生物电阻抗测量系统中弱信号检测技术研究--正交双激励信号检测方法

本章主要介绍弱信号检测中的信号激励方法，通过分析常见的单激励数字相敏检波方法系统累积误差较大的缺点，提出了一种改进的信号检测方法：正交双激励信号检测方法（Double Digital Phase Sensitivity Demodulation，D-DPSD）。通过仿真实验和误差分析，该改进的方法在弱信号中的鉴幅鉴相能力上有一定的提高，取得了较好的效果。

3.1信号激励方法概述

生物电阻抗测量系统是一个硬件与软件结合的整体。其系统原理如图3.1所示。其中信号源产生信号，通过电极传到被测对象上，信号经过被测对象之后，再通过电极传送到前端信号检测模块，经AD采集之后，送到上位机进行处理。

信号源和优化电极的配置是提高EIT系统性能的关键环节。人们对激励信号源、电极及其影响进行了多方面研究，并对其结构形状进行了许多改进，而优化电极结构，就必须对不同电极结构对敏感场分布以及测量的影响进行深入分析，从而获得优化的结构形式。

信号源产生的信号主要有方波信号、正弦波信号、脉冲信号等。

目前，EIT系统中采用的电极有点电极、矩形电极、复合电极三种，点电极是一种直径非常小的圆形电极。由于面积小，因而能测量“点”的电位信息，可以期望测量数据更接近于反映二维电导率分布状况。但是实际上，点电极所产生的场类似于两个点电荷所产生的场，在空间发散分布，这样的场用二维场分析会导致较大的误差（只有平行平面场才能简化为二维场）。

矩形电极是为改善点电场分布的不均匀性而提出的。在均匀介质分布的情况下，可以近似认为电流密度在电极上均匀分布，当电极轴向足够长、电极间距离很小时，除电极板边缘部分存在边缘效应外，中心区域电流密度平行分布。这样矩形电极产生的场更符合二维场模型。

复合电极是医学EIT领域提出的一种电极，实际上是矩形电极和点电极的组合。其目的是希望能综合点电极和矩形电极的优点，即用矩形电极产生比较平行、均匀的敏感场，用点电极测量点的电位信息。同时利用大面积的电极能减小电极与皮肤之间的接触阻抗，提高测量数据的可靠性。

无论哪种形状的电极，其敏感场都均分布于一定的空间区域内，该区域媒质电导率的变化都会对敏感场的分布产生调制作用，从而导致边界测量电压的改变，使得测量的信息反映物场的变化。

在EIT系统中，电极的数目决定了可能的独立测量数，而独立测量数越多，越能获得更高的图像分辨率。但是，电极数目的增加，对敏感场分布和测量信号也会产生其它影响：

（1）电极数目的增加，必然导致相邻两个电极之间的距离变小，从而激励电流更多地流经场域边界，造成场域边界的灵敏度进一步提高，而场域中心的灵敏度进一步降低；

（2）电极数目的增加将导致一次激励时，所获得的各测量电压之间差别的减小，这就要求数据采集系统具有更高的分辨率。当两个测量电极之间的电压差小到低于数据采集系统分辨率时，电极数目的增加也就失去了意义。测量电压越小，相对来说其信噪比下降，相应地对测量电路的要求越高。此外，随着电极数目的增加，独立测量数也将增加，造成数据采集时间及图像重建时间延长，影响系统实时性。

电极宽度对于敏感场的影响也需要考虑，在EIT系统中，宽电极被广泛采用，在Ping Hua等人的研究中，电极甚至覆盖了测量对象周边面积的80—90％。

首先考虑激励电极，在EIT系统中，电极与测量对象之间存在接触阻抗，采用宽电极可以通过增大接触面积而减少接触阻抗。此外，增加电极宽度还可以改善敏感场分布的均匀性。无论对于相对激励模式还是相邻激励模式，电极越窄，电极附近的敏感场相对越强，而远离电极区域的敏感场相对越弱，敏感场分布的不均匀性越强。8个点电极构成的E1T系统在相邻激励模式下，有90％以上的敏感场分布在激励电极对所在的半场，当电极数目增加时，敏感场分布的不均匀性将进一步加剧。

对于常规电极，测量电极与激励电极是同一个电极，电极加宽对系统的不利影响主要体现在两个方面：（1）由于电极与测量对象接触面积的加犬，而使电极测量信号不能反应“点”电位信息；（2）由于电极为导体，它将与其接触的被测体表面强制为等电势，电极越宽，强制等势面积越大，而对敏感场的影响越大。

EIT系统在医学应用中，常使用复合电极。复合电极的外部电极作为电流激励电极，内部电极作为电压测量电极，由于测量电极面积很小，因此，可以看作点电极，从而克服了常规电极加宽所带来的不利影响，但是由于外部电极面积较大，电极加宽造成的不利影响仍然存在。事实上，电极宽度的增加对测量所带来的利弊互相制约，因此，在信号源已知的情况下，电极优化时必须综合考虑。