CN104007322B - 一种用于电阻抗成像的高精度数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，该系统采用主控制模块、可编程电流源、电极接口模块、电压测量模块、电流检测模块、数字解调模块、通讯接口模块等构建，通过电流检测模块和可编程电流源实现成像目标区域激励电流的准确调控、通过电极接口模块中的电极选择开关系统实现分布差数的有效抑制、电极接口模块中的电极导线双重屏蔽系统实现外界干扰的有效阻断、通过数字解调模块实现响应信号与激励信号的相关解调。可以有效抑制电阻抗成像数据采集系统中的分布参数与外界干扰的影响问题，降低测量结果的非线性误差并提高测量数据的信噪比，破解电阻抗成像研究中数据采集精度难以进一步提高的关键性问题，有着重要的应用价值。

Description

一种用于电阻抗成像的高精度数据采集系统

技术领域

本发明属于电阻抗成像技术领域，涉及电阻抗成像数据采集技术，特别是一种用于电阻抗成像的数据采集系统。该系统通过对激励电流的反馈调控、电极接口的合理设计和被测阻抗信息的准确解调，实现电阻抗信息的准确采集，以满足电阻抗成像要求。

背景技术

电阻抗成像技术基于不同的生物组织具有不同的电阻率特性、病理生理功能的改变也会显著改变组织电阻抗特性这一特点，通过贴放在体表的电极依次向人体注入弱的、对人体完全无创的交流电流，并测量各相关电极对上的响应电压信号，再通过特定的图像重构算法构建出能反应目标区域内组织电阻率分布情况的图像的新型医学成像技术。由于活体组织的电阻率与组织的功能状态密切相关，因而电阻抗成像技术具有功能成像优势，能够实现相关疾病的超早期检测。加之成像过程中不需要使用射线、核素等对人体有害的媒介，具有无创、低成本等优势，能较好弥补现有医学成像技术的不足，因而是当前相关领域的研究热点。

在电阻抗成像过程中，由于电流在体内的非线性分布特性，图像重构过程具有严重的病态性，测量数据的微小扰动有可能导致较大的重构误差，因而要求数据采集系统具有极高的测量精度。一般认为，对于用于胸腹部成像的系统，其测量精度应优于0.1％，而对于用于脑部的系统，其测量精度应优于0.01％。在电阻抗成像常用的频率范围内，如何达到如此高的测量精度是当前电阻抗成像技术领域中的两大关键难题之一。

电阻抗成像数据采集系统一般主要由激励源、电压测量模块和电极接口模块等部分共同构成。其中激励源依据需要产生所需频率与幅度的激励电流信号，并通过接口模块，依次选择所需的激励电极注入成像目标内；随后电压测量电路通过接口模块依次测量各测量电极对上的响应电压差信号，并解调成相应的数字信号，传给上位机中的图像重构模块进行图像重构。在这一过程中，不仅激励源与电压测量模块自身的性能会对系统的最终测量精度产生重要影响，电极接口模块中的电子开关、电极引线等关键部件也会对测量系统产生重要影响，处理不好会显著降低系统的性能。

既往的研究表明，在激励源和电压测量模块相对成熟的情况下，电极接口模块中用于电子开关的输入/输出端等效电容、电极导线的分布参数是引入外界干扰、分流激励电流、改变目标区域电流分布并加重非线性误差，从而最终导致系统测量精度恶化的主要环节。如何降低这种影响是进一步提高电阻抗成像系统研发中的关键问题。为此，国外有研究采用有源电极技术建立并行化的数据采集系统，在各电极上均直接集成上激励源与电压测量模块的前端电路，以期减少电子开关的使用，并消除电极导线的影响。但这种方法并不能完全避免电子开关的使用，而且并行化的结构不仅会导致成像系统结构变得极为复杂，增加系统造价，还会因各通道间的一致性问题引入新的误差。电极导线的取消也会导致系统使用的便捷性大大降低，无法用于长时间的连续动态监护等应用场合。故而这种方法应用较少，也未取得较好的结果。

针对分布参数的分流作用对激励电流的影响问题，有研究提出在电流源的输出端并联负阻抗发生器，用以生成与这些分布参数大小相等、方向相反的负阻抗负载，中和分布参数影响的解决思路，但由于负阻抗发生器一方面存在只能针对固定的频率进行中和，难以适应宽频系统使用要求的问题，另一方面还存在着会严重影响系统的稳定性，易导致测量系统自激振荡的问题，因而尚未被广泛接受。

