CN103690166B - 一种基于pxi总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统及其成像方法，借助于PXI总线高度集成的硬件和软件工具套件，构建三层共48个电极的三维电阻抗成像系统，通过选通开关，依次选择一对相邻的激励电极，向胸腔内注入安全的交流电流，同步采集其余电极上的电压信号，经滤波、放大、模数转换、解调、传输，最后经图像重建算法在计算机上获得呼吸过程中胸腔内部电阻抗敏感区域的分布图像。本系统较已有电阻抗成像系统具有测量精度高、速度快、可靠性高、对人体无损伤、可实现连续实时床旁监护等优点，可供临床连续监测人体肺部呼吸过程变化。

Description

一种基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统及其成像方法

技术领域

本发明属于医疗领域，涉及医疗监护设备和医学功能成像技术，尤其是一种基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统及其成像方法。

背景技术

电阻抗断层成像(ElectricalImpedanceTomography，EIT）是继形态、结构成像之后，近年来出现的新一代无损伤医学成像技术。医学研究表明，人体各组织（器官）具有不同的阻抗特性，而且一些病理现象和生理活动均会引起人体组织阻抗变化。当疾病发生时，相关组织与器官的功能性变化往往要先于器质性病变和其它临床症状，如能在组织与器官结构性变化出现之前，及时检测和确认与疾病相关的组织、器官的功能性变化，对于相关疾病的普查，预防和早期诊断与治疗将是非常有利的。EIT技术就是根据生物组织的电阻抗特性，借助激励电极向被测对象施加微小的交变电流(或电压)信号，测量组织表面的电压(或电流)信号，以所测信号为信息由计算机根据相应的电学断层图像重建算法得出被测对象的电阻抗分布图像。它是将人体组织或器官的生物阻抗的分布和变化以2D/3D图像的形式直观的展现出来，并以此功能图像对组织或器官进行诊断和评价。由于EIT技术相对于目前的CT技术具有无辐射、无损伤、简捷、安全等一系列的优点，在医学临床监护等领域具有广阔的应用前景。

EIT系统由三部分组成：激励模块、采集模块及成像模块。目前，已有的生物医学领域研究的EIT系统的激励模块主要是利用FPGA和DSP产生，采集模块主要是利用模拟或数字的多路切换开关采用异步分时的方式，成像模块利用测得的电压（电流）根据图像重建算法得到电阻抗分布图像。由于已有的EIT系统激励源存在各种非线性失真、杂波等难以消除的缺陷，且激励频率大都限制在1M以下；而且多路切换开关的选用不可避免的存在串扰、泄露、及噪声等通道差异性，异步分时数据采集模式也将造成数据解调结果不准确和系统稳定性差，因此提高EIT系统的激励源和采集模块的频率和精度，改进测量方式是提高EIT系统成像分辨率的关键。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统及其成像方法，该系统可实现高质量的人体呼吸过程中肺内电阻抗分布图像。

本发明实现目的的技术方案是：

一种基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统，包括激励源模块、采集卡模块、控制器模块，三个模块均通过PXI总线连接，激励源模块通过传感器电极连接人体胸腔，采集卡模块包括信号调理电路和采集卡、数字IO板卡，控制器模块连接人机交互模块。

而且，激励源模块包括激励源、激励源调理电路及切换开关，激励源采用NIPXI-5404信号源板卡，能够产生10K—100MHz的正弦信号，根据控制器的指令产生相应频率、相位和幅值的正弦电压，通过调理电路的低通滤波电路滤除高频杂散谱线，再通过调理电路的压控电流源电路把正弦电压转化为正弦电流作为激励源传送到切换开关即多路复用器板卡的公共端，通过传感器电极注入到人体胸腔，正弦电流小于5mA，激励频率为10KHz—10MHz之间进行扫频；压控电流源电路采用Howland电流源，低通滤波电路采用的巴特沃斯二阶低通滤波器。

