用户登录  |  用户注册
首 页毕业论文毕业设计下载定做交易过程截图支付宝在线支付

软件名称:[B]电阻抗测量系统的研究[/B]
软件类型:注塑模毕业设计
运行环境:Win9X/Win2000/WinXP/Win2003/
软件语言:简体中文
授权方式:共享版
软件大小:0 Bytes
官方主页:Home Page
更新时间:2019-01-23 22:19:25
软件简介:

 慢性阻塞性肺疾病是一种常见的肺部疾病,在我国,慢阻肺有着相当高的发病率。由于其进行性发展的特点,在慢阻肺晚期,会严重影响患者的生命质量,并给患者、家庭和社会带来沉重的经济负担。
慢阻肺作为一种可以预防和治疗的疾病,降低其发病率,减轻患者、家庭和社会经济负担的最简单途径便是早期诊断。电阻抗成像技术作为一种新型的功能性成像技术,由于其对液体的流动、血气交换、气体的运动等十分敏感,对于慢阻肺的诊断具有得天独厚的优势。
本文采用AD5933芯片实现对电阻抗的测量,首先进行硬件电路的设计,将芯片、电源模块等焊制成面包板,方便进行后续的调试工作;还设计了人机交互模块,通过LCD显示器来显示系统操作界面和阻抗测量结果,通过键盘实现对系统功能的选择,实现了较为友好地人机交互。其次是软件设计部分,AD5933将采集到的信号进行片内的DFT计算,得到待测阻抗的实部和虚部,单片机将实部值和虚部值读取出来进行计算、校准,得到最终的测量结果,并将测得的结果通过单片机处理后实时显示在LCD显示器上,并在开机时通过显示系统操作界面,通过按键控制,使得测量过程更加简便。
实验结果表明,当测量阻抗范围在10kΩ到50kΩ之间时,系统能够较为精准的测量出组织大小;而当测量阻抗小于1kΩ时,则存在较大的误差,此时需要重新配置校准电阻进行校准,以便能获得较为准确的测量结果。

关键词:嵌入式系统,电阻抗测量,电路设计,程序设计

Abstract
Chronic obstructive pulmonary disease is a common pulmonary disease. In China, chronic obstructive pulmonary disease has a very high incidence. Due to the characteristics of its progressive development, in the late stage of COPD, it will seriously affect the quality of life of patients, and bring a heavy economic burden to patients, families and society.
As the disease that can be prevented and treated, early diagnosis is the simplest way to reduce the incidence and reduce the patient, family and socioeconomic burden. As a new functional imaging technology, electrical impedance tomography is very sensitive to the diagnosis of chronic obstructive pulmonary disease due to its sensitivity to fluid flow, blood gas exchange, and gas movement.
This article uses AD5933 chip to measure the electrical impedance. First is the hardware circuit design, the chip, power module, etc. welded into a breadboard, to facilitate the follow-up debugging; also designed human-computer interaction module, through the LCD display to display system operation interface and impedance measurement results, through the keyboard to achieve the choice of system functions, to achieve a more friendly human-computer interaction. Followed by the software design part, AD5933 will carry out the on-chip DFT calculation of the collected signal to obtain the real part and the imaginary part of the impedance to be measured. The single-chip microcomputer reads out the real part value and the imaginary part value to calculate, calibrate, and obtain the final result, and the measured results are displayed on the LCD display in real time through the single-chip microcomputer processing, and through the display system operation mask at boot time, through the button control, making the measurement process easier.
Experimental results show that when the measured impedance range is between 10kΩ and 50kΩ, the system can measure the tissue size more accurately; when the measured impedance is less than 1kΩ, there is a large error, and the calibration resistance needs to be reconfigured to calibrate in order to obtain more accurate measurement results.

