1、电阻抗断层成像中驱动和测量模式程控系统的设计作者：尤富生 董秀珍 秦明新 史学涛 付峰 刘锐岗 汤孟兴 李江 吴晓明 【关键词】 电阻抗断层成像 关键词: 电阻抗断层成像;电极;多路开关 摘 要:目的 在电阻抗断层成像技术中，为实现多电极条件下的激励和测量信号依据不同的需要进行加载和高速切换，设计驱动和测量模式程控系统. 方法 采用高速 CMOS 多路开关、逻辑电路和光电隔离电路实现驱动和测量模式程控系统. 结果 在有 32 个驱动电极和 32 个测量电极的 EIT 成像系统中，该系统能程控实现任意两电极的驱动及任意两电极的信号测量. 结论 基于多路开关的驱动和测量模式程控系统在信号加载和传输
2、中具有高速、低导通电阻、各通道一致性好的特点. Keywords:electrical impedance tomography;electrodes;multiplexer Abstract:AIM In electrical impedance tomography（EIT）there are many electrodes for driving and measurement.In order to configure the different driving and measurement mode with high speed，an programmable control s
3、ystem for driving and measurement mode is designed.METHODS High speed CMOS multiplexer，logic circuits and optic-elec-tronic isolation device were used.RESULTS In a system with32driving electrodes and32measurement electrodes，any pair of the driving and measurement electrodes could be programmable con
4、figured for driving or measurement.CONCLUSION Based on high speed CMOS multiplexer，the pro-grammable control system for driving and measurement mode has the feature of high speed，low Ron and matching better for all channels. 0 引言 电阻抗断层成像（electrical impedance tomogra-phy，EIT）就是在成像目标表面施加安全的交流激励电流或电压，同
5、时测量目标表面的电压或电流信号，经图像重构得到成像目标内阻抗或阻抗变化量的二维或三维分布.作为一种新型的成像技术，EIT 具有造价低、操作简便、功能成像及动态图像监护等特点1-6 .目前 EIT 中通常采用 16，32 或64 个驱动及测量电极，如何将激励源输出的激励信号加载到这些驱动电极上，并按一定的方式将测量电极上的信号传输到信号检测模块，是驱动测量模式控制系统完成的主要功能. 1 设计方法 在我们设计的有 32 个复合电极的 EIT 系统中，驱动模式要求有临近驱动（adjacent driving mode）和对向驱动（opposite/polar driving mode）两种模式;测
6、量模式要求有临近测量（adjacent measurement mode）和对向测量（opposite/polar measurement mode）等模式.在满足驱动和测量模式的前提下，综合考虑到数据采集和图像重建的速度，以及 EIT 中均为低电流交流信号的特点，驱动和测量模式的控制电路主要采用高速、多路电子开关实现. 为满足 EIT 中高精度激励及信号测量的需要，在器件选择及电路设计中我们主要考虑如下因素:驱动测量模式从临近到对称等不同模式具有灵活程控设置的特点;激励通道及测量通道间的一致性要好，以减小不同通道间的误差;电子开关的导通电阻（Ron）和通道间电容要足够小. 2 器件选择及电路
7、设计 无论是驱动还是测量模式，其加载的信号均为交流低电流（小于10mA）信号，经比较 Maxim 公司的 MAX306 7 满足设计要求.它作为 DG406，DG407，DG506A 和 DG507A 等多路开关的升级产品，具有如下功能:程控 16 选 1（由 A0，A1，A2，A3 和选通信号 EN 决定接通的通道号） ，导通电阻 Ron 小于 100，通道间匹配误差小于 5，通道串扰小于-92dB，COM 端泄漏电流小于 20nA，导通时COM 端对地等效电容 Ccom（ON） 小于 140pF，开关时间小于 400ns.为达到测量模式程控设置的目的，我们利用 MAX306 的 EN 控制
8、端，将两片MAX306 级联，完成 32 选 1 的多路开关组，两组 32 选 1 的开关并联即实现 32 选 2 任意模式设置功能. 为进一步减小其他电路对该模块的干扰，我们还采用了单独供电、光耦隔离等措施，以达到驱动测量设置模块高精度传输、加载信号的设计要求. Fig1 是我们设计的测量模式程控电路原理图，驱动模式程控电路的原理图与 Fig1 相似，它们间的区别是模拟信号的流程相反.Fig1 中，两组 A0，A1，A2，A3 和 EN 信号分别来自计算机控制的两个数字信号输出端口（I/O PORT0X242 和 0X243） ，信号经光耦隔离后作为多路开关的片内选通控制信号和片选信号，从而