因而围绕电极接口环节对系统测量精度的影响，发明一种能够有效改善接口模块性能的系统化的综合解决方案，从而显著提高电阻抗信息采集的准确性与可靠性，在电阻抗成像等相关技术领域中有着重要的应用价值，并将对电阻抗成像技术的进一步研究与应用产生积极的推进作用。

发明内容

针对现有电阻抗成像技术对高精度电阻抗信息采集的需求，以及现有数据采集技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种新的电阻抗成像数据采集系统的实现技术与方法，以达到对激励电流的精准控制和对外界干扰的有效抑制，从而进一步提高电阻抗信息采集准确性与可靠性。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案予以实现：

一种用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，其特征在于，该系统的主要部件包括：

一系列粘贴于被测目标表面的电极，用于采集目标区域的电阻抗信息；

一个可编程电流源，用以产生所需频率与幅度的激励电流信号；

一个电极接口模块，用于选择激励与测量电极；

一个电压测量模块，用于测量选定电极对间的响应电压差信号；

一个电流检测模块，用于检测实际注入目标区域的电流强度；

一个数字解调模块，用于计算被测电阻抗信息；

一个通讯接口模块，用于与上位机进行通讯并上传采集到的电阻抗信息；

一个主控制模块，该主控制模块分别连接可编程电流源、数字解调模块、电极接口模块、通讯接口模块，用于对系统工作状态与采集过程进行控制，该主控制模块依据上位机的指令对依据所建立的数据采集系统工作状态进行配置并对数据采集过程进行管理；在数据采集过程中，主控制模块实时监测激励电流的实际强度，当实际电流强度与预期值偏离达到一定程度时，自动调节可编程电流源的输出幅值，以确保成像目标区域实际注入的电流满足要求。

在上述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统中，所述的可编程电流源由可编程信号发生器和电压电流转换器共同构成，其中：

所述的可编程信号发生器的输出信号幅度可控，幅度调控分辨率不低于12位，且在输出幅度调整过程中，输出信号的相对谐波失真量不发生显著改变；

所述电压电流转换器可将输入电压按特定比例转换成电流信号输出，且输出电流可通过公共的参考地电平返回。

在上述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统中，所述的电极接口模块由电极导线双重屏蔽系统和电极选择开关系统共同组成，其中；

所述的电极导线双重屏蔽系统由电极导线和针对每根电极的屏蔽驱动单元共同构成；

所述的电极导线由多根同轴电缆和包裹于这些同轴电缆外围的总屏蔽层共同构成；各电缆的芯线分别与1个电极相连，屏蔽层与上述的屏蔽驱动单元相连；总屏蔽层与地电平相连；

所述的屏蔽驱动单元由1个具有高输入阻抗特性的电极电压缓冲器级联1个具有高输出负载能力的屏蔽驱动器共同构成。

在上述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统中，所述的屏蔽驱动单元中的电极电压缓冲器的输入端与上述同轴电缆的芯线直接相连用于检测电极电位，其增益为1，其对地等效电容与上述的电极选择开关的分布电容之和应不超过5pF，输入阻抗不小于10MΩ；

所述的屏蔽驱动器的输出端与同轴电缆的屏蔽层相连，其增益为1并具备驱动0.1uF以上的容性负载能力。

在上述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统中，所述的电极接口模块中的电极选择开关系统为上述的可编程电流源分配1个“一选多”电子开关以选择激励电流注入电极；为各电极分别分配1个单刀双掷电子开关用以确定是将电极连接到电流源选择电子开关还是电流检测模块；其中：

所述的单刀双掷电子开关的分布电容与上述电极电压缓冲器的对地等效电容之和应不超过5pF，导通电阻应满足如下公式：

在上述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统中，所述的电压测量模块主要由差分放大器和程控增益放大器构成，可以采用以下模式之一组成：

1)串行测量模式：由1个差分放大器、1个程控增益放大器和1个“多选二”电子开关共同构成：“多选二”电子开关用于通过上述的多个电极电压缓冲器选择1对待测电极上的电位信号，并将其送往差分放大器的输入端，从而得到两电极间的电位差；程控增益放大器将测得的电位差放大至适宜的幅度后传递给后续的数字解调模块；

2)并行测量模式：由多个差分放大器和多个程控增益放大器共同构成，每对电极均通过上述的电极电压缓冲器与1个独立的差分放大器相连，各差分放大器后面均紧跟1个独立的程控增益放大器，后者将所测信号放大至适宜的强度并传递给后续的数字解调模块。

在上述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统中，所述的电流检测模块应具有虚地效果，能将被测电流换成与之有对应关系的电压信号，并传递给数字解调模块。

