Разработка печатной платы коммутаторов и источника тока для информационно-измерительной системы электроимпедансной томографии биологических объектов

Электроимпедансная томография (ЭИТ) относится к неинвазивным методам медицинской визуализации [1]. Принцип действия метода ЭИТ основан на оценке пространственного распределения электрического импеданса внутри биологического объекта (БО) по результатам электрических измерений на его поверхности. Для реализации метода ЭИТ необходимо разработать устройство, обеспечивающее возможность подключать источник тока (ИТ) к электродам Э1...Э N , (где N - число электродов) на поверхности БО, а так же измерять потенциалы ф i на тех же электродах [2]. Затем необходимо передать полученные результаты измерения на персональный компьютер (ПК) для дальнейшей обработки. Структурная и функциональная электрическая схемы приведены на рисунке 1 разрабатываемой информационно-измерительной системы (ИИС) представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема разрабатываемой ИИС ЭИТ БО (а) и функциональная схема (б) разрабатываемой платы

Информационно-измерительная система ЭИТ БО работает под управлением специальной программы - УП, расположенной в ПК. Микроконтроллерный блок МК управляет аппаратной частью ИИС и подключен к ПК. Цифро-аналоговый преобразователь ЦАП используется в качестве источника управляющего напряжения для источника тока ИТ. Форма и частота тока на выходе ИТ соответствуют форме и частоте напряжения на входе ИТ. Амплитуда тока на выходе ИТ пропорциональна амплитуде напряжения на входе ИТ. Аналогово-цифровой преобразователь АЦП служит для измерения потенциалов на электродах блока электродов БЭ, размещенных на поверхности БО. Блок коммутаторов БК служит для подключения ИТ и АЦП к электродам блока электродов БЭ в соответствии с заданным алгоритмом измерения. Блоки МК, АЦП и ЦАП реализованы на базе платы ввода-вывода L-CARDE14-140-MD .

В настоящей работе ИТ реализован по схеме с автоматическим измерением и регулированием тока в нагрузке [3,4]. Блок коммутаторов состоит из микросхем коммутаторов (К). Принципиальная электрическая схема разрабатываемой платы приведена на рисунке 2.

C5

X1

Цепь

Конт

DAC1

DAC2

AGND

Y16

Y15

Y14

Y13

Y12

Y11

Y10

Y9

Y8

Y7

Y6

Y5

Y4

Y3

Y2

Y1

INT

GND32

X16

X15

X14

X13

X12

X11

X10

X9

X8

X7

X6

X5

X4

X3

X2

X1

DB37M

X2

Цепь

E1

E2

E3

E4

E5

E6

E7

E8

E9

E10

E11

E12

E13

E14

E15

E16

Конт

DA3

R2

OUT

X4

IN+

Цепь

+U

DAC1

-U

TL 071 CN

DAC2

C4

OF2

OF1

NC 8

2 IN-

HDR-1x2

N-

OUT

TL071CN c+

>4

c+

И

NC 8

+U

-U

Цепь

GND

+15 В

-15 В

DO13

DO12

DO11

DO10

DO9

DO8

DO7

DO6

DO5

DB15M

OF2

OF1

IN+

D

S8

S7

S6

S5

S4

S3

S2

S1

EN

A0

A1

A2

D

Vc+

S8

S16

S7

S15

S6

S14

S13

S12

S11

S2

S10

S1

S9

EN

GND

A0

13 NC

A1

A2

A3

NC

NC

NC

NC

S16

S15

S14

S13

S12

S11

S10

S9

GND

13 NC

Vc+

S5 23

S4 22

S3 21

DB25M

Рисунок 2 – Принципиальная электрическая схема разрабатываемой платы

На данной схеме использованы следующие элементы: С 1 – С 6– конденсаторы, DA 1 и DA 2 – коммутаторы, DA 3 и DA 4 – операционные усилители, R 1 ...R 6 – резисторы, X 1 ,X 2 и J 6 – разъемы стандарта D-SUB . На основе принципиальной схемы была разработана двухслойная печатная плата с помощью САПР для проектирования печатных плат DipTrace [5]. Результат разработки чертежа печатной платы представлен на рисунке 3. Разработанный сборочный чертеж приведен на рисунке 4.

Рисунок 4– печатная плата,

а)

б)

Рисунок 3 – Разработанный чертеж печатной платы: верхний слой

(а) и нижний слой (б)

Рисунок 4 – Разработанный сборочный чертеж платы

Таким образом, разработаны структурная, функциональная и принципиальная электрическая схемы, а также двусторонняя печатная плата и сборочный чертеж блока коммутаторов и источника тока. Направления дальнейших работ связано изготовлением платы, монтажом радиоэлементов на плату, а также проведением экспериментальных исследований разработанного электронного блока.

Работы выполняются в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МК 4856.2015.8. Договор №14.Z56.15-4856-МК.