導(dǎo)語(yǔ)：用于腦部電阻抗斷層成像的高穩(wěn)定性恒流源的設(shè)計(jì)一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

【關(guān)鍵詞】電阻抗斷層成像；恒流源；分布電容；屏蔽驅(qū)動(dòng)

Designofacurrentsourcewithhighstabilityforbrainelectricalimpedancetomographysystem

【Abstract】AIM:Toimprovethestabilityofthecurrentsourceforbrainelectricalimpedancetomography(EIT)dataacquisitionsystem.METHODS:Ashieldguardtechniquewasemployedtominimizetheshuntingeffectofthestraycapacitanceofwiresbetweenelectrodesandcurrentsource.Atthesametime,anoutputcurrentcompensatingmethodwasadoptedtocompensatethecurrentlosscausedbythemultiplexersstraycapacitance.RESULTS:Thesimulationresultsshowedthatafterthosemethodswereused,themaximumrelativecurrenterrorona1.5kΩloaddroppedfrom7%to0.4%inworkingfrequencyrange,andthepracticalresultsalsoshowedthatthefinalmaximumrelativecurrenterroronthisloadwaslessthan1%.CONCLUSION:Theshieldguardmethodforwiresandtheoutputcurrentcompensatingmethodforcurrentsourcecaneffectivelyimprovethestabilityofcurrentsourcesoutputcurrent.

【Keywords】electricalimpedancetomography;currentsource;straycapacitance;shieldguard

【摘要】目的:提高腦部電阻抗斷層成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的恒流源的輸出穩(wěn)定度.方法：采用屏蔽驅(qū)動(dòng)的方法減弱電極導(dǎo)線(xiàn)分布電容的分流作用，同時(shí)采取輸出電流補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)多路開(kāi)關(guān)上的分布電容分流作用進(jìn)行補(bǔ)償．結(jié)果：仿真結(jié)果表明通過(guò)這些措施后流經(jīng)1.5kΩ負(fù)載的激勵(lì)電流的幅度在工作頻率范圍內(nèi)最大相對(duì)偏差可由原來(lái)的7%降至0.4%以下．最終所實(shí)現(xiàn)的激勵(lì)源的最大相對(duì)偏差也小于1%．結(jié)論：所采取的電極導(dǎo)線(xiàn)屏蔽驅(qū)動(dòng)和輸出電流補(bǔ)償?shù)姆椒梢赃_(dá)到有效提高恒流源輸出電流穩(wěn)定度的目的．

【關(guān)鍵詞】電阻抗斷層成像；恒流源；分布電容；屏蔽驅(qū)動(dòng)

電阻斷層抗成像（electricalimpedancetomography，EIT）是一種通過(guò)體表弱電信號(hào)激勵(lì)和體表電信號(hào)測(cè)量的方法獲取目標(biāo)區(qū)域（某一斷面）內(nèi)組織電阻抗分布信息，并以圖像的方式反映出來(lái)的新型醫(yī)學(xué)成像技術(shù)［1］．與現(xiàn)有的成像技術(shù)相比，該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備小巧、易于操作、無(wú)創(chuàng)無(wú)害等特點(diǎn)，在對(duì)機(jī)體生理或病理狀態(tài)的功能成像等方面有著誘人的應(yīng)用前景，吸引著國(guó)內(nèi)外眾多的學(xué)者，是近年來(lái)生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一．其中，高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制是該技術(shù)的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)之一．

我們目前的研究目標(biāo)是利用EIT技術(shù)研制一種能實(shí)現(xiàn)對(duì)人腦出血、腦水腫等疾病進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間圖像監(jiān)護(hù)的儀器．由于有顱骨這樣高電阻率組織的存在［2］，腦部EIT測(cè)量時(shí)，目標(biāo)區(qū)域電阻率相對(duì)較高，同時(shí)又由于顱骨的影響，由顱內(nèi)組織電阻率變化所導(dǎo)致的體表電信號(hào)的變化量也相對(duì)較弱，因而對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了更高的要求［3］．本研究以提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中恒流源的輸出穩(wěn)定度為目標(biāo)，分析影響系統(tǒng)工作時(shí)輸出電流穩(wěn)定性的主要因素，并以屏蔽驅(qū)動(dòng)和輸出補(bǔ)償?shù)姆绞饺趸@些因素的影響，達(dá)到提高輸出穩(wěn)定度的目的.