在上述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统中，所述的数字解调模块由模数转换单元和数字运算单元共同构成，其中：

所述的模数转换单元由用于1个专门用于电流检测的模数转换器和若干用于电压测量的模数转换器共同构成，用电压测量的模数转换器的数目由上述的电压测量模块的构成方式决定：采用串行模式时，只需1个公用的模数转换器，采用并行模式时，每个电极对各有1个专用的模数转换器；

所述的各模数转换器应高度匹配，应具有16位或更高的转换精度、高于系统工作频率的带宽，能够保证对激励电流或响应电压信号的每周期4N点以上快速采样的转换速率，N为正整数；

所述的模数转换单元中各模数转换器依据同一采样控制脉冲进行信号的同步采集与模数转换，采样频率为信号频率的4N倍，N为正整数。

在上述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统中，所述的数字解调模块中的数字运算单元可以在系统中的主控单元或专用的数字运算模块中完成，主要通过对激励电流与响应电压差的分别解调和相关解调两个过程实现被测阻抗信息的解调，其中：

所述的激励电流与响应电压差的解调过程采用正交序列数字解调法或离散傅利叶变换等数字解调方式计算出各信号的幅值和相位信息；

所述的相关解调过程依据响应电压差与激励电流的相关性采用如下公式计算被测阻抗信息：

被测电阻抗相位＝响应电压差相位-激励电流相位。

综上，本发明的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，带来的技术效果在于：

1)通过可编程电流源技术结合返回端电流检测技术对成像目标体内的激励电流的强度进行准确调控，从而保证了目标区域内的实际电流分布符合预期水平；

2)采用新技术和电子元件优选方法，可有效地减小存在于电极接口模块中的分布电容，并减小其对电流的分流效应对目标区域内的电流分布的影响，使检测结果与真实结果更加逼近，从提高测量结果的准确性；

3)提出的电极导线的双重屏蔽措施，即能保证成像过程中电极贴放的便捷性，提高成像技术的易用性，又可有效减小外界干扰对测量结果的影响，进一步提高了测量结果的可靠性；

4)利用响应电压与检测电流之间的对应关系实现被测阻抗信息的采集，可有效降低激励电流的期望值与实际值之间的偏差的影响，进一步提高检测结果的准确性。

综上，本发明建立了用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，并确定了部分关键性元器件的选择依据，在进一步提升电阻抗成像技术性能、推进技术的临床应用方面有着重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统原理框图；

图2是本发明的基于FPGA与DAC的可编程信号发生器的实现原理图；

图3-1是电压电流转换器电路原理图；

图3-2是具有电流镜结构的运算放大器原理图；

图4是屏蔽驱动单元电路原理图；

图5-1是电极接口模块对激励电流的等效电路；

图5-2是简化的电极接口模块对激励电流的等效电路；

图6-1是串行模式的电压测量模块电路原理图；

图6-2是并行模式的电压测量模块电路原理图；

图7是电流检测模块电路原理图；

图8是解调模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明的技术思路是，采用可编程电流源产生激励电流，通过电极接口模块选择激励与测量电极，从而将激励电流注入被测目标区域并通过电压放大器测量响应电压信号；采用电流检测模块检测从目标区域流出的电流强度，并根据所测结果调整电流源的输出幅度；最终通过对响应电压与检测电流的数字解调和相关性运算实现被测阻抗信息的准确提取。

1、工作原理

理论上，电阻抗测量方法有两种：一种是电压激励电流测量模式，即向目标物体施加幅度和相位已知的电压并测量响应电流的方法；另一种是电流激励电压测量的方式，即向目标内注入已知大小的电流并测量响应电压的方法。在生物组织电阻抗测量时，由于激励信号的施加与响应信号的检出均需通过电极进行，而电极在与人体接触时会因导电介质的相互转换而产生相应的极化电位和接触阻抗。前面所述的电压激励电流测量方法中因接触阻抗会被当作被测阻抗的一部分而很难被抑制，从而导致显著的测量误差，因而在电阻抗成像领域很少使用。

由于以上原因，用于电阻抗成像的测量系统多采用电流激励电压测量的工作模式：采用恒流源产生激励电流并通过电极接口，依次选择不同的电极对进行激励，再由电压测量电路依次测量各相邻电极对上的电压差信号。因而这些系统一般由电流源、电极接口和电压测量模块等三个核心部件构成。