Keywords: Embedded Systems, Electrical impedance measurement, Circuit design, Program design

目录
摘要 I
Abstract Ⅱ
第1章 绪论 1
1.1 慢性阻塞性肺疾病检查和监测的研究背景 1
1.1.1 慢性阻塞性肺疾病的定义 1
1.1.2 慢性阻塞性肺疾病的检查和监测指标 1
1.2 电阻抗成像技术概述 3
1.2.1 电阻抗成像的生物基础及原理 3
1.2.2 EIT肺部成像系统 3
1.3 EIT肺部成像系统的研究现状 6
1.4 论文的主要内容与章节安排 7
第2章 系统设计方法 8
第3章 硬件系统的设计 10
3.1 MCU控制模块 10
3.2 阻抗测量模块 11
3.2.1 系统概述 13
3.2.2 阻抗计算 14
3.2.3 硬件电路 15
3.3 LCD显示模块 16
3.4 键盘模块 17
3.5 电源模块 18
第4章 软件设计 19
4.1 主程序流程 19
4.2 IIC通讯程序 20
4.3 LCD显示程序 22
4.4 按键控制程序 23
4.5 阻抗测量程序 24
第5章 实验过程与结果 26
5.1 IIC通讯测试 26
5.2 实验结果 27
第6章 总结与展望 30
6.1 总结 30
6.2 后续工作及展望 30

附录A 31
系统主程序源码: 31
IIC通讯程序源码: 32
阻抗测量程序源码: 37
键盘程序源码: 42
LCD显示程序源码: 44
附录B 图表索引 48
参考文献 49
文献综述 51
致谢 56

第1章 绪论
1.1慢性阻塞性肺疾病检查和监测的研究背景
慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease,COPD)是一种常见的肺部疾病,在中老年群体中有着较高的发病率。COPD不仅危害人类健康,而且对患者的生活质量也有不可忽视的影响。在对我国多个地区数万名成年人的调查中,调查结果显示COPD在40岁以上的人群中发病率高达8.2%[1]。在一项基于全球疾病负担研究项目的调查中,2020年COPD将位居全球死亡原因的第3位[2]。根据世界银行和世界卫生组织提供的资料,到2020年,COPD将在世界疾病经济负担排行榜中位列第5名[3]。由于患者人数众多,死亡率高,患者家庭和社会经济负担沉重,COPD已成为一个较为严重的公共卫生问题。
1.1.1慢性阻塞性肺疾病的定义
COPD是一种以不完全可逆的气流受限为特征的肺部疾病。随着患病时间的增长,COPD的症状也会逐渐加重,气流受限的程度也会逐渐增加。此外,由于烟草燃烧产生的有害气体或空气中的硫化物、PM2.5等有害气体的刺激而导致的炎症反应也会导致气流受限情况的加重[4]。COPD存在多种并发症,病情的急性加重和并发症决定了患者患病的严重程度。COPD的发病区域主要集中在肺脏,但随着病情的加重,也会引起全身性的不良效应[5],最终导致患者的死亡。
1.1.2慢性阻塞性肺疾病的检查和监测指标
COPD早期常见的症状非常普通,例如咳嗽、咳痰等,不具备特异性,容易与肺炎、支气管炎等常见肺部疾病混淆而出现误诊、漏诊等。患者也常常因为不重视而放弃检查,延误治疗,往往在出现劳力性呼吸困难时才去就诊[6],此时大概率已经发生不可逆的肺功能损害。因此,防止COPD致残甚至致死的唯一途径只有早期诊断。然而,COPD至今缺乏有效、简单、快速的早期诊断方法。
目前,COPD已有一些较为成熟的诊断方法,下面分别进行介绍。
(1)肺功能检查
