CN104605851A - 一种电阻抗层析成像系统的数据采集方法 - Google Patents

一种电阻抗层析成像系统的数据采集方法 Download PDF

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郝振华
孙犇渊
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    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
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Abstract

本发明提供一种电阻抗层析成像系统的数据采集方法，所采用的数据采集系统包括多个电极，每个电极分别与一个激励电流源相连，并连接到一个独立的数据采集模块；采用单电极激励和并行测量方式，选定某个电极作为激励电极，与其相应的激励电流源一点接地，另一端和该电极相连，该电极上的采集模块处于高组态；同时，其他电极作为测量电极，各个测量电极上的数据采集模块分别进行数据采集，同一电极上的激励电流源和数据采集模块不同时工作。本发明采用并行EIT测量方式，省去了大量的多选1选通开关，解决了由于选通开关的不断切换而产生的串扰、失真、泄露、噪声等问题，其测量信噪比明显优于传统的串行测量系统。

Description

一种电阻抗层析成像系统的数据采集方法
技术领域 本发明属于电阻抗层析成像(electrical impedance tomography,EIT)技术领域，具体涉及一种电阻抗层析数据采集方法。
背景技术 电阻抗层析成像(EIT)技术，是以生物体内电阻抗的分布或变化为成像目标的一种新型的无损伤的生物医学检测与成像技术，其通过检测电极间的电压差来探测待测物体内部的阻抗分布，从而在结构上和功能上反映各生物组织的生物特性。利用EIT技术，可以显示生物体内组织的阻抗分布图像、生物体组织的阻抗随频率变化的图像、生物体器官生理活动(如呼吸、心脏搏动)时的阻抗变化图像。EIT技术是非侵入检测和功能成像技术，具有安全、可视化等特点，在研究生物体生理功能和疾病诊断方面有着重要的临床价值。与传统的基于射线(x射线，pet)的医学可视化检测手段相比，它具有安全、简便、无创、廉价的优势，可以对生物体进行长期、实时监护。特别是EIT系统的数据采集速度可以达到每秒500幅左右，远远高于当前使用的医学检测方法大约3-10分钟才能完成一幅图像的速度。因此基于EIT开发出床旁监护和实时的医疗检测技术，对疾病的早期预防、诊断、治疗及医疗普查都具有十分重大的意义和诱人的应用前景，受到世界上各国研究者的广泛关注。
在EIT技术中，成像的精度和速度是两个非常重要的参数。然而，当前的EIT数据采集系统一般采用串行测量的数据采集方式，这种测量方式存在三个主要问题。首先，在串行测量过程中，选通开关的不断切换，必然会引入噪声，降低测量信噪比，从而降低数据的测量精度。其次，串行测量方式一般应用于物场变化较慢和对成像速度要求不太高的场合，但是，在被测物场变化比较快，特别是在物场信息瞬息万变的情况下，这种测量方式显然已不合时宜。最后，当前数据采集使用相邻激励和相邻测量方式，导致获得的独立测量数远少于成像过程的像素数(例如，16电极仅仅有104个独立测量数)；引起严重的欠定问题。上述问题已经成为EIT应用于医学可视化的主要障碍。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提出了一种EIT系统任意测量模式的数据采集方法。本发明采用并行EIT测量方式，省去了大量的多选1选通开关，解决了由于选通开关的不断切换而产生的串扰、失真、泄露、噪声等问题，其测量信噪比明显优于传统的串行测量系统。
本发明的技术方案如下：