由于电流在人体内的非线性分布特性，电阻抗成像数据采集系统通常需具有很高的测量精度。为达到这一目标，通常的做法是研制具有尽可能高性能的电流源和电压测量模块。这种做法虽然能够在一定程度上提高系统的测量整体精度，但当精度达到一定水平后，这种方法的效果便很难进一步提高。其根源在于电极接口模块中电子开关的分布参数对于激励电流的分流作用和电极导线对外界干扰的耦合作用，具体分析如下：

对于电子开关，其主要性能指标除通道间的串扰和隔离程度外，关键的指标就是导通电阻和对地电容。理想情况下，电子开关的导通电阻和对地电容应尽可能小，但在现有技术条件下两者是相互矛盾，难以兼顾：导通电阻小时对地电容就相对较大，而对地电容小的导通电阻又相对较大。在电阻抗成像数据采集过程中，特别是在测量频率相对较高的情况下，一方面由于电流源的输出阻抗和电压测量电路的输入阻抗不可能无限大，大的导通电阻会与这些输入、输出阻抗共同产生明显的分压效应，影响系统的有效增益和实际的输出电流；另一方面则由于对地电容的分流效应会进一步降低电流源的输出阻抗和放大器的输入阻抗，并导致分布于目标体内部的电流通过各电极上的电子开关流出目标区域，影响测量结果的准确性。因而，电子开关是降低电流源与电压放大器性能、导致非线性误差的重要因素。

对于电极导线，一方面，其对地会形成分布电容，与电子开关的分布电容产生相似的分流做用从而引起非线性误差，另一方面又会通过空间耦合作用引入空间干扰，从而降低测量数据的信噪比。

针对以上问题，如图1所示，本实施例给出一种用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，该系统的主要部件包括：

一系列粘贴于被测目标表面的电极，用于采集目标区域的电阻抗信息；

一个可编程电流源，用以产生所需频率与幅度的激励电流信号；

一个电极接口模块，用于选择激励与测量电极；

一个电压测量模块，用于测量选定电极对间的响应电压差信号；

一个电流检测模块，用于检测实际注入目标区域的电流强度；

一个数字解调模块，用于计算被测电阻抗信息；

一个通讯接口模块，用于与上位机进行通讯并上传采集到的电阻抗信息；

一个主控制模块，该主控制模块分别连接可编程电流源、数字解调模块、电极接口模块、通讯接口模块，用于对系统工作状态与采集过程进行控制，该主控制模块依据上位机的指令对依据所建立的数据采集系统工作状态进行配置并对数据采集过程进行管理。

其工作流程是：主控制模块通过通讯接口模块接收上位机的指令，依据指令设置可编程电流源的输出信号幅度与频率，再通过电极接口模块中的电极选择开关系统选通一个激励电极用以向目标体注入激励电流、选通一个与激励电极相对应的电流流出电极，并通过电流检测模块检测返回端流出的电流，随后通过数字解调模块对电流信号进行解调以获取实际注入目标体内的电流强度和相位，最后主控制模块对比激励电流的预期值与实测值之间的差异，当差异达到一定程度时，调整可编程电流源的输出幅值，使实际注入成像目标区域的电流满足需求。此后，主控制模块控制电流检测模块和电压测量模块，结合随后的数字解调模块采集并解调出返回端电流和响应电压信号。最后数字解调模块通过所得到的响应电压与返回端电流之间的相关运算，确定被测阻抗的幅度与相位信息。通过以上措施，系统可以有效减少分布电容的分流作用对有效激励电流强度的影响，降低非线性误差。

为抑制由电极导线引入的分布电容和外界干扰问题，本实施例采用双重屏蔽技术对电极导线进行屏蔽：各电极导线均采用同轴电缆并在外围施加总的屏蔽层，对各导线采用的屏蔽驱动技术，使导线的屏蔽层与芯线保持等电位，从而在减小导线分布电容对激励电流的分流作用、提高电压测量电路的有效输入阻抗的同时，阻断外界干扰的耦合途径。导线外围的总屏蔽层接地处理，从而进一步减小电极导线与被测目标共同形成的环路面积，降低对空间干扰的耦合效应。

2、可编程电流源

本实施例的可编程电流源由可编程信号发生器和电压电流转换器两部分构成。其中可编程信号发生器可依据主控制器指令输出不同频率与幅度的交流信号，且输出信号应具有较低的幅度与相位噪声。为实现这一目标，可以利用数字合成技术，基于可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)器件结合输出量程可编程控制的具有16位精度的高速数模转换器(digital to analog converter，DAC)共同构成；也可以采用具有14位以上精度的直接数字合成(Direct Digital Synthesizer，DDS)芯片结合程控增益放大器实现。不论采用以上哪种方式，或采用其它任何可以实现输出信号幅度与频率精确可控的信号发生技术，只要满足输出信号的信噪比高于系统要求且满足量程幅度可以不低于12位的分辨率线性调整，即可用于本技术方案。

