EIT的技术分类

Posted 2023-04-15

参考技术A

电阻抗成像技术的分类：
电阻抗成像技术依据信号采集方式及激励源的不同，大致分成以下三类：
1、 注入式电阻抗成像
这是传统的电阻抗成像方法，通常采用电流输入测量电压输出或者采用电压输入测量电流输出的方式。由于电极是放于皮肤上的，而皮肤的角质层阻抗很大，为减小皮肤阻抗的影响，通常采用电流输入测量电压的方法。
EIT系统大致由三部分组成：信号注入与提取、A/D转换和计算机接口、图象重建与显示。
其中，信号注入与提取的主要部件是电极。因为在EIT系统中，被测信号很微弱再加上电极是整个成像系统的前端，所以，电极的性能对于整个系统的性能及成像质量来说至关重要。因此，一个良好的电极，必须具备如下特点：
1） 利于注入电流和提取电压；
2） 与皮肤表面接触阻抗小；
3） 易于组成电极阵；
4） 对皮肤无毒，无副作用。
为达到上述要求，EIT系统所用电极大多采用银、铜、不锈钢等材料制成。此外，现在大多EIT系统都采用16个电极，也有32、64电极系统。增加电极数能增加系统的分辨率和成像质量，但数据处理量会增大，成像算法也会更复杂。
控制电路和电流源系统的功能是产生输入电流，并控制电流输入在电极间的切换。EIT系统的电流采用几十KHZ的交流电。因此，该部分的关键电路是稳幅振荡恒流源。
EIT系统振荡频率由以下因素决定：
1) 皮肤阻抗随注入信号的频率增大而减小，在100KHZ的阻抗约为220欧。
2) 在频率为100KHZ以下的电流作用下，人体组织的阻抗主要表现为电阻特性；
3) 交流信号对人体的伤害小于直流信号。
4) 较低的输入阻抗和较小的分布电容。
总上要求，EIT输入电流的频率多为几十KHZ。
电压测量电路的要求：
因为EIT注入电流很小，所以要测量的肤表分布电压很小，必须经过放大之后，才能进行测量。为满足系统误差要求，该电压测量电路要满足一定的指标要求，例如：CMRR要达到120dB,系统要达到0.1%的精度等。这在系统设计时要特别注意。
图象重建算法是EIT系统的重要组成部分。应用于EIT系统的算法有很多种，按方式分主要分两大类：动态式成像和静态式成像。动态式成像利用两个不同时刻的测量数据，通过图象重建算法来获得这两个时刻电阻抗分布的差值，从而构建出一副S差分图象。动态式成像是图象重建算法中发展较早的一类，主要是反投影算法，其优点是许多测量数据中的噪声可以在相减时的到消除，因而它的图象重建算法对数据采集系统的要求不是太高，实现起来容易，另外它的计算量一般也较小，缺点是应用范围窄。静态式成像重建算法发展较晚一些，但由于其应用的广泛性及相对较好的成像效果，受到普遍重视，已成为EIT成像重建算法的主流。现在流行的算法是Newton-Raphson类算法，另外，扰动算法，拟Newton类算法也得到发展。静态式成像的缺点是：计算量大，噪声性能差，如何解决这个问题，已成为EIT技术研究的重点和难点。
2．感应电流电阻抗成像
感应电流电阻抗成像（induced current electrical impedance tomography,ICEIT）是一种新的EIT技术，它在被测目标的周围的外围放置若干个激励线圈，对其施加时变电流，在空间产生交变磁场，从而在被测目标内产生出感应电流。测量目标表面相邻电极的电压差，并用此数据进行目标区域电导率的图象重建。与传统的注入式EIT相比,ICEIT具有以下优势：
1） 成像目标内的电流不受电极处的电流密度的限制，因而有可能使用更大的电流以提高信噪比；
2） 由于周围电极仅测量输出电压，不用于电流驱动，所以可以优化电极设计；
3） 通过改变线圈的形状和位置，使空间磁场发生改变，从而改变目标内的电流分布，提取某一部分的细节；
4） 当成像目标外有屏蔽层时，选择适当频率的驱动电流，就可使屏蔽层对感应电流密度分部影响不大，从而可能得到比较理想的成像结果。
5） 适于诊断颅内病变和探讨脑疾病演变过程，在区分不同类型脑水肿方面有一定优势；
6） 非接触，无创，系统成本相对较低；
首先，固定激励线圈的位置，其产生的恒定磁场在补偿线圈上感应出参考信号，同时该磁场穿过容积导体在检测线圈上感 应出待测信号。补偿线圈的作用：
1）用对称性，抵消激励线圈直接在检测线圈上感应的主磁场，使得检验线圈理论上只有容积导体上的涡流感应磁场；
2）直接为鉴相电路提供参考信号。对待测信号（10mv-50mv）先进行缓冲，在进行初级放大和次级放大送入鉴相电路的一端；而参考信号（1－5v）先进行缓冲再加一级限幅，送入鉴相电路的另一端。鉴相电路输出的即为Im(db/B)。将此相位送入A/D板，作为一个测量值。之后转动内滑环改变激励线圈的位置，得到其他组的测量值。最后，采样结束，将数据送入计算机处理并显示结果。
3．多频电阻抗成像
多频电阻抗成像（Multi-frequency Electrical Impedance Tomography, MFEIT）是在EIT技术基础上发展起来的一种新型成像技术，它在多个频率激励下测量人体组织内的阻抗信息，对这些信息进行处理，以达到更好区分不同的组织或组织所处的不同状态的目的。由于MFEIT 提取了人体组织在多个频率下的复阻抗信息，可通过有目的的选择频率以突出感兴趣的组织，甚至还可以通过多个频率下的阻抗信息来估算组织阻抗模型参数，从而使最终的图象含有较多的信息量，获得较高的成像质量。因此，MFEIT技术是对FIT技术的进一步发展，具有良好的应用前景。
多频EIT系统中主要采用的技术
与常规的EIT技术相比，MFEIT硬件系统最主要的特点是其工作频带的延宽及所测频率数的增加。随着带宽的展宽，一些在常规EIT系统中不是特别突出的问题开始尖锐起来，其中最为突出的问题是杂散电容。在频率较高时，大的杂散电容不仅会降低电流源的输出阻抗和电压测量电路的输入阻抗，还会直接影响到阻抗虚部的测量精度。MFEIT多针对这一问题，在注意控制前级信噪比的同时，围绕多频系统的频率组合、采集时间的缩短、信号的解调及噪声抑制问题，提出了各自的解决措施。
作为一种新型成像技术，多频率阻抗成像提取了多个频率下的复阻抗信息，是最终图象含有较多信息量，获得较高的成像质量。作为该技术的主要研究内容之一，硬件系统所要解决的关键性问题是：在工作频带延宽的情况下，如何满足EIT数据测量系统的高精度和高速度的要求。

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