而且，所述切换开关采用两块NIPXI-2501多路复用器开关板卡，一块开关板卡公共端与激励源连接，另一块开关板卡公共端与地连接，该开关板卡具有24个通道，并带有硬件触发器，默认为相邻激励同步测量，通过依次选择相邻电极设定为激励源位置和接地位置，将激励施加到传感器电极阵列上，在被测对象内部建立敏感场分布，传感器电极是由48个独立的心电电极按三层等间距粘贴在人体胸部外围。

而且，所述激励源模块的传感器电极把采集到的电压信号利用采集卡模块的信号调理模块先进行初步放大，再经过可编程增益放大器放大到采集卡即示波器采集适配器所要求的电压范围内，信号调理模块包括预放大和可编程增益放大器，可编程增益放大器由数字IO板卡NI6509控制。

而且，所述示波器采集适配器采用两块NI5752，配合48路相同且独立的差分放大器和可编程增益放大器电路，以50MS/s的采集频率进行同步数据采集，采集到的模拟电压信号经过模数转换，把数字信号传送到FlexRIOFPGA模块进行解调，得到测量电压信号的实部和虚部信息。

而且，所述数字信号传送到FlexRIOFPGA模块进行解调采用正交序列解调方法，其算法如下：

设r(n)为同相参考信号，q(n)为正交参考信号，u(n)为测量信号，R为实部分量，I为虚部分量，θ为介质引起的相移，N为一个信号周期的采样数，n的取值范围为0≤n≤N-1

r(n)＝cos(2πn/N)

q(n)＝sin(2πn/N)

u(n)＝Acos(2πn/N+θ)

$R=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r\left(n\right)u\left(n\right)=\frac{1}{2}\mathrm{NA}\cos \mathrm{\θ}$

$I=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}q\left(n\right)u\left(n\right)=\frac{1}{2}\mathrm{NA}\sin \mathrm{\θ}.$ 一种基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像方法，步骤如下：

⑴通过计算机用户界面向控制器写命令设定激励电流的初始激励频率、相位、幅值，或者直接使用默认值；

⑵信号源板卡根据控制器的指令产生相应频率、相位、幅值的正弦电压，通过滤波电路、压控电流源电路产生交变的正弦电流作为激励源传送到多路复用器板卡的公共端；

⑶多路复用器板卡根据程序设定依次选择相邻传感器电极，将激励电流注入人体胸腔内部，形成敏感场；

⑷传感器电极阵列把采集到的电压信号先进行初步放大，再经过可编程增益放大器放大到示波器采集适配器所要求的电压范围内，示波器采集适配器把采集到的模拟电压信号进行模数转换，把数字信号传送到FlexRIOFPGA模块进行数字解调得到被测量的实部和虚部信息，通过PXI总线上传到计算机中；

⑸人机交互界面将利用处理后的数据进行曲线绘制、图像重建、数据分析等并在相应的选项菜单界面进行实时显示。

本发明的优点和积极效果是：

1、本系统采用Labview图形化开发环境的系统设计及虚拟仪器模块化设计，具有良好的人机交互界面，能够最大限度减少应用程序的开发时间和维护成本，确保软件产品具备最优性能，最大化软件资源，开发高效强大的系统设计。

2、本系统基于NI的PXI集成机箱控制器及配套的信号源板卡、多路复用器开关板卡、多路数字I/O口、示波器采集适配器Adapter和FlexRIOFPGA模块，具有传输速度快、抗噪能力强、系统误差小、检测精度高等优点。

3、本系统由Labview编程环境的内在兼容性和NI板卡硬件模块支持热插拔的特性，将会使得本系统能够灵活的根据特定的临床应用配置系统并且在将来的系统硬件升级也将变得非常简单。