图2给出了一种基于FPGA与DAC相结合的可编程信号发生器解决方案。该解决方案程采用控时钟发生器、波形存储器、地址发生器、16位DAC、低通平滑滤波器等部件实现。其中波形存储器和地址发生器集成在1片高速大规模FPGA内部。其工作原理是：首先，在波形存储器中预存一个完整周期正弦信号的等间隔采样数据，采样数据具有16位的精度；然后，在主程序控制器控制下，可编程时钟发生器输出所需频率的时钟信号，该时钟信号被送往FPGA中的地址发生器(计数器)，由后者生成周期性的寻址信号并被送往波形存储器，从而周期性地读出这些采样数据并依次送往DAC进行转换，形成阶梯波信号，最后经低通平滑滤波器滤除高次谐波，完成正弦波信号的重建。输出信号的幅度由主控制器通过调整DAC的输出量程寄存器内容而调整。输出信号的频率可以通过改变可编程时钟信号发生器的频率来实现：设波形存储器中存储着对完整周期正弦信号的N点等间隔采样值，则合成信号的输出频率为：

电压电流转换器主要功能是将可编程信号发生器产生的电压信号转换成对应幅度的电流信号。虽然电压电流高精度转换的成熟技术有很多，但因为本技术方法对于返回端电流检测的特殊需求，本实施例中的电压电流转换器的输出电流必须能够通过参考电平(地电平)返回。因此，图3-1示出了一种能够满足这一要求的电压电流转换器的电路原理图。该电路主要由1个缓冲放大器和一个具有电流镜结构、用于电流转换的运算放大器构成。用于电流转换的运算放大器自身具有图3-2所示的结构，其工作原理是：当输入端有一电压Vin输入时，通过前级的电压跟随器的作用将输入电压原样送到反相输入电阻R_IN两端，从而在该电阻上形成一个与输入电压成正比的电流I_IN。由运放内部的电流镜结构决定，运放的次级会产生与I_IN大小相等的电流，该电流一部分通过内部的漏电阻Rt和分布电容Ct泄漏外，其余通过T_z端输出。

由于Rt//Ct一般可达MΩ级，若在T_Z与参考地之间连接一负载Z_L，在Z_L<<Rt//Ct的条件下，负载Z_L上的电流近似等于运放反相输入电流I_IN。因而图3-1所示的电压电流转换器的输出电流I_out与输入电压V_in之间的对应关系为：

图中的前级缓冲放大器采用具有高速、低输出电阻特性的运算放大器实现，主要用于消除电流转换放大器的反相输入电阻R_IN的影响，保证输出电流I_out与阻抗Ri//Ci相关。

由于电流源输出端直接与电极接口模块中的“一选多”电子开关的公共端相连，且该端口分布电容一般可达数十pF以上，对激励电流的分流作用极其显著，因而本实施例图3-1所示的电路中添加了电容Ci以在一定程度上补偿该对地电容的影响。

3、电极接口模块

本实施例的电极接口模块的结构框图如图1中虚线所示。由电极选择开关系统和电极导线双重屏蔽系统共同构成。其中，电极导线双重屏蔽系统由电极导线和针对每根电极的屏蔽驱动单元共同构成。电极导线由多根同轴电缆和包裹于这些同轴电缆外围的总屏蔽层共同构成，各电缆的芯线分别与对应的电极相连，屏蔽层与屏蔽驱动单元相连，从而使其与芯线处于等电位状态。总屏蔽层与地电平相连。

各电极引线端的屏蔽驱动单元一方面起到将电极导线的屏蔽层与芯层强制保持在同一电位水平的作用，另一方面也起到对电极电压的缓冲放大作用。图4是本实施例的屏蔽驱动单元电路原理图，由电极电压缓冲器和屏蔽驱动器共同构成。其中电极电压缓冲器采用具有低噪声、低偏置电流等特性的运算放大器实现，其增益为1。其输入端与上述同轴电缆的芯线直接相连用于电极电位检测，其输出同时提供给屏蔽驱动器和后面的电压测量模块。

屏蔽驱动器采用具有高负载能力的运算放大器实现，其输出端与同轴电缆的屏蔽层相连，其增益同样为1。为避免失真，所选运放应具备驱动0.1uF以上的容性负载能力，以适应较长电极导线的需求。

