測量的便捷性及數(shù)字化應(yīng)用,基于ARM架構(gòu)的S3C2440處理器和Linux3.0.4內(nèi)核,研發(fā)了一套嵌入式電阻抗測量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用AD5933作為阻抗傳感器,利用I2C通信協(xié)議實現(xiàn)AD5933與S3C2440處理器之間的數(shù)據(jù)通訊,開發(fā)QT用戶界面實現(xiàn)測量結(jié)果的顯示,通過操作觸摸屏實現(xiàn)阻抗參數(shù)的采集、顯示、保存及曲線繪制等功能。實驗結(jié)果表明圖像重建質(zhì)量較好,信噪比達(dá)65.6 dB,驗證了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的可靠性與穩(wěn)定性。該研究有助于推動阻抗測量技術(shù)在數(shù)字化醫(yī)療及臨床應(yīng)用的發(fā)展。

電阻抗成像;嵌入式;AD5933;QT

生物醫(yī)學(xué)電阻抗斷層成像EIT(Electrical Impedance Tomography)是繼形態(tài)、結(jié)構(gòu)成像之后的一種新型無損傷醫(yī)學(xué)成像技術(shù)[1-3]。與傳統(tǒng)的成像技術(shù)相比,具有低成本、重復(fù)利用、無損傷、醫(yī)學(xué)圖像監(jiān)護(hù)等優(yōu)勢,是當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的重要研究課題之一。它利用不同組織、器官在不同生理、病理期的阻抗特性(電阻或電導(dǎo))差異,實現(xiàn)疾病的診斷及監(jiān)測[4-5]。目前,國內(nèi)外學(xué)者圍繞人體腦部[6]、胸部[7-8]、腹部[9]及乳腺[10]等感興趣區(qū)(Region Of Interesting)進(jìn)行深入研究,并取得一定成果。

目前,電阻抗測量系統(tǒng)大多以FPGA[11-12]、DSP[13]或PXI[14]總線控制器作為阻抗數(shù)據(jù)采集核心,被測數(shù)據(jù)通過串口或USB口上傳至計算機,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理及圖像的重建。但在當(dāng)前智能化數(shù)字化醫(yī)療的發(fā)展需求下,通過計算機屏幕將圖像顯示出來仍存在著移動與攜帶上的不便。因此本文研究一套基于嵌入式系統(tǒng)的電阻抗測量系統(tǒng),通過在測量端實現(xiàn)阻抗參數(shù)的采集、處理與顯示,實現(xiàn)了測量與顯示一體化的便攜式阻抗測量系統(tǒng)。

1 硬件電路

本系統(tǒng)以ARM架構(gòu)S3C2440處理器為主控制器。首先通過I2C協(xié)議實現(xiàn)處理器與AD5933之間通訊,然后通過觸摸屏上的功能按鍵完成阻抗參數(shù)的測量,并顯示測量結(jié)果,最終在QT平臺繪制數(shù)據(jù)曲線。圖1所示為嵌入式測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 嵌入式測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本文構(gòu)建了八電極嵌入式EIT系統(tǒng),主控制器通過I2C總線控制每個電極,每個電極采用單片AD5933實現(xiàn)激勵與測量。該系統(tǒng)的主要模塊有電源模塊、信號調(diào)理模塊、I2C通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、同步時鐘模塊、串口通信模塊等。

1.1 信號調(diào)理模塊

AD5933通過片內(nèi)相位累加器(DDS)產(chǎn)生正弦激勵信號注入被測場域,并通過片上ADC測量邊界電壓,然后經(jīng)片上DSP進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)處理,最終得到實部(R)數(shù)據(jù)和虛部(I)數(shù)據(jù)。激勵電壓是由AD5933輸出正弦交流電壓與直流偏置電壓疊加而成,激勵電壓的幅值根據(jù)數(shù)據(jù)手冊選用1.98Vp-p時,輸出的直流偏置電壓為1.48 V,而AD5933的電流-電壓(I-V)放大器偏置電壓VDD/2=1.65 V,因此存在電位差,導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。為解決此問題,本系統(tǒng)采用以下措施,消除直流分量對阻抗測量精度的影響。首先在對VOUT輸出電壓進(jìn)行高通濾波,消除直流分量影響,保證與測量端偏置電壓一致,采用低輸出阻抗CMOS運算放大器AD8606進(jìn)行電壓跟隨,以消除輸出阻抗對測量的影響。其次在VIN端外部設(shè)計I-V轉(zhuǎn)換器,提高I-V轉(zhuǎn)換精確度。該設(shè)計不僅避免極化現(xiàn)象帶來的測量誤差,而且擴大了AD5933內(nèi)部ADC的動態(tài)范圍,消除了偏置電流、失調(diào)電壓的影響,優(yōu)化了電路。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)是八電極電阻抗測量系統(tǒng),在1個采樣周期里,激勵芯片的激勵端VOUT輸出一路信號,經(jīng)過電極注入被測場域后,由其余芯片的測量端采集響應(yīng)電壓。若第1號電極作為激勵端,其余7個電極則作為測量端。在下一采樣周期里,第2號電極作為激勵電極,其他電極測量,又測得7組數(shù)據(jù)。依此類推,按照電極序號依次采集,直至第八號電極作為激勵,其余電極完成測量為止,在每個采樣周期里,電極的工作模式是唯一的,系統(tǒng)最終完成八電極的56組數(shù)據(jù)采集過程。嵌入式電阻抗測量系統(tǒng)可實現(xiàn)N(N-1)組數(shù)據(jù)測量,其中N為電極個數(shù),利用這些所測量數(shù)據(jù)可進(jìn)行圖像重建。圖2所示為電極數(shù)據(jù)采集簡化圖。

