CN102551713A - 一种多电极电阻抗断层成像采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电阻抗断层成像采集装置。技术方案包括中央控制模块、数模转换器、电流生成装置、电流输出切换矩阵、六十四个电极、电压输入切换矩阵、信号调理模块、采集模块。其中，中央控制模块按照设定的激励测量方式输出电压切换控制信号到电压输入切换矩阵，依次选取除激励电极以外的其它六十二个电极中的任意八对电极接入信号调理模块，接收采集模块输出的数字信号。本装置实现了支持六十四个电极的电阻抗断层成像，能够有效提高重构图像的空间分辨率和质量。同时，实现了八通道采集，能够缩短采集消耗的时间，进而提高电阻抗断层成像系统的成像速度。

Description

一种多电极电阻抗断层成像采集装置

技术领域

本发明涉及电阻抗断层成像技术领域，特别涉及一种用于电阻抗断层成像的采集装置。

背景技术

EIT(Electrical Impedance Tomography，电阻抗断层成像)技术是一种新型无损伤生物医学检测与成像技术，它通过对生物体外加一定的安全激励电流，测得生物体表面电压信号来重构生物体内部阻抗分布和变化。其反应了解剖学结构，更重要的是可以得到反映生物组织活性及生理状态短时变化的功能图像。由于采用外加安全电流激励，是非侵入检测技术，对生物体无伤害，因而在研究生物体生理功能方面具有重要的临床价值。

目前，在EIT系统的采集装置中多采用32个电极或16个电极配置，使后续的成像精度和质量不高。电极的数目越多，重构图像的空间分辨率和图像质量也就越高。但电极数目的增加对装置的设计和实现也提出了更高的要求。采集装置是EIT系统的重要组成单元，其采样精度和采样速度直接影像整个系统成像的分辨率和成像耗时。目前在EIT系统的采集装置中，完成一次完整的采集往往需要很长的时间，同时成像的精度也不理想，大大限制了EIT系统的实际应用价值。

发明内容

本发明提出了一种电阻抗断层成像采集装置。针对现有电阻抗断层成像采集装置会使后续成像精度不高的现状，实现了支持六十四个电极的电阻抗断层成像采集装置，能够有效提高重构图像的空间分辨率和质量。同时，为了提高测量速度，实现了八通道采集装置，能够缩短采集消耗的时间，进而提高电阻抗断层成像系统的成像速度。

本发明提供的技术方案是：一种多电极电阻抗断层成像采集装置，包括中央控制模块、数模转换器、电流生成装置、电流输出切换矩阵、六十四个电极、电压输入切换矩阵、信号调理模块、采集模块。

其中，中央控制模块分别与数模转换器、电流生成装置、电流输出切换矩阵、电压输入切换矩阵、信号调理模块以及采集模块相连接。数模转换器接收中央控制模块输出的频率控制信号，生成特定频率的模拟信号，并以差分电压的模式输出到电流生成装置。电流生成装置接收中央控制模块输出的激励幅度控制信号，并将从数模转换器接收的信号转换成一对差分电流信号送至电流输出切换矩阵。电流输出切换矩阵接收中央控制模块按照设定的激励测量方式输出的电流切换控制信号，将一对差分电流信号输出至六十四个电极中的两个电极，称所述两个电极为激励电极。电压输入切换矩阵的六十四个输入通道分别连接六十四个电极的输出通道，电压输入切换矩阵接收中央控制模块按照设定的激励测量方式输出的电压切换控制信号，每次选通除激励电极外的六十二个电极中的十六个电极上的电压信号，形成八对电压信号输出至信号调理模块。信号调理模块接收中央控制模块输出的增益控制信号对输入的八对电压信号分别进行低通滤波和增益调整后，形成八路信号送至采集模块。采集模块对输入的八路信号进行模数转换，输出八路数字信号至中央控制模块，中央控制模块将上述的八路数字信号输出至成像装置。

作为本发明的进一步改进：

①中央控制模块

中央控制模块是可编程逻辑器件。

②六十四个电极

六十四个电极采用复合电极，以复合电极的面电极作为电流注入，即接收电流输出切换矩阵的输出，以复合电极的点电极获取外部感应电压信号，即待测对象的感应电压信号。

③信号调理模块

信号调理模块包括依次串联的阻抗匹配单元，低通滤波单元，可编程增益放大器。用于完成对信号的匹配接收、高次谐波抑制、增益控制。为采集模块提供高精度、低噪声、低失调、低漂移的信号。如附图3所示。

④电流生成模块

电流生成装置采用电压控制电流源。

本发明的有益效果是：

1)本装置支持六十四个电极，增加电极可以获得更多的独立观测数据，从而可以提高重构图像空间分辨率和图像质量。

2)切换矩阵分为电压输入切换矩阵和电流输出切换矩阵，由中央控制模块操控，能够完成快速、稳定的信号切换，在施加电流激励时能将激励电流信号输出到任意两个电极上，在采集感应电压时能够一次选通八对电压信号送入信号调理模块。

