CN103584860A - 一种生物电阻抗成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物电阻抗成像装置，其包括由单片机（1），上位机（2），DDS信号源（3），A/D转换电路（4），低通滤波电路（5），压流转换电路（6），信号放大电路（7），相敏解调电路（8），多路开关（9），多个电极组（10）和物理模型（11）组成。其优点：1）产生的电流源有较高的输出电阻，能保证输出电流与负载电压之间的独立性。2）每组开关需要8位IO口来控制，在模拟开关的控制端连接了锁存器电路，这样使用8+2位地址线就能控制2组开关，节省了单片机的控制IO口，从而使电路更加简单优化。3）通过相敏解调电路得到阻抗的实部和虚部信息，相对于只取阻抗实部的方法来说，本发明得到的阻抗信息更加准确。

Description

一种生物电阻抗成像装置

技术领域

本发明涉及一种医疗设备，尤其涉及一种测量生物电阻抗的硬件系统。

背景技术

电阻抗成像技术（Electrical Impedance Tomography，EIT）是根据人体内不同组织的电阻抗特性是不同的这一物理原理，通过给人体注入微小安全交流电流，在人体内部形成一个电场分布，在体表就会形成有规律的电位，通过测量人体表电位，重建人体内部电阻率分布的图像。由于EIT技术的广阔应用前景，吸引了一大批专家学者投入到研究行列之中。据不完全统计，目前美国、英国、俄罗斯、德国、法国、瑞典、日本、印度等有三十多个研究小组在进行EIT技术的研究工作。美国国家科学基金会（NSF）和国立卫生研究院（NIH）都大力支持EIT技术的研究工作，在欧洲以英国为首，在英国工程和物理科学研究委员会（EPSRC）支持下建立了EIT协作组及专门的EIT研究网站。其中，Rensselaer Polytechnic Institute(USA)、Sheffield大学等的EIT研究小组在算法和实验设备上均有自己完整的体系，研究工作居世界领先地位。

在国内，重庆大学、第四军医大学、中国医学科学院生物医学工程研究所、北京航空航天大学、河北工业大学、天津大学、上海大学等单位都设有电阻抗小组。近年来，在国家自然科学基金以及其它项目的基金资助下联合研究EIT技术，进行多方位的学术交流，并已经研制出高精度的EIT技术实验平台，同时也在向临床应用方面进行深入的研究。第四军医大学成功研制出模拟人脑颅骨和脑白质导电性能的颅骨实验水槽，重庆大学研制了无创脑水肿动态监护仪和二维脑电阻抗地形图仪。

现有技术的主要难点表现在，保证输出电流与负载电压之间的独立性，需要电流源有较高的输出电阻；人体的组织阻抗的实部和虚部均包含了丰富的生理和病理信息，我们不仅要通过相敏解调得到阻抗的实部信息而且要通过相敏解调得到阻抗的虚部信息。阻抗的虚部分量较小时，虚部解调输出信号比较微弱，此时，采用硬件模拟解调要达到一定的精度比较困难。

本申请人的“一种生物电阻抗成像方法”，申请号：201310402070.5，申请日：2013年09月09日。其主要介绍了根据测得的数据，生成生物电阻抗成像的算法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种生物电阻抗成像装置。通过多个电极组对测量目标施加外部激励，然后测量待测物体不同位置的体表电压数据，通过相敏解调解调得到阻抗的实部和虚部信息，重构目标横截面的电阻分布，得到反映物体内部组织特性的电阻抗图像。本发明的方法不能够直接得出疾病的诊断结果或作为医生采取治疗措施的依据，因此采用本发明的方法只能获取中间结果信息。

本发明采用的技术方案包括由单片机1，上位机2，DDS信号源3，A/D转换电路4，低通滤波电路5，压流转换电路6，信号放大电路7，相敏解调电路8，多路开关9，多个电极组10和物理模型11组成。