9、与 SW1 和 SW2 并联的 32 个测量电极中有唯一的一对电极被接通，将信号传输到检测电路供测量系统使用. 图 1 略 3 结果 采用上述驱动及测量模式程控系统，与信号激励模块、信号检测模块相配合，基于物理模型分别采用 临近驱动、临近测量模式和对向驱动、临近测量模式，进行数据采集8，9 ，结果如 Fig2，3.Fig3 中的测量还采用了程控增益放大技术，进一步减小了测量数据的动态范围.采用上述两种驱动测量模式得到的数据经重构后均得到了较好的成像结果10，11 . 图 2 图 3 略 由此说明，我们设计的驱动测量模式程控系统完全满足 EIT 成像系统的要求，其导通电阻 Ron 小于 100，
10、各通道间匹配误差小于 5，开关时间小于 400ns，驱动和测量模式可程控设置.该程控系统经扩展可作为多电极激励及测量系统中高性能的驱动和测量模式控制系统. 参考文献: 1Smith RWM，Freeston IL，Brown BH.A real-time electrical impedance tomography system for clinical use Design and preliminary results J.IEEE Trans Biomed Eng，1995;42（2）:133-140. 2Brown BH，Barber DC，Morice AH，Leathard AD
11、.Cardiac and respiratory related electrical impedance changes in the human thorax J.IEEE Trans Biomed Eng，1994;41（8）:729-733. 3Mangnall YF，Barnish C，Brown BH，Barber DC，Johnson AG，Read NW.Comparison of applied potential tomography and impedance epigastrography as methods of measuring gastric emptying
12、 J.Clin Phys Physiol Meas，1988;9（3）:249-254. 4Holder DS.Impedance changes during evoked nervous activity in human subjects:Implications for the application of applied po-tential tomography（APT）to imaging neuronal discharge J.Clin Phys Physiol Meas，1989;10（3）:267-274. 5Taktak A，Record P，Gadd R，Rolfe
13、P.Practical factors in neonatal lung imaging using electrical impedance tomography J.Med Biol Eng Comput，1995;33:202-205. 6Dawids SG.Evaluation of applied potential tomography:A clinicians view J.Clin Phys Physiol Meas，1987;8（Suppl A）:175-180. 7MAXIM1995new release data book M.Volume IV，1995:17-28.
14、8You FS.Research on EIT hardware system and its preliminary results based on physical phantom D.Dept.Of BME，Fourth Military Medical University，Xian，China，1998. 9You FS，Dong XZ，Qin MX， Shi XT，Tang MX，Liu RG.Ahardware system of electrical impedance tomography with32electrodes J.Di-si Junyi Daxue Xueba
15、o（J Fourth Mil Med Univ） ，1998;19（Suppl）:7-9. 10Tang MX，Dong XZ，Qin MX，You FS，Shi XT，Fu F，Liu RG.A new image reconstruction method for electrical impedance tomography J.Di-si Junyi Daxue Xuebao（J Fourth Mil Med Univ） ，1998;19（Suppl）:1-3. 11Dong XZ，Liu RG，Qin MX，Fu F，Tang MX，You FS，Shi XT.Design of electrical impedance tomography software system for experiment J.Di-si Junyi Daxue Xuebao（J Fourth Mil Med Univ） ，2000;21（11）:1381-1383.