电极选择开关系统由1个与电流源相连的“一选多”电子开关、一系列与电极直接相连的单刀双掷电子开关共同构成。电极选择开关的工作流程是：当处于静息状态时，接口模块中的所有单刀双掷开关均处于禁止状态，对应的电极与电流源和电流检测模块均不相连。当处于数据采集状态时，主控系统通过“一选多”电子开关选择激励通道，同时使能对应的单刀双掷开关并将电流源与电极接通，将激励电流注入目标体内。同时，主控系统使能电流返回端电极上的单刀双掷开关，并将电极与电流检测模块连通，从而对实现激励电流的检测。

基于以上结构，对于激励电流通道，电极接口模块的综合等效电路如图5-1所示。图中，Ron1和Ron2分别是“一选多”和单刀双掷电子开关的导通电阻，Cd1、Cs1分别是“一选多”电子开关的公共端、选通端分布电容。Cd2、Cs2分别是单刀双掷电子开关的公共端、选通端分布电容。Rin与Rin2分别为屏蔽驱动单元、电流检测模块的输入电阻，Cin与Cin2分别为屏蔽驱动单元、电流检测模块的对地等效电容。Cc为同轴电缆芯线与屏蔽层之间的分布电容，Cline是屏蔽层对地的分布电容。Z_L为被测负载阻抗。

图5-1可以进一步简化为图5-2所示的等效电路。其中，Cp1＝Cd1+Cd2，Cp2＝Cs2+Cin，Cp3＝Cd2+Cin2。从中可以看出：虽然同轴电缆芯线与屏蔽层之间的分布电容Cc会远大于其它分布电容，但由于两者间处于等电位状态，电容Cc的影响可以忽略不计，因而电流源的输出电流在进入被测目标之前主要经电容Cs1、Cp1和Cp2以及电阻Rin向地电平分流，流出被测目标后还会经电阻Rin、Rin2以及电容Cp2、Cp3向地电平分流。如果电流检测模块的输入端具有对虚地的效果，则Rin2和Cp3的影响可以忽略不计；如选择具有10MΩ以上高输入阻抗的缓冲放大器，则Rin的影响也可以忽略不计。此时，设流经被测目标的实际电流为I_L、电流检测模块的输入电流为I_in，则有：

测量电流与实际电流之间的相对误差为：

可见：电流检测的精度主要取决于单刀双掷开关的导通电阻Ron2、屏蔽驱动单元的对地等效电容Cin、单刀双掷电子开关的公共端分布电容Cs2。因而，在接口模块器件选型时，要综合考虑以上参数的影响。在单刀双掷开关的导通电阻选择时应按以下公式为依据：

单刀双掷开关的分布电容与缓冲放大器的对地等效电容之和应不超过5pF以保证电压测量时有足够的等效输入阻抗。故上式可简化为：

4、电压测量模块

本实施例的电压测量模块用于检测各电极对之间的电压差，主要由固定增益的前置差分放大器和用于动态范围调整的程控增益放大器两部分组成。根据系统采集速度与构造复杂性等的综合考虑，电压测量模块可以采用串行模式或并行模式构建。

图6-1是本实施例的基于串行模式的电压测量模块，由1个差分放大器、1个程控增益放大器和1个“多选二”电子开关共同构成：“多选二”电子开关用于通过上述的多个电极电压缓冲器选择1对待测电极上的电位信号，并将其送往差分放大器的输入端，从而得到两电极间的电位差；程控增益放大器将测得的电位差放大至适宜的幅度后传递给后续的数字解调模块

图6-2是本实施例的基于并行模式的电压测量模块，由多个差分放大器和多个程控增益放大器共同构成，每对电极均通过上述的电极电压缓冲器与1个独立的差分放大器相连，各差分放大器后面均紧跟1个独立的程控增益放大器，后者将所测信号放大至适宜的强度并传递给后续的数字解调模块。

图中的前置差分放大器均基于低噪声和高共模抑制比要求结合测量频率范围要求进行选型。程控增益放大器应具有100倍左右的增益调整功能以适应成像数据测量要求。

5、电流检测模块

本实施例的电流检测模块采用图7所示的电路结构，即针对每个电极，分别设置1个单独的电流检测器。各电流检测器与电极之间通过电极接口模块中的单刀双掷开关控制。工作时，主控制器将电流返回端电极与相应的电流检测器连通，后者将该电流转换成与之成正比例关系的电压信号，并通过“多选一”电子开关传给后面的解调模块，进行电流幅度的解调运算。