1原理

目前的EIT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多采用電流激勵(lì)、電壓測(cè)量的工作模式．測(cè)量時(shí)，以等間距貼于目標(biāo)外周的16或32個(gè)電極中的1對(duì)（或多對(duì)）進(jìn)行激勵(lì)，注入一定頻率的弱激勵(lì)電流，同時(shí)測(cè)量其余電極對(duì)上的電壓差［4］．理想情況下，恒流源的輸出阻抗無(wú)窮大，此時(shí)不論負(fù)載阻抗如何變化，流經(jīng)負(fù)載的電流始終是恒定值，因而通過(guò)電壓與電流間的比值可精確求解出測(cè)量電極間的傳輸阻抗．但如圖1所示，對(duì)于實(shí)際的EIT系統(tǒng)，雖然恒流源自身的輸出阻抗可以達(dá)到數(shù)MΩ以上的水平，但由于激勵(lì)電流要通過(guò)多路開(kāi)關(guān)和長(zhǎng)達(dá)1m以上的電極導(dǎo)線(xiàn)才能進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域，多路開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻、公共端等效電容、等效輸入電容以及電極導(dǎo)線(xiàn)的雜散電容等因素會(huì)對(duì)激勵(lì)電流形成一定的影響．為分析這些因素的影響，我們?cè)O(shè)恒流源輸出阻抗為Zs，多路開(kāi)關(guān)公共端等效電容為C1、任意一對(duì)相鄰的輸入端等效并聯(lián)電容為C2、各通道的導(dǎo)通電阻為R，同時(shí)，假設(shè)負(fù)載阻抗為ZLoad，導(dǎo)線(xiàn)間電容為Cline．在忽略導(dǎo)線(xiàn)電阻的情況下，可以得到恒流源工作時(shí)的等效電路(圖2).此時(shí)，令C=C2//Cline=C2+Cline，可得實(shí)際流過(guò)負(fù)載的電流Iload：式中，ω為激勵(lì)電流的角頻率．

可以看出，Iload不僅會(huì)隨負(fù)載阻抗而變化，同時(shí)還會(huì)隨激勵(lì)信號(hào)頻率的改變而改變．由于我們的系統(tǒng)要求在1~200kHz的頻率范圍內(nèi)提供相對(duì)可靠的阻抗信息，同時(shí)，前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，腦EIT成像時(shí)，采用準(zhǔn)對(duì)向驅(qū)動(dòng)模式［1］情況下，相對(duì)恒流源而言，負(fù)載阻抗一般在0.5~1.5kΩ之間．因而，我們根據(jù)現(xiàn)有電子元件的相關(guān)參數(shù)，取R=300Ω，C1=30pF，C2=2pF，Cline=100pF，Zs=4MΩ，并將恒流源輸出電流設(shè)為1mA，以仿真的方式獲得了如圖3所示的ZLoad分別為0.5kΩ，1kΩ和1.5kΩ時(shí)，負(fù)載電流隨頻率變化的曲線(xiàn)．可見(jiàn)，隨著頻率的上升，流經(jīng)負(fù)載的電流急劇下降，特別是當(dāng)負(fù)載為1.5kΩ，頻率為200kHz時(shí)，負(fù)載電流下降幅度可達(dá)7%以上，嚴(yán)重影響了EIT系統(tǒng)的測(cè)量精度．因而采取適當(dāng)?shù)拇胧┙档瓦@種影響是非常必要的.

