CN102379697A - 电阻抗扫描成像前级信号调理模块的检测装置及标校方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电阻抗扫描成像系统前置级信号调理模块的检测装置及标校方法，该检测装置由扫频电压源模块、高精度电阻网络定标单元、采集传输单元、中心控制单元及计算机组成。扫频电压源模块分别与高精度电阻网络定标单元及中心控制单元连接，采集传输单元分别与中心控制单元及计算机相连。在程序控制下，扫频电压源向高精度电阻网络输出电压信号，待检测模块置于电阻网络定标单元与采集传输单元之间，计算机接收采集信号并进行数据处理。基于设定的标校流程和算法，计算机软件对待测模块的信号传递准确性、信号传递稳定性、电阻抗幅值相位传输特性进行评估，最后得出评估结果及标校参数。

Description

电阻抗扫描成像前级信号调理模块的检测装置及标校方法

技术领域

本发明属于生物组织电阻抗信号检测领域，特别涉及一种用于电阻抗扫描成像硬件系统前置级信号调整模块的检测装置及标校方法。

背景技术

生物电阻抗扫描成像是利用平面电极阵列对感兴趣区体表电流进行测量，并在二维图像上再现被测区域组织电阻抗特性的一种技术，通常用于检测识别组织电阻抗均匀分布区域中的具有异常电阻抗特性的目标体。生物电阻抗扫描成像所用检测电极为平板式电极阵列，一般由8×8个电极单元组成(或者更多电极单元如：16×16)用于传感检测微弱的电流信号。流过每个电极单元的微弱电流信号首先进入前置级信号调理电路，被调整为幅度相对较大的电压信号后，传入后级电路进行分析处理。其中电极阵列、前置级信号调整电路共同组成电阻抗扫描成像系统前置级信号调理模块。

由于生物电阻抗扫描成像技术所检测的是被测区域中组织的相对电阻抗差异，即依靠流过各电极单元电流之间的差异判断电极阵列下是否存在电阻抗特性异常的组织(如对健康乳房中乳癌包块的检测)，所以检测电极单元所对应的各个信号调理通路的检测精度、以及通道之间的一致性指标直接影响成像系统的精度和识别的敏感性。这也对前置级的设计、检测评估及标校提出了很高的要求，因此，需要一种能够对前置级信号检测调理模块进行检测及标校的装置，以方便生物电阻抗扫描成像设备的调试、校准及生产。

发明内容

针对生物电阻抗扫描成像系统前置级信号调理模块的重要性，本发明的目的在于，提供一种用于电阻抗扫描成像系统前置级信号调理模块的检测装置及标校方法，通过该检测装置可以定量测试前置级信号调理模块的传输特性以及通道一致性，以方便设备的调试、校准及生产。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种电阻抗扫描成像系统前置级信号调理模块的检测装置，其特征在于，该检测装置主要由扫频电压源模块、高精度电阻网络定标单元、采集传输单元、中心控制单元及计算机组成。扫频电压源模块分别与高精度电阻网络定标单元及中心控制单元连接，在受控状态下输出扫频电压信号到高精度电阻网络定标单元；采集传输单元分别与中心控制单元及计算机相连，在受控状态下将采集的数字信号传入计算机进行处理。其中待检测的前置级信号调理模块连接于高精度电阻网络与采集传输单元之间，以实现性能检测及标校。

所述的中心控制单元用于接收计算机控制命令，并按照该控制命令的要求对扫频电压源模块进行频率和幅度的控制。

所述的扫频电压源模块用于产生幅值、频率可变的的激励电压信号。

所述的高精度电阻网络定标单元，选用阻值相同的精密电阻组成电阻网络阵列，作为待检前置级信号调理模块所对应的标准电阻抗测量目标。

所述的采集传输单元，包括可变增益放大器、通道切换开关及高精度AD采集芯片。该单元可以自行设计，也可购买其他公司现有的采集模块。

基于上述检测装置对电阻抗扫描成像系统前置级信号调理模块进行标校的方法，其特征在于，该方法步骤如下：

①测试通路的连接。将待测的前置级信号调理模块接入到高精度电阻网络定标单元与采集传输模块之间；同时将扫频电压源的输出与高精度电阻网络定标单元相连，并通过控制单元设置扫频电压源的幅值和频率。