4、本系统基于PXI总线传输协议，具有极高传输数据的能力，能够有高达528Mbyte/s的传输性能，能够实现大量数据的实时采集和处理进而实现精确的实时成像。

5、本系统采用1-5mA的安全激励电流，激励频率在10KHz—10MHz之间每隔10KHz进行扫频，每个频段采集100组数据进行运算。

6、本系统激励测量模式采用相邻的两个电极作为一组激励电极，其余电极同步采集的模式进行数据的采集。

7、本系统采集过程为在一组激励通道下，其余电极测量数据完毕，示波器采集适配器通过与多路复用器开关板卡握手（即硬件触发）使激励通道切换到下一组激励通道实现精确采集。

8、本系统示波器采集适配器将采集到的数据经过A/D转换之后实时传送到FlexRIOFPGA模块进行数字解调，将解调得到的实部和虚部信息再传输到计算机中。。

9、本系统借助于PXI总线高度集成的硬件和软件工具套件，构建三层共48个电极的三维电阻抗成像系统，通过选通开关，依次选择一对相邻的激励电极，向胸腔内注入安全的交流电流，同步采集其余电极上的电压信号，经滤波、放大、模数转换、解调、传输，最后经图像重建算法在计算机上获得呼吸过程中胸腔内部电阻抗敏感区域的分布图像，较已有电阻抗成像系统具有测量精度高、速度快、可靠性高、对人体无损伤、可实现连续实时床旁监护等优点，可供临床连续监测人体肺部呼吸过程变化。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明的激励源信号调理电路示意图；

图3是本发明的数据采集处理电路示意图；

图4本发明的数字解调模块示意图

图5是本发明的人机交互界面首页示意图；

图6是本发明的系统流程框图。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统，其结构示意图如图1所示。该系统包括激励源模块、采集卡模块、控制器模块，三个模块均通过PXI总线连接，激励源模块通过传感器电极连接人体胸腔，采集卡模块包括信号调理电路和采集卡、数字IO板卡，控制器模块连接人机交互模块。

激励源模块包括激励源、激励源调理电路及切换开关，参见图2，激励源采用NIPXI-5404信号源板卡，能够产生10K—100MHz的正弦信号，根据控制器的指令产生相应频率、相位和幅值的正弦电压，通过调理电路的低通滤波电路滤除高频杂散谱线，再通过调理电路的压控电流源电路把正弦电压转化为正弦电流作为激励源传送到切换开关（多路复用器板卡）的公共端，通过传感器电极注入到人体胸腔，正弦电流小于5mA，激励频率为10KHz—10MHz之间进行扫频。压控电流源电路采用改进的Howland电流源，具有较强的驱动负载的能力，较高的输出阻抗能够在负载发生变化时输出电流不会发生太大的变化，因而能够提高激励源的精确度。低通滤波电路采用的巴特沃斯二阶低通滤波器，压控电流源电路采用的是改进的howland电流源。

切换开关采用两块NIPXI-2501多路复用器开关板卡，一块开关板卡公共端与激励源连接，另一块开关板卡公共端与地连接。该开关板卡具有24个通道，并带有硬件触发器。根据程序设定（在如5所示的人机交互界面“系统设置”选项菜单里可以设置）可以选择相邻激励相邻测量、相邻激励同步测量、相对激励相邻测量、相对激励同步测量等模式(包含同层和非同层)，本系统默认为同层相邻激励同步测量，通过依次选择相邻电极设定为激励源位置和接地位置，将激励施加到传感器电极阵列上，在被测对象内部建立敏感场分布，传感器电极是由48个独立的心电电极按三层等间距粘贴在人体胸部外围。