2方法和結(jié)果

通過(guò)公式(1)可以看出，由于恒流源輸出阻抗Zs遠(yuǎn)大于多路開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻R和負(fù)載阻抗ZLoad，導(dǎo)致負(fù)載電流隨頻率和負(fù)載變化的主要原因是分布電容．其中，導(dǎo)線(xiàn)分布電容Cline由導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度和布局決定，往往會(huì)隨著環(huán)境的改變而變化．為減小Cline對(duì)激勵(lì)電流的分流作用，我們對(duì)電極導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行了屏蔽驅(qū)動(dòng)，具體方法是以同軸電纜的芯線(xiàn)連接電極與恒流源，同時(shí)還與一個(gè)增益為1的電壓緩沖放大器的輸入級(jí)相聯(lián)，緩沖放大器的輸出級(jí)與同軸電纜的屏蔽層相連．工作時(shí)，由于芯線(xiàn)與屏蔽層電壓相等，激勵(lì)電流不會(huì)分流，從而將Cline的影響減到可以忽略不記的程度.

多路開(kāi)關(guān)的公共端和輸入端的等效電容C2和C1由現(xiàn)有器件水平?jīng)Q定，無(wú)法降低．但根據(jù)公式(1)，負(fù)載電流總是隨頻率的升高而降低，如果我們能使恒流源輸出電流Is隨頻率的升高而升高，則會(huì)產(chǎn)生補(bǔ)償作用，從而在一定范圍內(nèi)提高負(fù)載上的電流．根據(jù)這一原理，我們實(shí)現(xiàn)了如圖4所示的恒流源．圖中A1為美國(guó)AnalogDevices公司的AD844型電流反饋型運(yùn)算放大器．當(dāng)其同相輸入端（In+）有一電壓Vs時(shí)，放大器內(nèi)部電路會(huì)在負(fù)相輸入端（In-）建立一個(gè)與之相等的電壓，同時(shí)通過(guò)內(nèi)部電流鏡的作用在輸出端建立一個(gè)與負(fù)相輸入端大小相等的電流．因而可得恒流源輸出電流Is：因而，我們?nèi)∝?fù)載阻抗為1kΩ，同時(shí)取Ri=4kΩ代入上式，可得Ccomp=12.5pF．此時(shí)，通過(guò)仿真可得如圖5所示的負(fù)載阻抗分別為500Ω，1kΩ和1.5kΩ時(shí)負(fù)載電流隨頻率的變化曲線(xiàn)．從中可見(jiàn)：由于Ccomp的引入，當(dāng)負(fù)載取為1kΩ時(shí)，負(fù)載電流基本不隨頻率而改變．而當(dāng)負(fù)載取為1.5kΩ時(shí)，負(fù)載電流的最大相對(duì)偏差也不到0.4%，相對(duì)未加補(bǔ)償時(shí)7%的最大偏差而言，降低了10倍以上．

根據(jù)以上結(jié)果，在實(shí)際電路的實(shí)現(xiàn)上，我們通過(guò)匹配，將補(bǔ)償電容設(shè)置為13pF，同時(shí)引入微調(diào)電位器，使Ri可在3.9~4.1kΩ調(diào)整．最終測(cè)量得的激勵(lì)源在負(fù)載為1kΩ時(shí)工作頻帶內(nèi)負(fù)載電流的最大相對(duì)偏差不大于0.2%，負(fù)載為1.5kΩ時(shí)負(fù)載電流的最大相對(duì)偏差也在1%以?xún)?nèi)，提高了負(fù)載電流的穩(wěn)定度.

3討論

EIT技術(shù)由于具有成本低、使用方便和對(duì)人體無(wú)創(chuàng)等優(yōu)點(diǎn)受到了國(guó)內(nèi)外眾多的學(xué)者的青睞．在EIT研究中，如何進(jìn)一步提高測(cè)量系統(tǒng)的精度的問(wèn)題是困擾研究人員的難點(diǎn)之一.