②信号采集及电阻抗信息提取。对各通道的信号进行采集并上传至计算机，利用电阻抗鉴幅鉴相算法，获得各通道对应测量目标(即高精度定标电阻)的电阻抗幅值及相位信息。

③前置级信号调理模块各通道信号传递准确性的评估。将各通路获取的电阻抗测量信息与被测目标的实际电阻抗值进行对比，计算各通道信号传递的准确度。如果某一通路的信号传递准确度没有达到预期设定的标准阈值，则对该受检的前置级信号调理模块所实施的本次检测结束。否则进入后续步骤。

④前置级信号调理模块各通道信号传递稳定性的评估，通过多次测量获得各通道信号传递的稳定性。如果某一通路的信号传递稳定性没有达到预期设定的标准阈值，则对该受检的前置级信号调理模块所实施的本次检测结束。否则进入后续步骤。

⑤前置级信号调理模块各通道传输阻抗特性的测定，包括幅值传输特性及相位偏差的测定。在规定的频率范围内，依次设定扫频电压源的输出频率，然后获取对应频率下前置级信号调理模块各通道的阻抗幅值传输特性值以及相位偏差值，并存储记录。

⑥前置级信号调理模块各通道传输阻抗频响特性的校正补偿参数计算。分别对每个测量频率点下的前置级信号调理模块各通道的阻抗幅值传输特性值进行均一化校正，并获得校正参数；同时将各通道的相位偏差作为相位补偿参数。

所述的电阻抗鉴幅鉴相算法在计算机中采用正交数字序列内积的计算方法实现。其方法是：经AD采集后的信号可表示为：

①

式中：|X_测|为实测目标的电阻抗模值；为其相位；f(z)为前置级测量通道的传递函数，且已知。

通过构造如下序列：

$Q{n}^{*}\left(i\right)=\sin \left(\frac{2\mathrm{\πi}}{N}\right)+j\cos \left(\frac{2\mathrm{\πi}}{N}\right),(i=\mathrm{0,1},...,N-1)$ ②

实现Qn*与Sn内积的计算：

③

再用

除以P的模值可得到实测目标的模值，而P的相位

取反即为实测目标引入的相位偏移。

所述的各通道信号传递准确性的计算方法采用以下公式实现，

④

式中，X_测表示实测的电阻抗值，R_标表示定标电阻抗网络中单个精密电阻的阻值。因为测量目标为高精度电阻，所以可用以上公式计算前级通道信号传递的准确性。计算得到的百分比值越小，表示通道信号传递的准确性越高。

所述的各通道信号传递稳定性的计算方法采用公式

⑤

实现，式中和S_X测分别是每个通道多次测量获得电阻抗值的平均值和标准差。计算得到的dB值越大，表示通道信号传递的稳定性越强。

所述的第i个通道信号阻抗幅值传输特性计算方法采用公式

⑥

实现，其中

表示第i个通道多次测量的平均电阻抗幅值，且针对不同频率可以得到不同的测量值。

所述的各通道信号电阻抗幅值传输特性均一化校正参数采用公式

⑦

实现。其中

表示第i路通道多次测量的平均阻抗幅值，表示所有通道多次测量的平均阻抗幅值。

所述的各通道信号相位偏差直接用测量所得到的电阻抗相位的平均值表示。采用公式：

⑧

实现。其中

表示第i路通道多次测量的平均相位值。因为电阻抗测量目标为高精度电阻，其本身带来的相位偏差可以忽略，那么测量所得到的各通道所对应的电阻抗相位值即为各通道的系统相位偏差，同时也是各通道的相位补偿参数。

本发明实现的电阻抗扫描成像系统前置级信号调理模块的检测装置，具有检测精度高、性能稳定、处理速度快、使用方便等优点，可以方便用于设备的调试、生产中。

基于该装置的标校方法的优点特点是：(1)具有对设备分步骤检测特点，便于发现问题所在。(2)通过计算机软件可以直观显示检测结果。(3)该方法移植性强，可方便移植到其它系统。