肺功能检查是目前对于COPD最常用的检测手段,常用来检测患者是否患有气流受限,其操作较为简单,且可重复性较好,对COPD的诊断、严重程度评价、治疗效果评价等也都具有非常重要的参考价值。目前,通常是以第一秒用力呼吸容积(Forced Expiratory Volume in the first Second, FEV1)和FEV1与用力肺活量(Forced Vital Capacity, FVC)的比值(FEV1/FVC)[7]来确定患者的气流受限程度。FEV1/FVC和FEV1占预计值的百分比是两项对COPD比较敏感的检测指标,FEV1/FVC可检出轻度的气流受限,而FEV1占预计值的百分比可以检测出中、重度的气流受限。在吸入支气管舒张剂后,FEV1<80%预计值且FEV1/FVC<70%可基本确定患者患有不完全可逆的气流受限,但有时会因为操作原因等诊断出假阳性和假阴性。最近的研究表明,用第六秒钟用力呼气容积(Forced Expiratory Volume in the six Second, FEV6)代替FVC,即FEV1/FEV6;或者用第三秒用力呼吸容积(Forced Expiratory Volume in the three Second, FEV3)来代替FEV1,即FEV3/FVC作为判断气流受限的标准[8],可提高门诊对于COPD的诊断率。若FEV1/FEV6和FEV3/FVC均低于正常阈值,则可判断患者患有不完全可逆的气流受限。
但需要注意的是,大多数肺功能检查的结果与医护人员的操作技术、患者对检测的理解和配合程度密切相关,并且由于没有规范,缺少统一的操作标准,肺功能检查的结果误差较大,可重复性也较差。
(2)胸部X线检查
COPD的早期X线胸片并无无明显变化,随着病情的发展,可观察到肺部纹理增多,纹理变得紊乱,同时由于肺部体积增大,肋骨的走向也会变平。
X线检查的主要用处在于对于COPD并发症或其他肺部疾病的诊断。
(3)胸部CT检查
CT检查通常不被用作COPD的常规检查,但它起着重要的辅助作用,可以帮助医生在出现疑问时更好地分析病情。 CT在确定肺气肿的存在,分布和范围等方面优于胸部X线。
近年来利用高分辨率CT(HRCT)进行气道尺度的测量引起了研究者的广泛兴趣。Nakano的实验证明[8],气道壁的厚度与肺功能的异常密切相关,气道管壁的增厚和管腔的狭窄与气流受限密切相关。但CT对气道阻塞的诊断指标、提高气道成像的精确性等还需要研究人员的进一步努力。
(4)血气分析和电解质检测
对于晚期COPD患者而言,血气分析和电解质检测等检查十分重要,尤其对于FEV1<40%预计值的患者而言。当气流受限程度非常严重时会带来严重的并发症[10],如轻度乃至中度的血氧含量降低。如果病情继续发展,血氧含量会进一步降低,同时血液中碳酸含量增高,导致严重的呼吸衰竭。
(5)电阻抗成像
电阻抗成像是近三十年来兴起的新型成像技术。由于其对流体的流动、气体的运动等的变化非常敏感,对于慢性阻塞性肺疾病的诊断具有得天独厚的优势。国内外诸多研究小组对电阻抗的临床应用尤其是肺部的临床应用做了诸多研究,据Inéz Frerichs等[11]的研究,电阻抗成像系统对FEV1/FVC的测量有很高的精确度,对肺气肿、肺大疱、肺塌陷等疾病的诊断均有较高的指导作用。
1.2电阻抗成像技术概述
1.11.21.2.1电阻抗成像的生物基础及原理
电阻抗成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)是一种无辐射的功能性成像技术。其基本原理是人体不同的组织器官有着不同的电阻抗,当组织或器官进行生理活动或者患有某种疾病时,其电阻抗值都会发生变化。
EIT即是通过在受试者体表放置的电极阵列上施加一系列不易察觉的且低于安全电压范围的交流激励电流,激励电流会在受试者体内产生一个不均匀的电流场,与此同时测量其余电极上的感应电压信号,并将获得的信号通过图像重建算法进行图像重建,便得到了受试者体内的阻抗分布图像。
和传统的医学成像技术(如超声波成像、磁共振成像、计算机断层扫描成像等),EIT有如下的三个特点[12]:
(1)对人体不造成任何伤害,无需进行插管等侵入性操作,没有任何辐射,因此可以通过EIT设备实现对患者的长时间连续动态监护。
(2)属于功能性成像。EIT图像不仅能反映一定程度上的组织、器官的解剖结构,更能反映出人体的生理活动、发病情况、身体状况等信息。
(3)设备简单、使用方便。
1.2.2EIT肺部成像系统
常见电阻抗成像系统的构成如图 11所示,下面对其中部分模块进行介绍。

