首页> 正文

基于FPGA的生物阻抗测量系统及细胞模型的电阻抗图像重建

2020-12-02阅读(522)

基于FPGA的生物阻抗测量系统及细胞模型的电阻抗图像重建

论文摘要

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。

论文目录

  • 摘要
  • abstract
  • 1 绪论
  •   1.1 生物阻抗测量技术的背景
  •   1.2 生物阻抗测量技术的应用方向
  •   1.3 生物阻抗测量技术的研究现状
  •     1.3.1 生物阻抗理论的研究
  •     1.3.2 生物组织阻抗特性的研究
  •     1.3.3 生物阻抗测量系统的研究
  •   1.4 论文研究目的与工作内容
  •   1.5 论文组织结构
  • 2 理论基础
  •   2.1 生物阻抗测量原理
  •     2.1.1 生物细胞的结构特点
  •     2.1.2 生物细胞的电学特性
  •     2.1.3 生物细胞的频散理论
  •   2.2 电阻抗成像原理
  •     2.2.1 电阻抗成像的数学模型
  •     2.2.2 正问题
  •     2.2.3 逆问题
  • 3 基于FPGA的生物阻抗测量系统硬件电路设计
  •   3.1 FPGA核心电路
  •     3.1.1 FPGA的选择
  •     3.1.2 FPGA的外围电路设计
  •   3.2 电源电路
  •     3.2.1 18V转±12V
  •     3.2.2 5V转±6V
  •     3.2.3 5V转-5V
  •     3.2.4 5V转3.3V、2.5V和1.2V
  •   3.3 输出通道电路
  •     3.3.1 数模转换
  •     3.3.2 I-V转换
  •     3.3.3 幅值调节
  •     3.3.4 压控电流源
  •   3.4 前向通道电路
  •     3.4.1 差分转单端
  •     3.4.2 可编程放大
  •     3.4.3 采样前处理
  •     3.4.4 模数转换
  •   3.5 通信与人机交互接口电路
  •     3.5.1 通信接口
  •     3.5.2 人机交互接口
  •   3.6 PCB设计
  •     3.6.1 设计流程与注意事项
  •     3.6.2 阻抗测量系统的PCB
  • 4 基于FPGA的生物阻抗测量系统数字电路设计
  •   4.1 Verilog设计流程与开发环境
  •     4.1.1 设计流程
  •     4.1.2 开发环境
  •   4.2 信号发生模块
  •     4.2.1 DAC驱动模块
  •     4.2.2 DDS信号生成模块
  •     4.2.3 激励模式选择模块
  •   4.3 信号采集模块
  •     4.3.1 采样控制模块
  •     4.3.2 数据缓存模块
  •   4.4 数据处理模块
  •     4.4.1 数字正交解调模块
  •     4.4.2 其他模块
  •   4.5 系统通信模块
  •     4.5.1 数据发送模块
  •     4.5.2 数据接收模块
  •     4.5.3 命令解析模块
  •   4.6 人机交互接口驱动模块
  •     4.6.1 按键消抖模块
  •     4.6.2 显示驱动模块
  • 5 系统性能测试
  •   5.1 电源与晶振测试
  •     5.1.1 电源测试
  •     5.1.2 晶振测试
  •   5.2 软硬件联合测试
  •     5.2.1 激励输出测试
  •     5.2.2 信号采集测试
  •     5.2.3 串口通信测试
  • 6 细胞模型的电阻抗图像重建
  •   6.1 软件环境搭建
  •   6.2 图像重建过程
  •     6.2.1 空间维度、物理场接口与研究类型
  •     6.2.2 创建模型与参数设置
  •     6.2.3 网格剖分与场域求解
  •     6.2.4 循环激励与电压测量
  •     6.2.5 数据处理与图像重建
  •   6.3 图像重建结果与分析
  •     6.3.1 单目标物图像重建结果
  •     6.3.2 双目标物图像重加结果
  •     6.3.3 分析与讨论
  • 7 总结与展望
  •   7.1 全文总结
  •   7.2 论文的创新点
  •   7.3 论文的不足之处
  •   7.4 工作展望
  • 8 参考文献
  • 9 攻读硕士学位期间发表论文情况
  • 10 致谢
  • 附录

