基于LabView的磁感应方式阻抗测量系统虚拟仪器接口的实现.doc

1、基于 LabView 的磁感应方式阻抗测量系统虚拟仪器接口的实现【关键词】 电阻抗 【Abstract】 AIM: To realize the interface of the hardware and software of an inductive impedance measuring system so as to lay a foundation for future measuring experiments. METHODS: The DAQ card was programmed with LabView to control the sampling, the pretre

2、atment of the data and the measuring models. RESULTS: Based on the virtual instrument interface, a single coil measurement experiment of the relationship between conductivity and phase shift was conducted and the result corresponded well with the theoretical analysis. CONCLUSION: The virtual instrum

3、ent interface based on LabView is suitable for the inductive impedance measuring system and it can be used to conduct measuring experiments and preliminary imaging experiments. 【Keywords】 EIT; MIT; electric impedance; virtual instrument 【摘要】 目的： 实现用于磁感应方式阻抗测量系统中的软硬件的接口，为进一步的测量实验打下良好的基础. 方法： 采用 LabVi

4、ew对数据采集卡进行编程，控制试验数据的采集、数据的预处理以及系统的测量模式. 结果： 在实现的虚拟仪器接口基础上，进行了单线圈的电导率与输出相移的关系试验，结果与理论分析一致. 结论： 基于 LabView的虚拟仪器接口适用于磁感应方式阻抗测量系统，可以成功地进行测量试验和初步的成像实验. 【关键词】 电阻抗成像；磁感应断层成像；电阻抗；虚拟仪器 0 引言 磁感应方式电阻抗测量技术，也称为磁感应断层成像技术（magnetic induction tomography, MIT） ，是一种依据电磁感应原理，以人体电导率（电阻率）的空间分布为目标的成像技术. 它是电阻抗成像（electrical

5、 impedance tomography, EIT）技术发展中近年出现的一个新的方向. 它的主要优点有： MIT测量中的目标与装置之间不存在直接电流耦合，避免了使用体表电极带来的接触阻抗易受干扰和电极极化等现象1 ；由于脑组织被包绕在低电导率的颅骨中，这样就降低了经体表采用注入电流法测量生物电阻抗的敏感性，而电磁场可以比较容易地穿透颅骨进行检测，在脑的成像与监护方面具有优势. 在开展磁感应方式电阻抗测量的实验中2 ，我们工作小组初步建立了单线圈的旋转方式阻抗测量系统. 本文主要介绍了该系统基于 LabView的虚拟仪器接口的原理以及实现过程. 1 材料和方法 11 材料 本系统采用了基于 L

6、abView的虚拟仪器接口，实现了单线圈测量模式下和旋转方式测量模式下的数据采集和预处理. 数据采集卡使用的是NI公司的 PCI6024E，最高采样率 200 ks/s，12 位精度，输入电压范围10 V. 该采集卡的系统资源包括： 16个模拟输入通道，2 个模拟输出通道，8 个数字 I/O通道，2 个计数器，2 个数字触发器. 控制程序采用LabView6.0编写. 12 方法 121 单线圈旋转方式阻抗测量系统的总体结构和工作方式我们实现了一个单线圈的旋转方式阻抗测量系统，用来进行单通道的电阻抗测量实验和初步的成像实验. 该系统的主要组成部分： 硬件部分： 包括激励信号产生电路3 ，感应信

7、号检测和处理电路; 接口部分： 采用基于 LabView的虚拟仪器接口，进行数据的采集和预处理； 软件部分： 初步实现了反投影算法，可以进行图像重建. Exc 在测量线圈 Dec处激发的磁场强度为 B；加入检测目标时，目标的电导率会使激励磁场的空间分布发生变化，测量线圈处产生扰动场B，测量线圈上感应出的电流的幅值和相位都要发生变化，通过鉴相和幅度检测电路后，得到目标引起的幅度和相位变化. 这些信息再以电压变化的形式通过接口电路采集进计算机，获得单线圈方式的测量数据. 如果要进行成像实验，可以用程序控制激励线圈和测量线圈的位置，即旋转方式测量模式，同步地进行数据的采集. 在获得了完整的重建数据集