系統(tǒng)通過ADG711內(nèi)置4個獨立開關(guān),選通每個電極工作狀態(tài),降低了激勵信號與測量信號之間的相互影響,使得測量的數(shù)據(jù)更加精確。

圖2 電極數(shù)據(jù)采集模塊簡化圖

1.3 同步時鐘輸出模塊

為保證八電極同步完成數(shù)據(jù)采集過程,采用12路AD9520-5芯片作為同步時鐘,即可實現(xiàn)8片AD5933的同步控制。AD9520-5存在2種工作模式,模式一為低頻模式,模式二為高頻模式。由于AD5933系統(tǒng)時鐘典型值為16.776 MHz,系統(tǒng)選用AD9520-5低頻模式。AD9520-5沒有內(nèi)部VCO,通過外接晶振并經(jīng)過AD9520內(nèi)部DIV分頻,設(shè)置分頻系數(shù)以得到AD5933的激勵頻率,并確保了各路時鐘的同步輸出且輸出頻率相同。

AD9520內(nèi)置EEPROM大小為512 byte,在斷電時用來存儲用戶自定義寄存器文件,此文件用來提供上電和芯片復(fù)位時的默認(rèn)設(shè)置。為了保證啟動時正確加載EEPROM,在硬件電路外部加載RESET鍵(高-低-高脈沖信號),對AD9520-5起到及時復(fù)位的作用,保證數(shù)據(jù)采集過程更加準(zhǔn)確。

2 軟件設(shè)計

2.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)操作流程為:首先系統(tǒng)初始化,初始化后進(jìn)入QT平臺操作界面,通過操作界面來設(shè)置掃描參數(shù)、時鐘頻率、設(shè)置棧指針,然后選通電極工作模式,執(zhí)行命令控制AD5933進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采集完成之后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最終在顯示區(qū)呈現(xiàn)當(dāng)前所測阻抗實部、虛部及阻抗模值及相位信息,測量結(jié)果保存在FLASH。系統(tǒng)的初始化主要包括串口初始化、I2C接口初始化、USB接口初始化、SDRAM初始化、FLASH初始化以及LCD的初始化,系統(tǒng)主程序操作流程圖如圖3所示。

圖3 主程序數(shù)據(jù)采集流程圖

圖4 I2C總線的位傳輸

2.2 I2C數(shù)據(jù)通訊

I2C總線有兩條總線線路,一條是串行數(shù)據(jù)線(SDA),一條是時鐘線(SCL)。SDA傳輸數(shù)據(jù)時SCL必須為高電平并保持穩(wěn)定,SDA上的數(shù)據(jù)只能在SCL為低電平期間變化,如圖4所示。I2C總線在傳輸AD5933采集的數(shù)據(jù)過程中,通過3種不同類型傳輸信號變化來判斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M(jìn)度。

在八電極嵌入式EIT系統(tǒng)中,每片AD5933通過I2C兼容接口協(xié)議與S3C2440處理器進(jìn)行通訊。由于AD5933不存在配置I2C設(shè)備地址的硬件接口,所以I2C總線與AD5933進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時,需要利用S3C2440處理器GPIO模擬8路I2C總線通信協(xié)議。GPIO中每2個I/O口與一片AD5933構(gòu)成通訊通道,利用I2C總線完成處理器對AD5933的控制。圖5為I2C數(shù)據(jù)通訊流程圖。

圖5 I2C數(shù)據(jù)通訊流程圖

圖6 QT阻抗分析軟件主界面

2.3 QT界面開發(fā)

QT作為跨平臺的C++GUI庫開發(fā)出圖像界面庫。QT中不同類型對象信號與槽函數(shù)之間的關(guān)聯(lián),通過調(diào)用QObject對象的connect函數(shù)實現(xiàn)。QT中信號和槽機制替代回調(diào)技術(shù)以完成對象之間的通信,槽是一個可以被調(diào)用處理特定信號的函數(shù)。通常可以加入自定義的槽,本系統(tǒng)中通過加入自定義的槽,開發(fā)出屬于本系統(tǒng)的用戶界面如圖6所示,從而更好處理目的信號。