本实施例中要求电流返回端具有接地的效果，因而采用运算放大器按图中所示结构建立各电极的电流检测器。通过该模式，可利用运算放大器的虚短效应在输入端形成虚地效果，同时利用运算放大器的虚断效应使被测电流全部从反馈电阻R上流过，使其输出电压与被测电流成正比例。

6、数字解调模块

图8是本实施例的数字解调模块结构示意图，数字解调模块由模数转换单元和数字运算单元共同构成。其中模数转换单元由1个专门用于电流检测的模数转换器(Analogto Digital Convertor，ADC)和N个用于电压测量的ADC共同构成。N的数目由上述的电压测量模块的构成方式决定：采用串行模式时，N为1；采用并行模式时，N等于电极数目。

在上述的模数转换单元中，各ADC性能应高度匹配，应具有16位或更高的转换精度，其转换速度应能够保证对被测信号的每周期4N(N为正整数)点的快速采样。采样过程中，主控制器通过同一采样脉冲信号启动并控制各ADC进行同步采集与模数转换。采样脉冲应与激励信号保持严格同步，其频率为激励信号频率的4N倍。

被测阻抗信息的解调在主控制器或专用的数字运算模块实现，解调过程分为两个过程：

(1)采用正交序列数字解调法或离散傅利叶变换等方式计算激励电流和响应电压信号的幅值与相位信息；

(2)利用激励电流和响应电压信号的幅值与相位信息计算被测电阻抗信息。

被测电阻抗信息的计算原理为：若被测阻抗为Z＝|Z|(cosφ+jsinφ)，激励电流为其中|Z|是测阻抗的模值，φ是被测阻抗的相位；I_A是激励电流的幅值，是激励电流的相移。现设R是电流检测器的反馈电阻，电压测量模块的增益为A，则电压测量电路输出端的信号可表示为：

电流检测电路输出端的信号可表示为：

通过上述的过程1，可以分别得与激励电流相关的信号幅度I_AR和相位φ、以及与响应电压差信号相关的幅度|Z|I_AA_V和相位因而依据公式：

被测电阻抗相位＝响应电压差相位-激励电流相位

即可得很容易计算出被测阻抗信息。

由于实际硬件电路难免会存在一定程度的漂移特性，使得激励源的输出在一定程度上随时间变化。本发实施例所述的解调方法的优点在于：通过被测电极与激励电流的相关运算，可以较好的抑制电流源漂移特性对测量结果的影响，从而进一步提高测量结果的精度。

综上，本发明所述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，可通过可电流检测模块和编程电流源实现成像目标区域激励电流的准确调控、通过电极接口模块中的电极选择开关系统实现分布差数的有效抑制、通过电极接口模块中的电极导线双重屏蔽系统实现外界干扰的有效阻断、通过数字解调模块实现响应信号与激励信号的相关解调。本发明所述的技术与方法，可以有效抑制电阻抗成像数据采集系统中的分布参数与外界干扰的影响问题，降低测量结果的非线性误差并提高测量数据的信噪比，破解电阻抗成像研究中数据采集精度难以进一步提高的关键性问题，有着重要的应用价值。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换、移置，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，其特征在于，该系统的主要部件包括：

一系列粘贴于被测目标表面的电极，用于采集目标区域的电阻抗信息；

一个可编程电流源，用以产生所需频率与幅度的激励电流信号；

一个电极接口模块，用于选择激励电极与测量电极；

一个电压测量模块，用于测量选定电极对间的响应电压差信号；

一个电流检测模块，用于检测实际注入目标区域的电流强度；

一个数字解调模块，用于计算被测电阻抗信息；

一个通讯接口模块，用于与上位机进行通讯并上传采集到的电阻抗信息；

一个主控制模块，该主控制模块分别连接可编程电流源、数字解调模块、电极接口模块、通讯接口模块，用于对系统工作状态与采集过程进行控制，该主控制模块依据上位机的指令对依据所建立的数据采集系统工作状态进行配置并对数据采集过程进行管理；在数据采集过程中，主控制模块实时监测激励电流的实际强度，当实际电流强度与预期值偏离达到一定程度时，自动调节可编程电流源的输出幅值，以确保成像目标区域实际注入的电流满足要求；

针对每个所述电极，分别设置1个单独的电流检测器；各所述电流检测器与电极之间通过电极接口模块中的单刀双掷开关控制；所述电流检测器包括相并联的运算放大器和反馈电阻R，应用运算放大器的虚短效应使电流检测输入端达到虚地效果；工作时，所述主控制器将电流返回端电极与相应的电流检测器连通，电流检测器将该电流转换成与之成正比例关系的电压信号，并通过“多选一”电子开关传给所述数字解调模块，进行电流幅度的解调运算。