我們根據(jù)國(guó)外在腦EIT成像方面的研究基礎(chǔ)［5-6］和課題組在前期研究的工作基礎(chǔ)，在國(guó)內(nèi)外率先提出將EIT技術(shù)應(yīng)用于人顱腦出血、水腫等病的動(dòng)態(tài)床旁圖像監(jiān)護(hù)，并通過(guò)近期的研究基礎(chǔ)也證實(shí)了這種方法的可行性［7］．但由于頭部高電阻率顱骨的存在，由顱內(nèi)阻抗變化所導(dǎo)致的體表電信號(hào)被大大減弱，從而要求測(cè)量系統(tǒng)具有相對(duì)更高的測(cè)量精度．而根據(jù)目前現(xiàn)有的器件水平，影響系統(tǒng)性能的主要因素之一是多路開(kāi)關(guān)對(duì)恒流源的影響．這種影響的主要表現(xiàn)是由于多路開(kāi)關(guān)和電極導(dǎo)線(xiàn)等的分布電容的存在使得最終流入成像目標(biāo)區(qū)域的負(fù)載電流不穩(wěn)定，并隨負(fù)載阻抗以及頻率的變化而變化，從而會(huì)引入較大的非線(xiàn)性測(cè)量誤差．為減小這種誤差，本研究一方面從減小電極導(dǎo)線(xiàn)分布電容的影響的角度出發(fā)，對(duì)電極導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行了屏蔽驅(qū)動(dòng)；另一方面從減小多路開(kāi)關(guān)等效分布電容的影響的角度著手，采取對(duì)恒流源進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ箤?shí)際流過(guò)負(fù)載的電流保持相對(duì)穩(wěn)定．通過(guò)仿真結(jié)果可以看出：采用這些措施后，負(fù)載電流的穩(wěn)定性提高了10倍以上．在實(shí)際應(yīng)用中雖然受器件等諸多因素的影響，負(fù)載電流的穩(wěn)定度無(wú)法達(dá)到仿真的水平，但測(cè)量結(jié)果也表明電路的輸出電流穩(wěn)定度也有了明顯的提高，從而提高了EIT測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性．

【參考文獻(xiàn)】

［1］史學(xué)濤，董秀珍，帥萬(wàn)鈞,等.適用于腦部電阻抗斷層成像的單源驅(qū)動(dòng)電流模式［J］.第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,27(3):279-282.

［2］GoncalvesS,deMunckJC,VerbuntJPA,etal.InvivomeasurementofthebrainandskullresistivitiesusinganEITbasedmethodandthecombinedanalysisofSEF/SEPdata［J］.IEEETransBiomedEng,2003,50(9):1124-1128.

［3］MurrietaLeeJC,PomfrettCJD,BeattyPCW,etal.EITvoltagechangesonthehumanscalpduetobrainstimulus［J］.Proceedingsofthe15thInternationalConferenceonElectronics［C］.CommunicationsandComputers(CONIELECOMP2005).

［4］史學(xué)濤，尤富生，付峰，等.同時(shí)工作于四種頻率的多頻電阻抗斷層成像系統(tǒng)［J］．航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2006,19(1):47-50.

［5］YerworthRJ,BayfordRH,CusickG，etal.DesignandperformanceoftheUCLHMark1b64channelelectricalimpedancetomography(EIT)systemoptimizedforimagingbrainfunction［J］.PhysiolMeas,2002,23(2):149-158.

［6］MerwaR,HollausK,ScharfetterH.Detectionofbrainoedemausingmagneticinductiontomography:Afeasibilitystudyofthelikelysensitivityanddetectability［J］.PhysiolMeas,2004,25(1):1-8.

［7］史學(xué)濤，董秀珍，霍旭陽(yáng),等.電阻抗斷層成像技術(shù)監(jiān)護(hù)腦出血的可行性研究［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2007,20(1):待發(fā)表.