论文部分内容阅读
生物组织介电特性是生物体的固有属性,指的是生物组织或器官在电磁场中产生的被动电学响应特性。生物阻抗测量技术是利用生物组织介电特性,提取与生物组织或器官生理、病理状况相关的医学信息检测技术,其基本测量方式是通过体表电极向被测对象施加安全激励信号,并使用体表电极检测相应的电压变化,该技术无创、无害、廉价、简单的特点使其具有广泛的应用价值。为获得更丰富的阻抗信息,论文针对传统阻抗仪和实验室现有阻抗测量系统激励模式单一、操作复杂、体积庞大、灵活性差等缺点,设计了基于FPGA的生物阻抗测量系统,该系统具有单频、多频和混频的激励模式,激励频率0～20MHz,最高采样率50MHz,提供上位机运行和脱机运行。同时,为了在进行生物组织阻抗测量前,利用针对性的仿真指导后续研究,论文进行了基于细胞模型的电阻抗图像重建实验。论文的主要工作有:(1)设计了基于FPGA的生物阻抗测量系统硬件电路。硬件电路由FPGA核心电路、电源电路、输出通道电路、前向通道电路和通信与人机交互接口电路五部分组成。设计制作了面积160mmx 130mm,厚度1.5mm的四层PCB。(2)基于硬件电路和Verilog硬件描述语言,利用Quartus Ⅱ和ModelSim,按照“自顶向下,自下而上”的设计原则和底层模块的设计流程,设计了生物阻抗测量系统数字电路。数字电路系统由多个底层功能模块拼接而成,所有底层模块均通过编写测试激励完成了功能仿真验证。(3)进行了系统电源和晶振的输出测试,并将部分底层模块拼接输出配置文件,下载至FPGA中进行了板级验证,实现了软硬件联合测试。(4)采用COMSOL与Matlab联合仿真方法,设计了 16电极的圆形场域模型和频率矩阵,通过数据处理和共轭梯度图像重建算法,进行了 1～500MHz内5个频点的电阻抗图像重建实验。实验结果完全吻合细胞频散理论,且在100MHz时成功区分出正常/异常细胞。