2.如权利要求1所述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，其特征在于，所述的可编程电流源由可编程信号发生器和电压电流转换器共同构成，其中：

所述的可编程信号发生器的输出信号幅度可控，幅度调控分辨率不低于12位，且在输出幅度调整过程中，输出信号的相对谐波失真量不发生显著改变；

所述电压电流转换器可将输入电压按特定比例转换成电流信号输出，且输出电流可通过公共的参考地电平返回。

3.如权利要求1所述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，其特征在于，所述的电极接口模块由电极导线双重屏蔽系统和电极选择开关系统共同组成，其中：

所述的电极导线双重屏蔽系统由电极导线和针对每根电极的屏蔽驱动单元共同构成；

所述的电极导线由多根同轴电缆和包裹于这些同轴电缆外围的总屏蔽层共同构成；各电缆的芯线分别与1个电极相连，屏蔽层与上述的屏蔽驱动单元相连；总屏蔽层与地电平相连；

所述的屏蔽驱动单元由1个具有高输入阻抗特性的电极电压缓冲器级联1个具有高输出负载能力的屏蔽驱动器共同构成。

4.如权利要求3所述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，其特征在于，所述的屏蔽驱动单元中的电极电压缓冲器的输入端与上述同轴电缆的芯线直接相连用于检测电极电位，其增益为1，其对地等效电容与上述的电极选择开关的分布电容之和应不超过5pF，输入阻抗不小于10MΩ；

所述的屏蔽驱动器的输出端与同轴电缆的屏蔽层相连，其增益为1并具备驱动0.1uF以上的容性负载能力。

5.如权利要求3所述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，其特征在于，所述的电极选择开关系统为上述的可编程电流源分配1个“一选多”电子开关以选择激励电流注入电极；为各电极分别分配1个单刀双掷电子开关用以确定是将电极连接到电流源选择电子开关还是电流检测模块；其中：

所述的单刀双掷电子开关的分布电容与上述电极电压缓冲器的对地等效电容之和不超过5pF，导通电阻应满足如下公式：

6.如权利要求3所述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，其特征在于，所述的电压测量模块主要由差分放大器和程控增益放大器构成，采用以下模式之一组成：

串行测量模式：由1个差分放大器、1个程控增益放大器和1个“多选二”电子开关共同构成：“多选二”电子开关用于通过上述的多个电极电压缓冲器选择1对待测电极上的电位信号，并将其送往差分放大器的输入端，从而得到两电极间的电位差；程控增益放大器将测得的电位差放大至适宜的幅度后传递给后续的数字解调模块；

并行测量模式：由多个差分放大器和多个程控增益放大器共同构成，每对电极均通过上述的电极电压缓冲器与1个独立的差分放大器相连，各差分放大器后面均紧跟1个独立的程控增益放大器，后者将所测信号放大至适宜的强度并传递给后续的数字解调模块。

7.如权利要求1所述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，其特征在于，所述的电流检测模块应具有虚地效果，能将被测电流换成与之有对应关系的电压信号，并传递给数字解调模块。

8.如权利要求1所述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，其特征在于，所述的数字解调模块由模数转换单元和数字运算单元共同构成，其中：

所述的模数转换单元由用于1个专门用于电流检测的模数转换器和若干用于电压测量的模数转换器共同构成，用于电压测量的模数转换器的具体数目由上述的电压测量模块构成方式决定：采用串行模式时，只需1个公用的模数转换器，采用并行模式时，每个电极对各有1个专用的模数转换器；

所述的模数转换单元中各模数转换器在性能上应高度匹配，应具有16位或更高的转换精度、高于系统工作频率的带宽，能够保证对激励电流或响应电压信号的每周期4N点以上快速采样的转换速率，N为正整数；

所述的模数转换单元中各模数转换器依据同一采样控制脉冲进行信号的同步采集与模数转换，采样频率为信号频率的4N倍，N为正整数。

9.如权利要求8所述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，其特征在于，所述的数字解调模块中的数字运算单元可以在系统中的主控单元或专用的数字运算模块中完成，主要通过对激励电流与响应电压差的分别解调和相关解调两个过程实现被测阻抗信息的解调，其中：

所述的激励电流与响应电压差的解调过程采用正交序列数字解调法或离散傅利叶变换等数字解调方式计算出各信号的幅值和相位信息；

所述的相关解调过程依据响应电压差与激励电流的相关性采用如下公式计算被测阻抗信息：

被测电阻抗相位＝响应电压差相位-激励电流相位。