激励源模块的传感器电极把采集到的电压信号利用采集卡模块的信号调理模块先进行初步放大，再经过可编程增益放大器放大到采集卡（示波器采集适配器）所要求的电压范围内，信号调理模块包括预放大和可编程增益放大器，可编程增益放大器由数字IO板卡NI6509控制。由于传感器电极所采集到的电压信号比较弱，需要经过初步放大，为了保证小信号不被淹没，经过试验后本系统预放大倍数为100倍；此时距离传感器电极较近的测量电极测得的电压经放大后超出了后续的模数转换所要求的范围，而距离传感器电极较远的测量电极测得的电压经放大后仍然较小，所以需要经过可编程增益把大电压信号进行适当的缩小，小电压信号则进行适当的放大，放大倍数为0.64、1.26、2.52、5.01四档，从而保证了后续的模数转换能够精确的把采集到的模拟量电压信号转化为数字信号。

示波器采集适配器采用两块NI5752，配合48路相同且独立的差分放大器和可编程增益放大器电路，以50MS/s的采集频率进行同步数据采集。采集到的模拟电压信号经过模数转换，把数字信号传送到FlexRIOFPGA模块（NIPXI-7953R）进行解调，得到测量电压信号的实部和虚部信息。本系统采用数字解调，其框图如图4所示，相对于模拟解调数字解调能够减少模拟量在传输过程中受噪声影响的机会和途径。

本发明充分利用FPGA的IP核资源，采用正交序列解调方法，其算法如下：

设r(n)为同相参考信号，q(n)为正交参考信号，u(n)为测量信号，R为实部分量，I为虚部分量，θ为介质引起的相移，N为一个信号周期的采样数，n的取值范围为0≤n≤N-1。

r(n)＝cos(2πn/N)(1)

q(n)＝sin(2πn/N)(2)

u(n)＝Acos(2πn/N+θ)(3)

$R=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r\left(n\right)u\left(n\right)=\frac{1}{2}\mathrm{NA}\cos \mathrm{\θ}---\left(4\right)$

$I=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}q\left(n\right)u\left(n\right)=\frac{1}{2}\mathrm{NA}\sin \mathrm{\θ}---\left(5\right)$

利用FPGA内部的DDS（直接数字合成）IP核产生与激励频率相同的正余弦参考数字信号，保证正交序列解调中参考信号与测量信号一致；再利用FPGA内部的MAC（乘累加器）IP核进行乘累加，从而得到测量电压的实部和虚部信息，先存入FIFO（数据缓存器）中，再通过PXI总线上传到上位机。

一种基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像方法，步骤如下：

⑴通过计算机用户界面向控制器写命令设定激励电流的初始激励频率、相位、幅值，或者直接使用默认值。

⑵信号源板卡根据控制器的指令产生相应频率、相位、幅值的正弦电压，通过滤波电路、压控电流源电路产生交变的正弦电流作为激励源传送到多路复用器板卡的公共端。

⑶多路复用器板卡根据程序设定依次选择相邻传感器电极，将激励电流注入人体胸腔内部，形成敏感场。

⑷传感器电极阵列把采集到的电压信号先进行初步放大，再经过可编程增益放大器放大到示波器采集适配器所要求的电压范围内，示波器采集适配器把采集到的模拟电压信号进行模数转换，把数字信号传送到FlexRIOFPGA模块进行数字解调得到被测量的实部和虚部信息，通过PXI总线上传到计算机中。

⑸人机交互界面将利用处理后的数据进行曲线绘制、图像重建、数据分析等并在相应的选项菜单界面进行实时显示。

上位机的人机交互界面将根据上传的数据进行曲线的绘制（在曲线波形菜单下能够看到各个频率下对应的数据曲线）、图像重建（在图像显示菜单下能够看到肺部呼吸过程的动态图像）和数据分析（在数据分析菜单下能够看到存储的数据及每幅图的信噪比等）。本系统的图像重建有反投影算法、高斯牛顿动态成像算法、牛顿拉夫逊算法、共轭梯度算法等多种算法可供用户选择，默认是利用电学断层图像重建算法“高斯—牛顿动态成像算法”进行成像。

