生物电阻抗测量系统中弱信号检测技术研究--EIT 中弱信号检测理论(一)

电阻抗成像技术(Electrical Impedance Tomography， EIT)是当今生物医学工程重大研究课题之一，是继形态、结构成像之后，于八十年代出现的新一代有效的无损伤功能成像技术。本章主要介绍电阻抗成像技术理论，生物电阻抗测量系统原理以及生物电阻抗测量系统中弱信号检测技术理论，分析了常用的弱信号检测方法并介绍了阻抗测量中弱信号检测的噪声来源及处理方法。

2.1电阻抗成像技术

电阻抗成像是一种基于传统CT思想，以人体内部电阻率(电导率)的分布为成像目标的新型医学成像技术，它是一种廉价的无损伤探测技术。它不使用放射源，对人体无害，可作为对患者进行长期的、连续的监护的医学监护技术。它根据人体组织与器官的电特性(电阻率、电容率)，通过表面电极阵列施加激励电流或电压，测量边界电压或电流信号来获取物体内部电特性参数分布，进而重建物体内部结构与功能特性图像。因为人体不同组织和器官的电特性不同，这种EIT图像不仅包含了丰富的解剖学信息，而且可以获得与组织和器官电特性相应的生理、病理状态和功能信息，在研究人体组织与器官功能变化和疾病诊断方面有重要的临床价值。

EIT的主要研究问题有：EIT正问题、逆问题计算和硬件系统设计。硬件系统设计主要由三部分组成，电极阵列传感器、数据采集和图像重建计算机。传感器将多相流体分布转换成输出电极，数据采集系统将电极值转化为数字量并传送给计算机，计算机根据图像重建算法重建出被测物体的介质分布。

电阻抗断层成像EIT的目标是检测组织电特性的差异从而产生断层图像。EIT检测出来的组织电特性的信息是其它成像手段所不能够检测的，这样可能就会揭开一些其它检测手段所不能够提供的重要临床医疗信息。它注入人体电流的幅度和频率都比较低，与其他检测手段如x射线、CT、核磁共振(MRI)相比，具有对人体无创无害、设备成本低廉、成像速度快捷、使用安全和携带方便的优点。

人体可以看作是一个包含大量的具有不同电特性和不同空间分布的组织构成的复杂的导体。人体不同部位不同器官不同的组织具有不同的构成特点和组成成份，表现出相应的阻抗特性，它们之间的差异也非常明显。而且组织的阻抗与施加信号的频率有直接的关系。表2.l和表2.2给出了不同离体组织在不同频率下的电阻率和介电常数。

从表2.1和表2.2可以看出，频率越高，生物组织的电导率越大，相对介电常数越小。EIT技术也在往高速高精度发展，系统中采样速度和精度是最关键的因素。

2.2弱信号检测方法

微弱信号检测是EIT系统的前端处理技术，通过前端检测预处理，不至于使有用信号淹没于噪声之中，更有利于获取有用的信号。整个EIT系统精度随之提高，性能同时也得到较大的改善。

2.2.1典型的阻抗测量系统原理

经历了近20年的发展，EIT成了一个有一定基础的研究领域。各研究机构也相继推出各自的研究方法与系统。大多数研究机构都是通过在人体成像部位周围布置电极，将信号源通过电流施加到人体成像部位，同时测量边界电压或电流，通过各种方法获得或存储分析测得传输复阻抗数据，利用这些数据通过重建算法进一步处理成像。其原理如图2.1所示。

系统中控制及信号检测采集单元常常是硬件设计的核心，这个关键因素直接影响后期算法重建及成像结果。给信号检测与采集提供良好的前端信号正是本文研究的重点之一。

2.2.2典型的前端弱信号检测系统原理

典型的前端信号采集的硬件电路主要包括采集电极、放大滤波电路和AD变换。依据生物肌体的电特性和采集技术的基本要求，生物肌体所反馈回来的电信号非常微弱，分布在mV级和μV级。因此，需要对微弱信号进行放大，放大后才能达到AD采集单元的要求。典型的微弱信号检测调理组成框图如图2.2所示，前端检测预处理模块的设计包括以下几个部分：电极传感器、电压/电流测量放大、前置放大、ADC转换电路等。

数据采集技术是信息获取过程中的关键技术，是模拟世界到数字世界的桥梁。

数据采集技术作为信息技术的重要组成部分，已经广泛应用于国民经济和国防建设各个领域，随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展和普及，数据采集技术有着广泛的发展前景。

微弱信号检测作为数据采集的前端工作，直接影响数据采集的采样精度和采样速度。在生物电阻抗测量中，数据采集有其特殊性，由于生物肌体本身就是电导体，工频干扰和体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声，干扰信号检测，因此，微弱信号检测就成了整个系统研究的重点之一。

2.2.3阻抗测量中弱信号检测的噪声来源