8、后，可以用重构算法进行图像重建. 122 基于 LabView的虚拟仪器接口的实现过程测量数据的采集使用两个模拟输入通道，分别采集相位信息和幅值信息. 通过程序控制，由 4个数字 I/O通道，分别向两个步进电机驱动器送出高低电平信号，控制步进电机控制器的使能端和方向控制端. 通过数字触发器和计数器，定时向电机控制器的脉冲输入端发送指定长度的脉冲序列，以控制步进电机的旋转角度. 数据采集卡的配置、数据监测、数据采集和预处理以及步进电机控制程序采用 LabView6.0编写4. 该软件的主要工作流程(Fig 2)如下：程序启动后，首先进行步进电机工作参数和采集参数的初始化. 电机工作参数的初始化主

9、要是选择数字 I/O通道，并通过向这些端口发出信号来设置电机的转速，转动方向和起始位置等,如 Fig 3所示. 采集参数的初始化主要是选择进行采样的模拟输入通道设置采样率缓冲区的大小，端口扫描次数等. 初始化结束以后，开始进行两个通道的采样监测，两个通道分别代表幅值信息和相位信息，采样结果动态显示在屏幕上，采样数据并没有存贮. 进行单线圈的测量实验时，首先要调整激励线圈和测量线圈的相对位置，通过向电机控制器发送指定长度的脉冲序列，电机带动线圈就可以旋转一定的角度，电机的转动精度可以达到 0.028度. 采集到的数据进行了滤波和平均等预处理后，动态地显示在屏幕上的文本框中,在实验中可以进行读取.

10、 数据采集程序如 Fig 4所示. 如果要进行成像实验，即旋转方式的测量，首先可以更改采集参数，重新调整激励线圈和测量线圈的相对位置，设置每一个圆周上的测量数，即改变重构数据矩阵的维数. 点击启动采样按钮后，程序会通过数字 I/O端口定时向电机控制器发送控制信号，自动改变两个线圈的相对位置，同时，程序会记录下在每一个测量位置的测量值，顺序存入文件中，作为图像重构数据集，进行初步的成像实验. 2 结果 采样数据的实时监视窗口，电机参数设置选项，采样参数设置选项等如 Fig 5所示. 在单线圈的测量实验中，设置采样率为 250 Hz，缓冲区大小 2500字节，缓冲区数据读取速度为 50个/次. 对

11、电导率分别为 0.1, 0.7, 2, 6 s/m的 NaCl溶液目标，进行了单线圈测量,结果如 Fig 6 所示.可以看出，相位检测得到的相位差与目标的电导率近似呈线性关系，这是 MIT的一个基本关系和理论基础1. 3 讨论 本文实现的虚拟仪器接口有效地解决了测量信号的采集和处理问题，试验结果也证明，本接口可以成功地应用在磁感应方式的阻抗测量系统中，能够完成单线圈的测量实验数据采集和旋转方式的成像实验数据采集. 工作中要充分发挥虚拟仪器在数据采集和信号处理方面的优势，利用其简便灵活的特点，使其在生物医学工程领域中发挥更大的作用. 【参考文献】 1 Griffiths H. Magnetic

12、induction tomography J. Meas Sci Technol, 2001;12:1126-1131. 2 Griffiths H, Stewart WR, Gough W. Magnetic induction tomographyA measuring system for biological tissues J. Ann N Y Acad Sci, 1999；873:335-345. 3 李世俊，秦明新，董秀珍，等. 非接触磁感应脑阻抗断层成像系统激励源设计J. 第四军医大学学报，2003；24(2):176-178. Li SJ, Qin MX, Dong XZ, et al. Development of an exciting source for the system of contactless magnetic induction tomography of brain impedance J. J Fourth Mil Med Univ, 2003；24(2):176-178. 4 清华大学电机系虚拟仪器实验室,北京中科泛华测控技术有限公司编译. LabView用户指南 (LabView User Manual January 1998 Edition) M. 2000;28:17.