与现有技术相比具有以下技术效果：

生物电阻抗扫描成像技术所检测的是被测区域中组织的相对电阻抗差异，即依靠流过各电极单元电流之间的差异判断电极阵列下是否存在电阻抗特性异常的组织(如对健康乳房中乳癌包块的检测)。本发明实现的一种用于电阻抗扫描成像系统前置级信号调理模块的检测及标校装置，通过检测电极单元所对应的各个信号调理通路的检测精度、以及通道之间的一致性，可以验证信号检测前置级调理模块的设计是否满足要求，提高成像系统的精度和识别的敏感性。

附图说明

图1是本发明的系统结构原理图；

图2是本发明实施例设计的检测装置硬件系统结构原理图；

图3是本发明实施例进行性能检测时某一信号通道电路原理示意图；

图4是可插拔定标电阻网络板示意图；

图5是本发明实施例设计的标校控制软件操作界面示意图；

图6是本发明对调理模块进行检测标校的流程图；

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

按照本发明的技术方案，本实施例给出一种用于电阻抗扫描成像系统前置级信号调理模块的检测装置，其结构示意图如图1所示。主要由扫频电压源模块、高精度电阻网络定标单元、采集传输单元、中心控制单元及计算机组成。扫频电压源模块分别与高精度电阻网络定标单元及中心控制单元连接，在受控状态下用于向该单元输入扫频电压信号；采集传输单元分别与中心控制单元及计算机相连，在受控状态下将采集的数字信号传入计算机进行处理。其中待检测的前置级信号调理模块连接于高精度电阻网络与采集传输单元之间，以实现性能检测。

本实施例用于完成对含有64个检测通道的电阻抗扫描成像系统前置级信号调理模块的检测及标校。

参见图2为本实施例设计的检测装置硬件系统：在PCB上制作了定标检测模块；利用数据采集卡实现数据采集和控制命令的发送，该采集卡为PCI卡与计算机中的PCI插槽直接相连；定标检测模块与采集卡及计算机共同构成检测标校系统，该系统上包括输入接口和采集接口用于接入待测的信号调理模块。

在本实施例中，该硬件检测装置配合计算机上的检测标校软件，对一个电阻抗扫描系统前置级信号调理模块进行检测，并将检测的结果通过显示器输出。

本实施例的定标检测模块中，使用FPGA芯片及其外围电路实现中心控制的功能，接收并处理计算机上PCI数据采集卡传输来的控制信号，同时按照该控制信号的要求对扫频电压源模块进行频率和幅度控制；在测试信号调理模块的过程中，通过采集接口控制采集通道的选通与切换。采用的FPGA芯片为Altera公司CycloneII系列的EP2C5T144C6，该芯片容量为4608个逻辑单元，26个的M4K RAM模块，用户I/O引脚数量为89个。使用EPCS4芯片作为FPGA的下载芯片。

本实施例的定标检测模块中，采用数字频率合成的方法制作扫频电压源。该扫频电压源输出电压幅值可设置为0.5V～2.5V，频率可设置为100～200kHz之间数个离散的频率点，满足对前置级信号调理模块性能检测的要求，激励信号流经定标电阻网络后，输入到待检测模块。待检测模块输出的信号进入采集接口，计算机通过使用美国NI公司的NI-PCI6250高速16路16位采集卡对采集接口上的数据实现采集。同时计算机通过该采集卡上的24路数字I/O口对定标检测模块输出频率及相位控制信号。

参见图3为本实施例对待测模块进行性能检测时具体一通路的电路原理示意，定标检测模块中的扫频电压源输出的激励信号，经定标电阻网络中的一个电阻进入到待检测的前置级某一信号调理通路，并经过切换开关的控制选通，最终将调理后的信号传输到计算机PCI采集卡上的信号采集模块进行采集。

参见图4为可插拔定标电阻网络板示意图，本实施例的定标检测模块中，设计了可插拔式的定标电阻网络单元，根据测试的需要，将不同阻值的电阻接入电阻网络中。本实施例中，使用64个100kΩ的精密电阻(1‰，10ppm，)组成电阻网络阵列，作为检测标校的定标电阻抗网络。

