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EIT-kit:MIT 设计的 ESP32 电阻抗断层扫描工具包

中国,上海
2021年11月22日

MIT 的工程师团队发表了一篇论文,介绍了他们基于 ESP32 芯片和电阻抗断层扫描技术设计的,可用于健康和运动传感设备的工具包 EIT-kit。

麻省理工学院 (MIT) 计算机科学与人工智能实验室 (CSAIL) 的一个工程师团队,在 10 月的 ACM 用户界面软件和技术研讨会 (UIST 2021) 上发表了一篇关于人机交互 (Human-Computer Interaction, HCI) 的论文。Junyi Zhu、Jackson C. Snowden、Joshua Verdejo、Emily Chen、Paul Zhang、Hamid Ghaednia、Joseph H. Schwab 和 Stefanie Mueller 等作者在论文中合作介绍了一款基于乐鑫 ESP32 设计,能够用于实现健康和运动传感设备的电阻抗断层扫描工具包 EIT-kit。

电阻抗断层扫描 (EIT) 是一种用于测量对象的电导率、介电常数和阻抗的成像技术。过去,实现 EIT 传感需要大型、昂贵的硬件和复杂的图像重建算法。随着低成本电子产品的发展,以及开源 EIT 图像重建库(如 EIDORS)的出现,人机交互 (HCI) 专家已开始将 EIT 传感应用于触摸感应、触觉感知和手势识别等场景。这使 EIT 传感在健康传感领域,尤其是在运动医学和家庭护理方面发挥了巨大优势。

然而,设计一款定制的 EIT 设备仍然需要很丰富的专业知识。由于测量对象的测量位置和电极分布会随时变化,所以用户必须先设计设备的外形,以确保电极能够和测量对象持续接触。

MIT 论文中,作者向我们介绍了一款电阻抗断层扫描工具包 EIT-kit,能够在 EIT 设备开发的不同阶段为用户提供支持。EIT-kit 由以下部分组成:

  • 一个 3D 编辑器,用于自定义测量设置和电极分布;
  • 一块基于 ESP32 的定制 EIT 传感主板,支持不同的测量设置(2/4 端设置,多达 64 个电极,1~4 电极阵列),提供可调节的交流注入电流以提高信号的质量; 
  • 微控制器库,可自动校准信号,有助于收集数据;
  • 图像重建 API,可用于插值并在移动设备上可视化数据。

作者向读者描述了他们通过对用户进行形成性研究来设计 EIT-kit 的过程。然后以肌肉监测器、可穿戴手势识别器以及用于非侵入式驾驶检测的臂带为例,展示了 EIT-kit 支持多种健康和运动传感交互设备的能力。最后,他们对 EIT 测量的数据保真度进行了技术评估。

EIT-kit

EIT-kit 能够在 EIT 设备开发的不同阶段为用户提供支持。它提供了一个基于不同的测量位置(如手腕、大腿)和传感分辨率(电极数量、电极分布)自定义测量设置的 3D 编辑器。在 EIT 数据测量阶段,EIT-kit 提供了一个基于 ESP32 的 EIT 传感主板,以及一个用于从主板获取数据的传感库(基于Arduino)。在最后阶段,用户需要对数据进行插值并将其可视化,EIT-kit 为用户提供了一个用于移动设备(如 iOS 设备)的图像重建 API,能够在屏幕和 AR 中分别实现 2D 和 3D 可视化。EIT-kit 通过提供这些 EIT 设备开发中必不可少的组件,促进了定制 EIT 传感应用的设计和发展。

EIT 传感主板

EIT-kit 的传感主板基于 ESP32 设计,能够自动进行 EIT 信号校准并测量不同电极配置。

EIT 传感主板:(a) 顶视图,(b) 底视图,(c) 堆叠两块多路复用板。图片来源

EIT 传感主板由负责注入交流信号并测量电压输出的主传感板,和多路复用板(最多两块)组成。多路复用板可以堆叠在主传感板上方,并将信号传导至各个电极。主传感板包含三个组件:

  • 用于注入交流信号的电流驱动电路
  • 用于测量电流驱动输出电压的电压测量电路
  • 带有 ESP32 微控制器的控制电路

主传感板的 (a) 顶视图和 (b) 底视图,突出标注了电流驱动、电压测量和控制电路。图片来源

电流驱动和电压测量电路都是由 ESP32 通过 SPI 通道和 GPIO 引脚控制的。为了在更快的频率下更直接控制电路,MIT 的工程师们通过两个独立的 SPI 总线(HSPI 和 VSPI)来实现控制电路。第一个 SPI 总线用于控制信号发生器和数字变阻器。第二个 SPI 总线用于 IO 扩展器 (MCP23S17),驱动多路复用板的片选引脚和各种其他的数字输入。ADC 转换器的输出会被直接路由到 ESP32 的 GPIO 引脚,并以 20 MHz 的频率进行采样。

点此查看完整的 MIT 论文,了解更多 ESP32 EIT-kit 的细节信息。目前,EIT-kit 有望赋能健康和运动传感交互设备的设计。交互设备设计师经常使用 3D 建模和 3D 打印来构建新设备,并通过代码对其编程。EIT-kit 提供的 3D 编辑器插件,微控制器库和数据可视化 API 能够充分满足他们的需求和科研条件。MIT 工程师们也将在未来提供预建应用程序,使编程经验较少的用户也能基于 EIT-kit 构建设备,进一步扩展 EIT-kit 的受众。 

EIT-kit 支持用户构建各类 EIT 传感设备 (a),并可视化获取到的数据 (b)。EIT-kit 提供了一个 3D 编辑器插件 (c)、一个基于 ESP32 的传感主板 (d)、一个微控制器库,以及一个图像重建 API。图片来源

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