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 李树东

    导师: 陈晓艳

    关键词: 介电特性,生物阻抗测量,多模式激励,频域仿真

    来源: 天津科技大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 生物学,无线电电子学

    单位: 天津科技大学

    基金: 国家自然科学重点基金项目

    分类号: Q64;TN791

    DOI: 10.27359/d.cnki.gtqgu.2019.000669

    总页数: 98

    文件大小: 12568K

    下载量: 50

    相关论文文献

    • [1].基于单片机MSP430的生物阻抗测量系统的设计[J]. 海峡科技与产业 2019(08)
    • [2].针对生物组织电阻抗测量的多路温度监测和控制装置设计[J]. 医疗卫生装备 2020(02)
    • [3].基于音圈电机振荡源的阻抗测量系统辨识精度评估的研究[J]. 生物医学工程研究 2020(03)
    • [4].阻抗测量中的万能法宝[J]. 电子产品世界 2019(03)
    • [5].多模式高精度阻抗测量系统设计[J]. 核电子学与探测技术 2013(09)
    • [6].大量程全自动阻抗测量仪研究[J]. 仪器仪表学报 2014(04)
    • [7].一种消除过渡电阻影响的阻抗测量方法[J]. 电力系统自动化 2013(23)
    • [8].基于虚拟仪器的便携式生物阻抗测量系统设计[J]. 常熟理工学院学报 2009(08)
    • [9].生物阻抗测量系统的改良[J]. 现代生物医学进展 2008(12)
    • [10].一种磁耦合谐振线圈结构阻抗测量装置设计[J]. 福建工程学院学报 2018(06)
    • [11].多用多路阻抗测量仪的设计与实现[J]. 工业控制计算机 2019(03)
    • [12].基于MSP430的简易阻抗测量仪设计[J]. 科技视界 2013(02)
    • [13].应用于电阻抗测量的表面微电极研究[J]. 电脑知识与技术 2018(33)
    • [14].同轴传输线结构下的温度可调式高频阻抗测量夹具研制[J]. 广西科技大学学报 2017(04)
    • [15].一种矢量阻抗测量电路的原理与设计[J]. 杭州电子科技大学学报 2012(05)
    • [16].一种模数混合式阻抗测量系统的设计与实现[J]. 上海电机学院学报 2012(03)
    • [17].大地阻抗测量中信号处理的两种方法[J]. 电测与仪表 2010(04)
    • [18].屏蔽对阻抗测量的影响[J]. 国外电子元器件 2008(08)
    • [19].焊接回路阻抗测量系统设计与仿真[J]. 热加工工艺 2018(23)
    • [20].基于控制硬件在环的风电机组阻抗测量及影响因素分析[J]. 电网技术 2019(05)
    • [21].兆瓦级宽频带阻抗测量装置设计及其控制方法[J]. 中国电机工程学报 2018(14)
    • [22].基于阻抗测量的孤岛检测方案[J]. 电子测试 2016(24)
    • [23].基于AD5933的便携式阻抗测试仪的设计与应用[J]. 电脑编程技巧与维护 2018(12)
    • [24].生物组织穿刺电极的设计及其结构对电阻抗测量的影响[J]. 中国生物医学工程学报 2011(03)
    • [25].无损检测阻抗测量特性分析[J]. 东方汽轮机 2011(01)
    • [26].浅析距离保护的偏移特性的阻抗测量元件[J]. 山东工业技术 2017(24)
    • [27].用于人体皮肤阻抗测量的激励源设计[J]. 数字技术与应用 2012(12)
    • [28].浅谈山区水电站接地阻抗测量[J]. 四川水力发电 2010(01)
    • [29].基于压电动态信息的便携式阻抗测量系统设计[J]. 中国测试 2010(03)
    • [30].无线通信网络时隙式多通道阻抗测量方法研究[J]. 自动化与仪器仪表 2020(08)

    标签：;  ;  ;  ;  

    基于FPGA的生物阻抗测量系统及细胞模型的电阻抗图像重建
    下载Doc文档

    猜你喜欢

    © 2024 毕论降 版权所有 鄂ICP备12018319号-6