参见图5为对待检测前置级信号调理模块进行检测及标校的流程图，检测及数据分析方法具体按以下步骤实施：

(1)将前置级信号调理模块接入定标检测模块上的输入接口和采集接口之间。

(2)接通电源，进入软件系统操作界面。

(3)在软件界面左侧，有激励源设置区域，在激励电压值、激励频率对应的组合框中对扫频电压源的输出激励信号波形参数(频率、幅值)进行选择，并通过“设置激励源”按钮实现激励信号波形参数的设置。

参见图6为本实施例的测试控制软件，该软件使用VC2003.NET开发平台开发，控制定标检测模块以及读取PCI采集卡上的数据，并完成数据分析，绘制曲线，图像显示，信息提示等功能。本软件系统，通过调用NI-PCI6250采集卡提供的动态链接库中的DAQ函数，完成对该采集卡的读写操作。在本实施例中，设置激励信号的激励电压值为1.5V，激励频率为400、1k，10k，20k，100k，160k，共6个频率点(单位Hz)，使扫频电压源模块输出频率分别为上述六个频率且幅值均为1.5V的扫频激励信号。

(4)在软件界面左侧，有测试通道设置区，可以选择需要测试通道的行标以及列标，以指定具体某一通道进行测量；也可直接选择“测试全部通道”，测试全部的64通路的。并且可以设置每个频率下的采集次数。

在本实施例中，选择测试全部通道，并设定每个频率下的采集次数为11次。

(5)在软件界面左侧，有测试模式选择，分别为：信号传递准确性检测、信号传递稳定性检测、阻抗幅值传输特性检测、校正补偿参数计算。

本实施例中测试模式按如下顺序设定：

a，选择信号传递准确性测试：软件对所有64通道在各个频率下进行分别进行采样，并按照公式①②③计算出电阻抗值，再按照公式④判断计算各通道信号传递准确性是否达到要求，本实例根据临床实践设置阈值要求为δ≤98％。

在每次采集信号的过程中，在软件界面右侧还可显示选定通道的实测信号波形图。

如果所有通道的准确性均符合要求，继续选择信号传递稳定性测试；否则，在软件界面右侧检测结果输出框会指示出有问题的通道。

b，进入稳定性测试后，软件对所有64通道在6个频率下分别进行11次采样，计算出各个电阻抗值，再按照公式⑤判断计算各通道信号传递稳定性是否达到要求，本实例根据临床实践设置阈值要求为K≥80dB。

如果所有通道的准确性均符合要求，继续选择阻抗幅值传输特性检测；否则，在软件界面右侧检测结果输出框会指示出有问题的通道。

c，进入阻抗幅值传输特性检测，软件对操作b保存的数据按照公式⑥计算各通道阻抗幅值传输特性，并且将计算的结果在软件界面右侧检测结果输出框中进行指示。

d，选择校正补偿参数计算，软件对操作b保存的数据按照公式⑦⑧计算各通道的校正补偿参数，并且将计算的结果在软件界面右侧检测结果输出框中进行指示。

(5)系统对信号调理模块各项参数检测完成后，可通过软件下方的“保存校正参数”按钮，将检测及校准结果输出保存。

以上本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据发明的技术方案得出的等效替换和增加，同样属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种电阻抗扫描成像系统前置级信号调理模块的检测装置，其特征在于，该检测装置由扫频电压源模块、高精度电阻网络定标单元、采集传输单元、中心控制单元及计算机组成；

扫频电压源模块分别与高精度电阻网络定标单元及中心控制单元连接，在受控状态下输出扫频电压信号到高精度电阻网络定标单元；采集传输单元分别与中心控制单元及计算机相连，在受控状态下将采集的数字信号传入计算机进行处理；其中待检测的前置级信号调理模块连接于高精度电阻网络与采集传输单元之间，以实现性能检测及标校。

2.如权利要求1所述电阻抗扫描成像系统前置级信号调理模块的检测装置，其特征在于，所述的中心控制单元用于接收计算机控制命令，并按照该控制命令的要求对扫频电压源模块进行频率和幅度的控制。

3.如权利要求1所述电阻抗扫描成像系统前置级信号调理模块的检测装置，其特征在于，所述的扫频电压源模块用于产生幅值、频率可变的的激励电压信号。

4.如权利要求1所述电阻抗扫描成像系统前置级信号调理模块的检测装置，其特征在于，所述的高精度电阻网络定标单元，选用阻值相同的精密电阻组成电阻网络阵列，作为待检前置级信号调理模块所对应的标准电阻抗测量目标。

