基于同步检波的单通道磁感应成像技术研究

　　1 引 言

　　磁感应成像( magnetic induction tomography，MIT) 是一种非接触式测量组织电导率的成像技术[1-2]。基本原理是利用通过正弦电流的激励线圈产生主磁场 B，将被测物体置于主磁场 B 场中，被测物体内部诱导出涡流电流，涡流电流将产生二次磁场 ΔB 引起空间中磁场分布的变化，在检测线圈上检测到 B + ΔB，当物体的电导率发生改变，内部的涡流电流分布将随之改变，从而检测线圈的电压也发生变化，检测线圈电压的变化与电导率分布存在密切的关系，利用重构算法可以实现对被测物体内部电导率分布的图像显示[3-4]。由于激励和检测均在被测物体外部进行，MIT 是一种非接触、无创的电阻抗成像技术，这一特点在生物医学无创检测成像领域有很好的应用前景[5-6]。

　　由于生物组织的电导率非常小，通常在 10 s/m 以下[7]，在主磁场的作用下，产生的二次磁场十分微弱，二次磁场的变化反应到信号的相位上，相位变化大小在毫度范围上变化。这决定了需要一个测量相位精度高的系统。研究表明，一个工作频率在10 MHz 左右磁感应测量系统至少需要有 0.01°的相位测量精度[8-9]。相位测量方式有很多种[10-11]，国内外有 Griffiths[12]和董秀珍[13]团队都是采用基于乘法器同步降频的方法，其相位精度控制在比较理想的水平; Gough W[14]采用外差式锁定放大器结构，将相位噪声控制到 0. 001 5°，　　的相位漂移控制在 0. 01°，但是其电路结构比较复杂，增加了调试难度。为了提高相位的灵敏度，梯度传感器线圈也被用在磁感应测量系统中[15-17]，但是线圈对称性调节很困难，每个线圈的差异性很大。

　　本文提出有区别于上述结构的高精度相位测量方法，用基于模拟电子开关的同步检波的方式替代了传统的相敏检测器的模拟乘法电路，减少电路的复杂度，通过实验相位精度达到较理想水平，该电路在 1 h 内的相位漂移最　大0.006°，而且1 min 内的相位稳定度达0.001 5°。

　　2 结构与原理

　　本文提出用电子模拟开关的同步检波方式替代传统的模拟乘法器，减少相敏检测器环节的直流漂移，增加电路的动态范围，其电路结构如图 1 所示。

　　检测线圈和参考线圈耦合磁场，将磁场变为电压信号。检测信号通过前置放大器放大信号，经过带通滤波器( band-pass filter，BPF) ，除去奇次高次谐波后送入相敏检波器( phase sensitive detector，PSD) 。参考信号通过前置放大器放大信号，进入模拟移相电路，通过比较器变为方波，驱动模拟开关。模拟开关输出通过低通滤波器( low-pass filter，LPF) 和直流放大电路，变为 AD 采样范围内的直流信号，该直流信号就包含了了两信号的相位变化情况。