3)采集模块采用八通道并行结构，与单通道串行采集相比，能够缩短采集模块所需要的时间，从而提高EIT系统的成像速度。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是电压输入切换矩阵和电流输出切换矩阵结构框图；

图3是信号调理模块结构框图；

图4中央控制模块工作流程图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是本发明的原理结构框图。如图所示，一种多电极电阻抗断层成像采集装置包括六十四个电极、电压输入切换矩阵、电流输出切换矩阵、信号调理模块、电流生成装置、采集模块、中央控制模块和数模转换器。其中中央控制模块分别与数模转换器、电流生成装置、电流输出切换矩阵、电压输入切换矩阵、信号调理模块以及采集模块相连接。数模转换器接收中央控制模块输出的频率控制信号，生成特定频率的模拟信号，并以差分电压的模式输出到电流生成装置。电流生成装置接收中央控制模块输出的激励幅度控制信号，并将从数模转换器接收的信号转换成一对差分电流信号送至电流输出切换矩阵。电流输出切换矩阵接收中央控制模块按照设定的激励测量方式输出的电流切换控制信号，将一对差分电流信号送至六十四个电极中的任意两个电极，称所述两个电极为激励电极。电压输入切换矩阵接收中央控制模块按照设定的激励测量方式输出的电压切换控制信号，每次选通除激励电极外的六十二个电极中的十六个电极上的电压信号，根据选定的激励测量方法形成八对电压信号输出。信号调理模块对输入的八对差分信号分别进行增益校准和低通滤波后，形成八路信号送至采集模块。采集模块对输入的八路信号进行模数转换，输出八路数字信号至中央控制模块，中央控制模块将上述的数字信号输出。

图2是电压输入切换矩阵和电流输出切换矩阵结构框图。如图所示，电压输入切换矩阵位于图2的右侧，包括六十四个缓冲器，两个32*16的交叉点开关，以及八路差分运算放大器。其中六十四个缓冲器由宽带JFET放大器构成，具有极高的输入阻抗，可以有效降低电压输入切换矩阵对激励电流信号的分流和影响；两个32*16交叉点开关内部所有的输出经过缓冲处理，用以增强信号的驱动能力；八路差分运算放大器，具有良好的抗噪声性能和谐波抑制能力。每个电极上的电压信号都会经过缓冲器的驱动进入交叉点开关，两个32*16交叉点开关的通断由中央控制模块控制，按照设定的激励测量方式一次选通八对电极的电压信号送至八路差分运算放大器。电流输出切换矩阵位于图2的左侧，包括两级模拟交叉点开关，第一级包括两个1*8交叉点开关，第二级包括了六个2*12交叉点开关。第一级两个1*8交叉点开关负责将一对差分电流信号分别输出至任意一个位于第二级的交叉点开关，六个第二级交叉点开关与六十四个电极连接，由中央控制模块控制，按照设定的激励测量方式将电流信号输出至任意两个电极上。

其中电流输出切换矩阵包括两级模拟交叉点开关，第一级包括两个1*8的交叉点开关，选用两片ADG1208实现。第二级包括六个2*12交叉点开关，选用六片ADG2128实现，设由第一片到第六片ADG2128构成。六十四个电极的编号为1～64号。其中一片ADG1208的输入连接电流生成装置的同向输出I+，从其八个输出中选取前六个输出分别接入六片ADG2128两个输入端的中的一个；另一片ADG1208的输入连接电流生成装置的反向输出I-，从其八个输出中选取前六个输出分别接入六片ADG2128两个输入端的另一个。从第一片ADG2128的十二个输出中选取前十个输出与六十四个电极的1～10号的输入连接，从第二、三、四、五片ADG2128的十二个输出中选取前十一个输出依次与六十四个电极的11～21，22～32，33～43，44～54号的输入连接。从第六片ADG2128的十二个输出中选取前十个输出依次与六十四个电极的55～64号的输入连接。电压切换矩阵包括六十四个缓冲器，两个32*16的交叉点开关，以及八路差分运算放大器。其中六十四个缓冲器选用OPA653，六十四个缓冲器的编号为1～64号；两个32*16交叉点开关选用MAX4357，八路差分运算放大器选用AD8099。其中六十四个缓冲器的输入依次与六十四个电极的输出连接。1～32号缓冲器的输出依次与第一片MAX4357的三十二个输入连接，33～64号缓冲器的输出依次与第二片MAX4357的三十二个输入连接。第一片MAX4357的一号和二号输出与第一片AD8099的同向和反向输入端连接，三号和四号输出与第二片AD8099的同向和反向输入端连接，依次类推，十五号和十六号输出与第八片AD8099的同向和反向输入端连接。第二片MAX4357的输出端连接方式和第一片MAX4357一致。采集模块由模数转换芯片AD9252构成，其内部采用三级流水线结构，各级模数转换器之间留有足够的信号重叠部分，以用来对前级可能出现的误码进行校准。一个AD9252内部包含了八路高性能模数转换单元，最高采样率为50MSps，采样精度为14位。它具有快速的数字误差校正和自校准功能，还可以提供良好的动态性能和噪声系数。经过转换后的数据通过八对LVDS(Low-Voltage Differential Signaling，低压差分信号)以双边沿传输的方式送到中央控制模块。六十四电极采用复合电极，以复合电极的面电极作为电流注入，即接收电流输出切换矩阵的输出，以复合电极的点电极获取外部感应电压信号。电极贴放在待测对象表面，本发明能够在注入电流激励的同时进行电压采集，具有较大的电流注入面积，同时减小了接触阻抗，避免了电极加宽而偏离图像重建算法中点电极的假设。