单片机1与上位机2之间通过串口连接。

单片机1控制多路开关9选通多个电极组10中的一组电极施加于物理模型11上。

DDS信号源3受控于单片机1，其输出的恒压信号经压流转换电路6转换为恒流源，再经多路开关9选通一组电极，将电流信号注入到物理模型11中。

物理模型11产生的信号经过处理后送入单片机1。

所述的物理模型11产生的信号经过信号放大电路7、相敏解调电路8和A/D转换电路4处理后送入单片机1。

所述的DDS信号源3输出为频率可调的正弦交流恒压源。

所述的电极对10可以是16组电极对。

所述的电极对10上的16组电极对均匀分布在物理模型11的某一截面的周围。

本发明的优点：

1、电流源有较高的输出电阻,保证输出电流与负载电压之间的独立性。

2、通过相敏解调电路得到阻抗的实部和虚部信息，相对于因虚部蕴含的信息量较少而把生理组织的阻抗信息看作由实部来体现的方法得到的阻抗信息更加准确。

3、每组开关需要8位IO口来控制，在模拟开关的控制端连接了锁存器电路，达到使用8+2位地址线就能控制2组开关，节省单片机的控制IO口，从而使电路更加简单优化。

附图说明

图1是本发明的原理图。

图2是本发明的16电极电流注入、电压测量原理图。

图3是乘法解调器原理图。

图4为本发明的电极分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方法对本发明作进一步详细描述。

本发明基于单片机技术设计了一种生物电阻抗硬件系统，该系统如图1所示。

DDS信号源3可以采用Analog Devices 公司的DDS集成芯片，使用其内部的8位并行口或串行口连续从单片机1的EPROM中读取正弦信号采样数据,经D/A转换并滤波后产生EIT所需的正弦信号。DDS信号源3内部包括可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器，能实现全数字编程的频率合成器和时钟发生器。接上精密时钟源，就可以产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程的模拟正弦波输出。此正弦波可直接用作频率信号源或转换成方波用作时钟输出。

压流转换电路6是将DDS信号源3产生的正弦电压信号转换成恒定的正弦电流信号。压流转换电路6是基于Howland电流泵的VCCS（电压控制电流源），它一方面仅仅调节一个电阻的阻值即可改变输出电流Io，也不会破坏电路的平衡条件；另一方面也使VCCS 输出电压的电压柔量比Howland 电流泵的电压柔量更宽，输出阻抗Ro=∞。

由于注入电极的电流信号很小，峰峰值一般只有1到2mA，所以接收电极上测得的电压信号也很小，一般电压峰峰值也只有几十毫伏左右，需要进行适当的放大，同时滤除信号中的噪声。信号放大电路7将测得的电压信号进行适当放大，满足A/D转换电路4的输入信号幅值要求。该放大电路需有较高的共模抑制比(CMRR)，足够的带宽，较高的输入阻抗和较小的输入偏置电流，能减少测量模块对待测物体内部电流分布的影响。考虑采用仪表放大器，仪表放大器具有高输入阻抗、低输入偏置电流、低失调电压、高工作带宽等优点，这些特点使仪表放大器成为信号检测时的首选放大器。

相敏解调电路8从放大后的电压信号中同步解调出电阻抗信号的实部和虚部，采用模拟乘法器解调，具体解调器原理如图3所示。

将参考信号与被测信号进行四象限相乘，将相乘后的信号通过低通滤波器后得到被解调信号。

定义被解调信号                                               

、参考信号

、正交参考信号

分别为

                     

                1）

                     

                  2）

                     

                3）

式中，

为被解调信号相对于参考信号的相位角，

、

、

分别为被解调信号、参考信号和正交参考信号的幅值。

公式1）分别与公式2）、公式3）相乘后可以得到：

               

          4）

          5）

将

和

通过低通滤波器滤除参考信号频率的2倍频交流分量以后，便可得到被解调信号相对参考信号的实部信息：

                        

                         6）

和虚部信息：

                        

                        7）

在、

已知的前提下，对公式6）和7）进行三角函数变换可得：

                        

                       8）

                 9）

由以上各式看出，乘法型解调器尽管有相敏解调的特点，但解调输出信号不仅与被测信号的幅值

和相位

有关，还与参考信号和正交参考信号的幅值

和。

有关，并且需精确保证两个参考信号的相位差为90度。在求取信号

和

时，除了要用到解调输出信号

和

外，还需要精确知道参考信号的幅值和。这说明模拟乘法解调的测量精度易受参考信号和正交参考信号的幅值以及它们之间相位差的影响。

低通滤波电路5的作用是由于DDS信号源3产生的正弦波信号存在谐波，需要经过低通滤波器滤除高频噪声。低通滤波电路5可采用MAXIM公司生产的通用型有源滤波器设计的，无需时钟电路，与开关电容相比较具有噪声低，动态性能更好的优点，采用4运放结构，运放、内部电容和外接电阻构成了级联积分电路，可同时提供低通滤波和带通滤波输出的功能。使用方法简单灵活，只需经过简单的连接就可以应用。

A/D转换电路4是将模拟的信号转换成数字信号输出给单片机1。测得数据通过串口发送给上位机2，然后上位机2通过相关算法得到待测物体的电阻抗成像。

物理模型11是一个圆柱形的水槽作为人体躯干的物理模型，该盐水槽高100mm,直径200mm, 在槽的内表面的同一截面高度等间距安放16个铜质圆形电极，如图4所示。实验时，槽内放入浓度为750Ω/cm的NaCl溶液(即盐水)作为背景，作为电阻抗成像的物理模型。

