Original title:
Elektrická impedanční tomografie
Translated title:
Electrical Impedance Tomography
Authors:
Vaněk, Roman ; Drexler, Petr (referee) ; Mikulka, Jan (advisor) Document type: Master’s theses
Year:
2026
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Abstract:
[eng][cze]
Elektrická impedanční tomografie (EIT) je neinvazivní zobrazovací metoda, při níž se na základě měření napětí a fáze na okrajích rekonstruuje rozložení vnitřní vodivosti v materiálu poté, co je materiál napájen střídavým proudem. Zatímco stávající systémy EIT jsou většinou navrženy s ohledem na jedinou konkrétní aplikaci, chybí univerzální experimentální platformy schopné měřit široké spektrum materiálových impedancí a podporující rozmanité strategie buzení materiálu proudem. Tato práce navazuje na vývoj systému Modular EIT (MEIT), víceúčelové, nízkonákladové, modulární experimentální platformy, původně navržené v bakalářské práci autora. Práce začíná studiem stavu stávajícího systému, identifikací a opravou konstrukčních nedostatků v modulech napájení, hlavním modulu a multiplexeru, které společně tvoří navrhovaný systém. Modul multiplexeru byl kompletně přepracován, a to nejen za účelem odstranění funkčních chyb, ale také za účelem zavedení GPIO expandéru pro řešení společného sběrnicového rozhraní, které umožňuje připojení až 256 modulů v rámci systému a následně umožňuje využití systému pro víceelektrodové měření. Byl navržen a sestaven nový vývojový modul, který slouží jako testovací platforma pro nové topologie obvodů. Na tomto modulu byl implementován a ověřen kompletní řetězec generování proudu: DAC front-end s odstraněním DC offsetu a galvanickým oddělením, zrcadlený vylepšený Howlandův proudový zdroj (MEHCS) schopný dodávat až 10 mA do odporových zátěží až do přibližně 7 k a obvod pro snímání proudu založený na diferenciálním zesilovači s vysokým napětím vůči zemi a izolovaném výstupu. Byl také navržen řetězec pro měření napětí, od diferenciálního výstupu aktivní elektrody přes přístrojový zesilovač až po ADC. Všechny obvody byly ověřeny simulací v KiCadu a validovány měřeními na osciloskopu a měřeními frekvenčních charakteristik pomocí vektorového síťového analyzátoru, což potvrdilo provoz v požadované šířce pásma DC—100 kHz.
Electrical Impedance Tomography (EIT) is a non-invasive imaging method to reconstruct an internal conductivity distribution within a material from boundary voltages and phase measurements. The material is feeded via an alternating current source. While existing EIT systems are mostly designed with the focus on single application, there is a lack of general-purpose experimental platforms capable of measuring wide range of material impedances and supporting diverse current injection strategies. This thesis follows on the development of the Modular EIT (MEIT) system, a multi-purpose, low-cost, modular experimental platform originaly proposed in the author's bachelor thesis. The work begins with a study of the existing system state, identifying and correcting design deficiencies across the power-supply, main, and multiplexer modules togather forming the proposed system. The multiplexer module was completely redesigned, not only to address functional errors, but also to introduce GPIO expander with common bus interface solution to enable utilise up to 256 modules within the system. A new development module was designed and assembled to provide a testbed for new circuit topologies. On this module, the complete current generation was implemented and verified: a DAC front-end with DC offset removal and galvanic isolation, a Mirrored Enhanced Howland Current Source (MEHCS) supplying loads up to 10 mA of resistances up to 7 k, and current sensing circuit based on a high-common-mode differential amplifier with isolated output. The voltage measurement chain was also designed, it consists of active electrode differential output, an instrumentation amplifier, and ADC. All circuits were verified utilising KiCad simulation and validated by oscilloscope measurements and Bode plots using a vector network analyser. The required frequency range (DC—100 kHz) was confrimed.
Keywords:
aktivní elektrody; Elektrická impedanční tomografie; Howlandův zdroj proudu; modulární měřicí systém; active electrodes; Electrical Impedance Tomography; Howland current source; modular measurement system
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/257541
guest ::