图3是信号调理模块结构框图。如图所示，信号调理模块包括依次串联的阻抗匹配单元，低通滤波单元，可编程增益放大器，可编程增益放大器接收中央控制模块输出的增益控制信号，信号调理模块对输入的八对电压信号分别进行低通滤波和增益调整后，送至采集模块。为采集模块提供高精度、低噪声、低失调、低漂移的信号。

图4中央控制模块工作流程图。如图所示，中央控制模块首先接收成像系统发送的频率控制参数和幅度控制参数，输出的频率控制信息到数模转换器，生成特定频率的模拟信号。输出激励幅度控制信息到电流生成装置，生成特定幅度的电流激励信号。按照设定的激励测量方式输出电流切换控制信号到电流输出切换矩阵将激励信号送至六十四个电极中的任意两个电极。按照设定的激励测量方式输出电压切换控制信号到电压输入切换矩阵，依次选取除电流注入选用的两个电极以外的其它三十一对电极接入信号调理模块，接收采集模块输出的数字信号。改变电流输出切换矩阵选择两个还未遍历的电极，并重新获取其它三十一对电极上的电位信号。依次完成对所有电极的遍历。其中设定的激励测量方式，可采用相邻电极法、相对电极法或交叉电极法等，详细内容参见机械工业出版社《生物医学电阻抗成像技术》，作者徐桂芝、李颖等，2010年6月出版。

中央控制模块选用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片XC6SLX116构成，它完成对电流输出切换矩阵模块、电压输入切换矩阵，电流生成装置和信号调理模块的控制。对采集模块输出的数字信号进行缓存和处理。输出频率控制信号到数模转换器，用以产生设定频率的激励信号。

Claims (5)

1.一种多电极电阻抗断层并行采集装置，包括中央控制模块、数模转换器、电流生成装置、电流输出切换矩阵、六十四个电极、电压输入切换矩阵、信号调理模块、采集模块，其特征在于：

中央控制模块分别与数模转换器、电流生成装置、电流输出切换矩阵、电压输入切换矩阵、信号调理模块以及采集模块相连接；数模转换器接收中央控制模块输出的频率控制信号，生成特定频率的模拟信号，并以差分电压的模式输出到电流生成装置；电流生成装置接收中央控制模块输出的激励幅度控制信号，并将从数模转换器接收的信号转换成一对差分电流信号送至电流输出切换矩阵；电流输出切换矩阵接收中央控制模块按照设定的激励测量方式输出的电流切换控制信号，将一对差分电流信号输出至六十四个电极中的两个电极，称所述两个电极为激励电极；电压输入切换矩阵的六十四个输入通道分别连接六十四个电极的输出通道，电压输入切换矩阵接收中央控制模块按照设定的激励测量方式输出的电压切换控制信号，每次选通除激励电极外的六十二个电极中的十六个电极上的电压信号，形成八对电压信号输出至信号调理模块；信号调理模块接收中央控制模块输出的增益控制信号对输入的八对电压信号分别进行低通滤波和增益调整后，形成八路信号送至采集模块；采集模块对输入的八路信号进行模数转换，输出八路数字信号至中央控制模块，中央控制模块将上述的数字信号输出。

2.根据权利要求1所述的多电极电阻抗断层并行采集装置，其特征在于，中央控制模块采用可编程逻辑器件。

3.根据权利要求2所述的多电极电阻抗断层并行采集装置，其特征在于，六十四个电极采用复合电极，以复合电极的面电极作为电流注入，即接收电流输出切换矩阵的输出，以复合电极的点电极获取外部感应电压信号。

4.根据权利要求3所述的多电极电阻抗断层并行采集装置，其特征在于，信号调理模块包括依次串联的阻抗匹配单元，低通滤波单元，可编程增益放大器，可编程增益放大器接收中央控制模块输出的增益控制信号。

5.根据权利要求2、3或4所述的多电极电阻抗断层并行采集装置，其特征在于，电流生成模块是电压控制电流源。

Images