图 11 电阻抗成像系统构成
(1)电极阵列:
EIT有能力识别不同的血液,气体,体液及其变化。 它对诸如血流及其分布,肺中的血气交换以及影响组织和器官电特性的体液变化等因素非常敏感,因此,有效的肺部成像范围在胸部并不是均匀的,在肺部的中心,EIT对阻值的变化最敏感,而在肺部的边界区域,EIT的敏感性最低,因此,确定准确的测量范围是十分必要的。一般而言,电极放置在胸骨旁线的肋间隙上。当电极放置于胸骨旁线的第五到第六肋间隙之间时,EIT系统对左右肺和心脏的阻值变化有良好的反映。但一般不建议将电极阵列在低于第六肋间隙的位置放置,因为当处于仰卧位时,隔膜可能会周期性的进入测量范围并影响测量结果。
目前常见的EIT成像系统多为8电极阵列(Maltron Sheffield Mark 3.5, Maltron, Raleigh, UK)、16电极阵列(Goe-MF Ⅱ, CareFusion, Hochberg, Germany和Pulmovista 500, Drager, Lubeck, Germany)或32电极阵列(Enlight, Timpel, Sao Paulo, Brazil 和Swisstom BB2, Swisstom, Landquart, Switzerland)。数量较多的电极带来了两个优势:更加优化的空间布局和更加丰富的数据,但也增加了重建算法的复杂度与计算量。与之相对应的,8电极阵列系统无疑简化了运算与布局,但也损失了成像质量[13]。
(2)解调电路
人体内部组织和器官的电阻抗分布,不仅包括电阻部分(阻抗的实部),还包括电容部分(阻抗的虚部)。因此,对于EIT成像系统,当使用交流信号作为刺激信号时,接收电极接收到的信号会包含实部和虚部两个部分,因此在EIT成像系统中,需要搭建相敏解调电路来处理信号,从而得到电阻抗的实部信息和虚部信息。相敏解调的方法分为模拟解调和数字解调两种[14]。其中,模拟解调法主要包括:开关解调法、模拟乘法器解调法、采样保持器解调法、过零鉴相法解调等;而数字解调技术目前常用的为傅里叶算法解调。
除了硬件系统外,操作逻辑、硬件标准、图像重建算法等对于EIT系统而言都很重要,下面对其进行简要的介绍。
(1)驱动模式:
在EIT成像系统工作时,在一对电极施加用于激励的电流信号,而在其余电极上测量感应生成的电压信号,根据施加激励电流的电极的位置不同,EIT系统常用的驱动模式主要有以下几种[15]:
相邻驱动模式
通过相邻的两个电极注入激励电流,在其他所有的相邻电极对上测量电压信号。
Avis-Barber交叉驱动模式
施加激励电流的两个电极相差90°放置,在其他所有的相邻电极对上测量电压信号。
相对驱动模式
施加激励电流的两个电极相差180°放置,在其他所有的相邻电极对上测量电压信号。
目前EIT成像系统中最常用的驱动模式为相邻驱动模式。
(2)EIT系统的扫描速度:
在EIT系统的电极阵列进行一圈完整的扫描和测量后所得到的一系列数据称为Frame,而EIT系统每秒获得的Frame的数量则称为它的扫描速度。目前常见的EIT系统的扫描速度一般为每秒40到50帧,也出现了关于速度达到每秒1000帧的系统的报导[16]。越快的速度越能精确的反映受试者的生理变化情况。为了避免出现数据混叠的情况,扫描速度应大于生理变化频率的两倍。因此,一般而言,对于监测呼吸系统的EIT系统,扫描速度应大于每秒10帧,对于监测心脏相关生理现象的系统,其速度应不小于每秒25帧[17]。
(3)EIT图像重建算法:
利用所测得的电压信号生成一副图像的过程称为图像重建,目前常用的图像重建方法分为如下三种[18]:
(1)Time-difference EIT(tdEIT)
通过计算不同时间的两帧图像的属性值变化来生成图像的方法称为tdEIT。tdEIT图像适用于观察随时间变化的生理现象,如肺部通气呵肺部压力的变化。
(2)Frequency-difference EIT(fdEIT)
因为生物组织在不同频率下的阻值响应不同,因此利用能改变施加电流频率的EIT系统就能获得不同频率下的EIT图像。此方法适用于比较在不同频率下组织的变化情况。
(3)Absolute EIT(aEIT)
aEIT是将给定的一段时间内的组织的阻值信息生成一副图像的方法。虽然有着比前两种方法更为简单的计算优势,但由于肺部的组织信息一般随时间的变化而改变,因此此方法不适用于肺部EIT成像。
1.3EIT肺部成像系统的研究现状
因为电阻抗成像技术广阔的应用前景,所以得到了各国科研工作者的广泛关注,国内外有很多研究小组在进行电阻抗方面的研究。EIT技术的雏形出现于1930年[19]。 当时的地质学家通过向地球注入电流并测量地球表面电压来确定地球内不同地层的电导率。 并通过分析这些电导率来预测地下矿藏的分布。
EIT运用于生物体成像的研究始于1976年[20],当时美国威斯康星大学麦迪逊分校的Swanson在其论文中提出了一个设想,试图利用EIT进行人体的胸部成像。在1978年[21],Henderson和Webster成功研制出了世界上第一台阻抗相机,并进行了人体的成像实验,得到了世界上第一副人体电阻抗图像,图像上显示出了人体中心、肺等器官的位置。
进入二十一世纪,电阻抗成像技术也得到了蓬勃的发展。Andy Adler等[22]和Inéz Frerichs等[23]对EIT在肺部的应用做了大量研究,Sunjoo Hong等[24]和Matthew S. Campisi等[25]尝试了EIT在乳腺癌诊断领域的运用,A Borsic等[26]将EIT与超声相结合用于前列腺疾病的诊断,也取得了不错的进展。国内对EIT的研究主要集中在图像处理算法领域,如第四军医大学的董秀珍等和天津科技大学的陈晓艳等。
1.4论文的主要内容与章节安排
本文所介绍的嵌入式系统主要以意法半导体公司的STM32F103、亚德诺半导体公司的阻抗分析仪AD5933芯片为核心,针对目前国内外慢性阻塞性肺疾病的诊断方式设计了一种电阻抗测量装置,可实现电阻抗的精确测量。
本文各章内容安排如下:
第一章:介绍了本论文的研究意义和目前国内外对于COPD诊断方法和EIT成像技术的发展现状
第二章:介绍了基于AD5933芯片和STM32单片机的电阻抗测试系统的整体设计方案
第三章:详细描述了电阻抗测试系统相关硬件的选择思路、使用方法等。
第四章:详细描述了电阻抗测试系统配套软件的设计思路和编写流程,对系统内部的算法等做了充分的说明。
第五章:对系统进行了测试,确认该系统的准确性
第六章:对系统软硬件的设计做了归纳总结,提出了系统今后的改进方向。