5.如权利要求1所述电阻抗扫描成像系统前置级信号调理模块的检测装置，其特征在于，所述的采集传输单元，包括可变增益放大器、通道切换开关及高精度AD采集芯片。

6.权利要求1～5其中之一所述的电阻抗扫描成像系统前置级信号调理模块的检测装置对电阻抗扫描成像系统前置级信号调理模块进行标校的方法，其特征在于，该方法步骤如下：

①测试通路的连接

将待测的前置级信号调理模块接入到高精度电阻网络定标单元与采集传输模块之间；同时将扫频电压源的输出与高精度电阻网络定标单元相连，并通过控制单元设置扫频电压源的幅值和频率；

②信号采集及电阻抗信息提取

对各通道的信号进行采集并上传至计算机，利用电阻抗鉴幅鉴相算法，获得各通道对应测量目标的电阻抗幅值及相位信息；

③前置级信号调理模块各通道信号传递准确性的评估

将各通路获取的电阻抗测量信息与被测目标的实际电阻抗值进行对比，计算各通道信号传递的准确度；如果某一通路的信号传递准确度没有达到预期设定的标准阈值，则对该受检的前置级信号调理模块所实施的本次检测结束；否则进入后续步骤；

④前置级信号调理模块各通道信号传递稳定性的评估

通过多次测量获得各通道信号传递的稳定性，如果某一通路的信号传递稳定性没有达到预期设定的标准阈值，则对该受检的前置级信号调理模块所实施的本次检测结束，否则进入后续步骤；

⑤前置级信号调理模块各通道传输阻抗特性的测定，包括幅值传输特性及相位偏差的测定；在规定的频率范围内，依次设定扫频电压源的输出频率，然后获取对应频率下前置级信号调理模块各通道的阻抗幅值传输特性值以及相位偏差值，并存储记录；

⑥前置级信号调理模块各通道传输阻抗频响特性的校正补偿参数计算

分别对每个测量频率点下的前置级信号调理模块各通道的阻抗幅值传输特性值进行均一化校正，并获得校正参数；同时将各通道的相位偏差作为相位补偿参数。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的电阻抗鉴幅鉴相算法在计算机中采用正交数字序列内积的计算方法实现；其方法是：经AD采集后的信号可表示为：

①

式中：|X_测|为实测目标的电阻抗模值；

为其相位；f(z)为前置级测量通道的传递函数，且已知；

通过构造如下序列：

$Q{n}^{*}\left(i\right)=\sin \left(\frac{2\mathrm{\πi}}{N}\right)+j\cos \left(\frac{2\mathrm{\πi}}{N}\right),(i=\mathrm{0,1},...,N-1)$ ②

实现Qn*与Sn内积的计算：

③

再用

除以P的模值可得到实测目标的模值，而P的相位

取反即为实测目标引入的相位偏移。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的各通道信号传递准确性的计算方法采用以下公式实现，

④

式中，X_测表示实测的电阻抗值，R_标表示定标电阻抗网络中单个精密电阻的阻值；因为测量目标为高精度电阻，所以用以上公式计算前级通道信号传递的准确性，计算得到的百分比值越小，表示通道信号传递的准确性越高；

所述的各通道信号传递稳定性的计算方法采用如下公式：

⑤

式中，

和S_X测分别是每个通道多次测量获得电阻抗值的平均值和标准差，计算得到的dB值越大，表示通道信号传递的稳定性越强。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的各通道信号阻抗幅值传输特性计算方法采用如下公式：

⑥

其中，

表示第i个通道多次测量的平均电阻抗幅值，且针对不同频率可以得到不同的测量值。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的各通道信号电阻抗幅值传输特性均一化校正参数采用如下公式：

⑦

其中，

表示第i路通道多次测量的平均阻抗幅值，

表示所有通道多次测量的平均阻抗幅值；

所述的各通道信号相位偏差直接用测量所得到的电阻抗相位的平均值表示，采用如下公式：

⑧

其中表示第i路通道多次测量的平均相位值。

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