本文設(shè)計開發(fā)QT平臺用戶界面,通過QT界面中設(shè)置鍵‘AD5933set’為8片AD5933初始化如圖7所示,完成阻抗數(shù)據(jù)的采集之后,點擊Start鍵調(diào)用采集得到的數(shù)據(jù)并繪制幅值曲線。界面中點擊Set鍵中的‘AD933set’對八片AD5933進(jìn)行初始化設(shè)置,由于設(shè)置參數(shù)差異以及采集數(shù)據(jù)量的不同,系統(tǒng)初始化時間就會有所不同。

系統(tǒng)將數(shù)據(jù)實時采集完成后,得到一組實部數(shù)值和虛部數(shù)值,校準(zhǔn)之后,算出各掃描頻率點的幅值和相位,便于圖像重建算法調(diào)用。

圖7 AD5933的初始化

3 實驗及結(jié)果

系統(tǒng)實物如圖8所示。被測對象選用直徑15 cm、高25 cm的圓柱水槽,水槽內(nèi)盛有電導(dǎo)率0.36 S/m、溫度15 ℃的生理鹽水,直徑4 cm有機玻璃棒作為成像目標(biāo),水槽四周均勻分布8個直徑4 mm的金屬鈦圓形點電極。

圖8 嵌入式電阻抗測量系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)信噪比SNR(Signal to Noise Ratio)進(jìn)行測試,按式(1)計算

(1)

3.2 實驗結(jié)果

本系統(tǒng)在COMSOL軟件環(huán)境建立了仿真模型,求解得到靈敏度矩陣,將計算得到的幅值與靈敏度矩陣導(dǎo)入MATLAB編寫的高斯-牛頓圖像重建算法,進(jìn)行成像。表1中4幅圖展示有機玻璃棒在不同位置的成像效果。

表1 系統(tǒng)成像效果

從表1可以看出,本嵌入式阻抗測量系統(tǒng)能準(zhǔn)確反映了有機玻璃棒的形狀、大小及位置,可以看出聚焦性較好、偽影少、成像質(zhì)量較高。

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了AD5933的八電極嵌入式阻抗測量系統(tǒng),通過數(shù)據(jù)采集與開發(fā)QT界面,實現(xiàn)了測量與顯示的一體化,反映測量數(shù)據(jù)的變化。經(jīng)過建模、正問題求解及重建圖像算法,最終實現(xiàn)了被測場域內(nèi)物體的真實分布,驗證了系統(tǒng)的可行性與可靠性。此外,該系統(tǒng)也可利用AD5933掃頻功能,任選2個電極單獨工作,實現(xiàn)100 kHz以下二端口阻抗數(shù)據(jù)的測量。本系統(tǒng)具有便攜、成本低、操作簡單等特點,但受S3C2440處理器的內(nèi)存及計算資源的約束,在嵌入式系統(tǒng)上無法實現(xiàn)復(fù)雜的重建算法,仍需通過計算機實現(xiàn)。此外,該系統(tǒng)由一層8電極(1×8)搭建而成,數(shù)據(jù)信息量相對較少且限于二維成像。將來探究中可以增加電極數(shù)量與電極層數(shù),如一層16電極(1×16)模式,數(shù)據(jù)量由原來的7×8=56增加到15×16=240,從而很大程度上改善圖像重建質(zhì)量;兩層8電極(2×8)模式、兩層16電極(2×16)模式實現(xiàn)三維斷層截面成像,不僅提高成像質(zhì)量而且豐富被測物體內(nèi)部阻抗信息,使得嵌入式阻抗測量系統(tǒng)在未來科研與臨床應(yīng)用中得到充分的發(fā)揮,將測量、顯示與成像的功能集成于一體,實現(xiàn)電阻抗成像系統(tǒng)的便攜式和智能化。

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Research on Embedded Electrical Impedance Measurement System*

CHENXiaoyan*,SUNLiang,CHUMengli

(College of Information and Automation,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300222,China)

Basedon S3C2440 processor and Linux3.0.4kernel,a set of embedded electrical impedance measurement system is developed based on ARM architecture,to improve the convenience and digital applications of impedance measurement. Using AD5933 as impedance sensor,through the I2C communication protocol the data communication between AD5933 and S3C2440 processor are achieved. The development of QT user interface achieves the display of measurement results,through the operation of touch screen to achieve the impedance parameters of the collection,display,store and curve drawing and other functions. The imaging results indicate that image reconstruction quality is good,and the SNR is 65.6 dB,and verify this system’s stability and reliability of software and hardware in design. This study can contribute to promote the application of digital medical technology in the clinical application of impedance measurement technology.

electrical impedance tomography;ARM;AD5933;QT

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(61301246);天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計劃項目(12JCYBJC19300)

2016-03-15 修改日期:2016-04-15

C:7310J

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.034

TP212.14

A

1005-9490(2017)02-0430-05