多路开关9为两组16选1的开关并联即实现16选2任意的电流注入方式，如图2所示，在单片机1的控制下，通过两个16选1的多路开关选择16个电极中不同的两个电极构成一组电极对。为了进一步减小其他电路对多路开关9模拟通道的干扰,可以还采取光耦合隔离数字信号与模拟信号通道。而电流驱动选通电路和电压测量端选通电路的原理类似，只是信号的流向相反，即恒流源信号通过一对多路开关的模拟通道到达一对驱动电极，然后通过对物理模型11的另一对测量电极上采集电压信号。

对于16电极的EIT系统，每完成一次相邻电极的电流驱动，就需要在其余相邻电极上完成13次电压测量，系统共需要四片开关，电路如图2所示，驱动电路使用的是多路开关K1和开关K2的并联，测量电路是开关K3和开关K4并联。下面以一个周期为例进行说明。为了方便在设计电路时使每个多路开关的IN1接电极1，IN2接电极2，??，IN16接电极16。这样当开关Kl中的地址码(A3A2A1A0)1=0000，开关K2中的地址码(A3A2AlA0)2=0001时，就选通了开关K1中的IN1和开关K2中的IN2，即实现了对电极1、2的选通。同时对于测量端的两片开关K3和K4就要相应完成13次选通：

选通电极3、4：(A3 A2 Al A0)3 = 0010、(A3 A2 Al A0)4 = 0011

选通电极4、5：(A3 A2 Al A0)3 = 0011、(A3 A2 Al A0)4 = 0100

……

选通电极14、15：(A3 A2 A1 A0)3 = 1100、(A3 A2 Al A0)4 = 1101

选通电极15、16：(A3 A2 Al A0)3 = 1101、(A3 A2 A1 A0)4 = 1110

这样就完成了一个周期的选通，从而使电路完成一个周期的测量，然后再让开关Kl、K2选通电极2、3进行下个周期的测量，直到完成整个测量过程。

所述的多路开关电路9，单片机1通过IO口发送命令，选择相邻的一对电极10，两组开关需要单片机1的16位IO口来控制，我们在模拟开关的控制端连接了两个锁存器电路，这样达到使用8位数据线+2位地址线就能控制两对模拟开关的地址码，因单片机1还要用18个IO口控制DDS信号源3和A/D转换模块4，本系统的方法节省了单片机的控制IO口，避免使用两片单片机1控制电路从而使电路更加简单优化；

本发明上电后按如下流程工作：

1、单片机1经过上电复位，单片机1经过串口发送命令控制DDS信号源3产生恒定的正弦信号，正弦信号经过压流转换电路6产生恒定的电流源。

2、单片机1通过IO口控制多路开关9，使其选择相邻的一对电极，恒流源信号注入这对电极，然后对剩下的不同电极依次进行13次测量。

从电极上测量的电压信号经过信号放大电路7进行放大，然后通过相敏解调电路8，解调出信号的实部和虚部信息。

将解调出的信息经过低通滤波电路5发送给A/D转换电路4，将模拟信号转变成数字信号。

5、将测得的数字信号发送给单片机1，单片机1通过串口将数据发送给上位机2。

6、上位机2通过相关的算法实现待测物体的电阻抗成像。

Claims (6)

1.一种生物电阻抗成像装置，其特征在于包括由单片机（1），上位机（2），DDS信号源（3），A/D转换电路（4），低通滤波电路（5），压流转换电路（6），信号放大电路（7），相敏解调电路（8），多路开关（9），多个电极组（10）和物理模型（11）组成；

单片机（1）与上位机（2）之间通过串口连接；

单片机（1）控制多路开关（9）选通多个电极组（10）中的一组电极施加于物理模型（11）上；

DDS信号源（3）受控于单片机（1），其输出的恒压信号经压流转换电路（6）转换为恒流源，再经多路开关（9）选通一组电极，将电流信号注入到物理模型（11）中；

物理模型（11）产生的信号经过处理后送入单片机（1）。

2.根据权利要求1所述的一种生物电阻抗成像装置，其特征在于：

所述的物理模型（11）产生的信号经过信号放大电路（7）、相敏解调电路（8）和A/D转换电路（4）处理后送入单片机（1）。

3.根据权利要求2所述的一种生物电阻抗成像装置，其特征在于：

所述的DDS信号源（3）输出为频率可调的正弦交流恒压源。

4.根据权利要求3所述的一种生物电阻抗成像装置，其特征在于：

所述的多个电极组（10）可以是16组电极对。

5.根据权利要求4所述的一种生物电阻抗成像装置，其特征在于：

所述的多个电极组（10）上的16组电极对均匀分布在物理模型（11）的某一截面的周围。

6.根据权利要求5所述的一种生物电阻抗成像装置，其特征在于：

所述的多路开关（9）通过光耦合电路与选择控制信号连接，使得数字信号与模拟信号进行相隔离。

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