下面以采用系统默认值阐述具体操作流程：

在计算机与硬件连接好后，启动人机交互界面，首先点击“空场标定”，等待空场标定完毕，然后点击“启动”按钮，系统开始正常工作。在“曲线波形”菜单中能够看到对应频率下的实时数据曲线（如边界测量电压曲线），在“图像显示”菜单中可以看到肺部呼吸过程的动态图像。在“数据分析”菜单下可以看到上传来的数据及每幅图像对应的信噪比。采集完毕后点击“停止”按钮，结束数据采集，在“退出系统”菜单下点击退出系统，退出该人机交互界面。

人机交互模块的上位机界面如图5所示，利用Labview编写的人机交互界面，首页为“欢迎界面”显示刚进入系统的画面，上面有三个按钮从左到右分别为空场较定、启动和停止按钮在六个菜单界面都可以操作；第二个菜单为“系统设置”，可以设置激励源的频率、相位、幅值、激励测量方式等；第三个菜单为“曲线波形”，可以实时显示不同频率对应的数据曲线，第四个菜单为“图像显示”，可以实时显示被测胸腔内肺部的呼吸过程；第五个菜单为“数据分析”，可以查看采集上来并存储的数据，并能实时显示每一帧图像的信噪比；第六个菜单为“退出系统”当采集完数据后，在这个界面下可以正常的退出系统。系统工作流程图如图6所示，具体的实施步骤如下：

首先在人机交互界面“系统设置”菜单下设置好激励源的激励频率、相位、幅值，其中激励频率范围为10KHz—10MHz，初始激励频率默认值为10KHz,每隔100KHz进行扫频，每个频段采集100组数据，也可以单独设定以固定频率进行激励；初始相位可以在0—360度调节，默认值为0；幅值范围为1mA—5mA，设置好后点击保存。也可以不进行设置，采用系统默认值直接运行。

Claims (3)

1.一种基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统，其特征在于：包括激励源模块、采集卡模块、控制器模块，三个模块均通过PXI总线连接，激励源模块通过传感器电极连接人体胸腔，采集卡模块包括信号调理电路和采集卡、数字IO板卡，控制器模块连接人机交互模块；

激励源模块包括激励源、激励源调理电路及切换开关，激励源采用NIPXI-5404信号源板卡，能够产生10K—100MHz的正弦信号，根据控制器的指令产生相应频率、相位和幅值的正弦电压，通过激励源调理电路的低通滤波电路滤除高频杂散谱线，再通过激励源调理电路的压控电流源电路把正弦电压转化为正弦电流作为激励源传送到切换开关即多路复用器板卡的公共端，通过传感器电极注入到人体胸腔，正弦电流小于5mA，激励频率为10KHz—10MHz之间进行扫频；压控电流源电路采用Howland电流源，低通滤波电路采用的巴特沃斯二阶低通滤波器；

所述切换开关采用两块NIPXI-2501多路复用器开关板卡，一块开关板卡公共端与激励源连接，另一块开关板卡公共端与地连接，该两块开关板卡均具有24个通道，并带有硬件触发器，默认为相邻激励同步测量，通过依次选择相邻电极设定为激励源位置和接地位置，将激励施加到传感器电极阵列上，在被测对象内部建立敏感场分布，传感器电极是由48个独立的心电电极按三层等间距粘贴在人体胸部外围。

2.根据权利要求1所述的基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统，其特征在于：所述激励源模块的传感器电极把采集到的电压信号利用采集卡模块的信号调理模块先进行初步放大，再经过可编程增益放大器放大到采集卡即示波器采集适配器所要求的电压范围内，信号调理模块包括预放大和可编程增益放大器，可编程增益放大器由数字IO板卡NI6509控制。

3.根据权利要求2所述的基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统，其特征在于：所述示波器采集适配器采用两块NI5752，配合48路相同且独立的差分放大器和可编程增益放大器电路，以50MS/s的采集频率进行同步数据采集，采集到的模拟电压信号经过模数转换，把数字信号传送到FlexRIOFPGA模块进行解调，得到测量电压信号的实部和虚部信息。