第2章 系统设计方法
出于对整个系统操控的需要,本系统采用了意法半导体公司的STM32F103芯片作为控制芯片,此芯片功能强大、扩展性强、易于编程。就系统功能而言,首先,系统需要能够采集电阻抗信息,通过向待测阻抗施加激励电流并采集感应电压,若采集的电压信号信噪比较低或电压幅度较小,则需要对其进行滤波和放大处理。其次,系统需要将采集到的信号转化为用户能理解的数据。因此需要将经过处理的电压信号进行相敏解调,从而获得阻抗的实部信息和虚部信息,再经过处理器的计算,最终变成准确的阻抗值提供给用户。最后,系统需要有良好的人机交互方式,例如通过LCD显示器显示操作界面和展示测量结果,以及通过按键进行操作从而实现用户对整个系统的控制。因此,电阻抗测量系统主要包括五个模块:信号采集模块、信号处理模块、控制模块、人机交互模块、电源模块。电阻抗测量系统的总体设计框图如图 21所示。


图 21电阻抗测量系统总体设计框图
各个模块的功能为:
信号采集模块:向待测阻抗施加激励电流信号,并测量感应电压信号;
信号处理模块:对激励电流信号进行放大处理,对感应电压信号进行滤波、放大处理,并对其进行相敏解调,计算出电阻抗值;
控制模块:控制信号采集模块、信号处理模块、人机交互模块等的正常工作;
人机交互模块:提供交互界面,包括利用LCD显示屏显示操作界面和阻抗测量值,利用键盘实现控制模块对其他模块的操控;
电源模块:为其他模块提供能量

第3章 硬件系统的设计
硬件系统主要包括MCU控制模块、阻抗测量模块、LCD显示模块、键盘模块和电源模块。
23233.1 MCU控制模块
本系统采用了STM32F103处理器作为控制芯片,完成对阻抗测量模块的控制、LCD实时显示、键盘输入等功能。
STM32F103是一款由意法半导体公司研制,基于ARMv7-M架构的32位标准精简指令集(RISC)处理器。作为一款较新的嵌入式ARM处理器,它有以下特点:
高达72MHz的工作频率
64KB SRAM
512KB大容量存储器
拥有数量庞大的I/O口,多达51个
2个12位ADC
2个DMA控制器
7个内部定时器,基本满足所有需求
丰富的通信接口
本处理器功耗较低,运算速度较快,扩展接口丰富,满足设计系统所需的系统控制、数据传输等需求。其引脚功能如图 31所示:


[url=http://www.biye114.com/html/1484.html][B]电阻抗测量系统的研究[/B][/url]
Copyright © 2007-2013 完美毕业网. All Rights Reserved .
页面执行时间:78.12500 毫秒
Powered by:完美毕业网 http://www.biye114.com