一种电阻抗层析成像系统的数据采集方法，所采用的数据采集系统包括多个电极，每个电极分别与一个激励电流源相连，并连接到一个独立的数据采集模块，所述的数据采集模块包括依次连接的R/V转换电路，信号调理电路和A/D转换模块，A/D转换模块得到的数字信号被送入计算机；采用单电极激励和并行测量方式，选定某个电极作为激励电极，与其相应的激励电流源一点接地，另一端和该电极相连，该电极上的采集模块处于高组态；同时，其他电极作为测量电极，各个测量电极上的数据采集模块分别进行数据采集，同一电极上的激励电流源和数据采集模块不同时工作；各个电极之间，各个激励电流源之间，各个数据采集模块之间在性能和工艺上均保持一致；通过后续的求差处理可以得到任意两个电极之间的电势差，进而实现任意测量模式及各测量模式之间的组合。
在保证现有的串行EIT数据采集系统精度的前提下，本发明极大地提高系统的数据采集速度，能够快速提取被测物场的边界测量值，从而使EIT系统能够更好地应对被测物场变化快的挑战。EIT数据采集系统中所有的激励电流源、电极、R/V转换电路、信号调理电路和A/D在性能和工艺上均保持一致。在电阻抗测量电路中，杂散电容主要来自于连接电缆芯线与屏蔽层之间的电容。连接电缆对电容测量的影响主要体现在：杂散电容不稳定，影响测量信噪比；杂散电容的存在限制了激励信号的频率的提高，从而影响测量速度。因此，为了有效解决杂散电容的影响，可以将电极设计成有源电极，即将激励电流源、电极和后续的采集电路集成一体，减少传导电缆的大量使用。同时，该并行EIT测量系统省去了大量的多选1选通开关，解决了由于选通开关的不断切换而产生的串扰、失真、泄露、噪声、时延等问题，其测量信噪比和数据采集速度明显优于传统的串行测量系统。此外，对电极进行编号，并把每个电极的测量电势和电极编号对应起来，通过后续的求差处理可以得到任意两个电极之间的电势差，进而实现任意测量模式及各测量模式之间的组合，从而可以解决欠定问题。
附图说明
图1为所发明的并行EIT系统的数据采集方法整体架构。
图2为本发明的激励测量方式。
图3为每个电极的测量电路框图。
图中：激励/测量导线-1；电极-2；被测物场-3；激励/采集模块-4；激励电极-2-1；测量电极-2-2；激励电流源-4-1；采集模块-4-2。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的结构和技术原理进行说明：
如附图1所示，本发明的整体架构包括16个圆形电极，与每个电极对应连接的激励/采集模块，激励/测量导线等。为了减少了串扰、失真、泄露、噪声等因素对数据采集精度的影响，尽可能提高数据采集速度，本发明在16个电极上都安装了激励电流源和采集模块，即采用有源电极和并行测量的方式。如附图2所示，在一次激励和测量过程中，其中一个电极作为激励电极，其余15个电极作为测量电极同时进行数据采集。如附图3所示，对于一次测量过程，激励电极和任意一个测量电极的测量电路框图。
本发明采用单电极激励和并行测量方式，激励电极的激励电流源一点接地，另一端和电极相连，该激励电极上的采集模块处于高组态；同时，测量电极上的采集模块进行数据采集，激励电流源不工作，即同一电极上的激励电流源和采集电路不同时工作。如附图3所示，1号电极激励时，2，3，…，16号电极作为测量电极同时进行数据采集；2号电极激励时，3，4，…，16，1号电极作为测量电极同时进行数据采集；……16号电极激励时，1，2，…，15号电极作为测量电极同时进行数据采集。数据采集完毕后，把每个电极采集到的电势进行编号，确保当前所测得的电势值与电极编号一一对应，例如，当1号电极激励时，把2，3，…，16号电极所采集到的电势值分别与2，3，…，16号电极对应起来。同时把所有测量电势值储存起来，以备后续进行数据处理。由于这些测量值都进行了编号处理，后面的数据处理主要是测量模式的选择及各测量模式之间的组合，如，循环激励循环测量模式，间隔测量，对立测量及这些测量模式之间的组合等。
如附图3所示，激励/采集电路主要由激励电流源、R/V转换电路、PSD电路和ADC等几部分组成。每个电极都布置了附图3所示的电路，实现电流激励、数据采集和处理等功能，并把处理好的数字信号送入PC机进行阻抗图像重构和参数提取。

Claims (1)

1.一种电阻抗层析成像系统的数据采集方法，所采用的数据采集系统包括多个电极，每个电极分别与一个激励电流源相连，并连接到一个独立的数据采集模块，所述的数据采集模块包括依次连接的R/V转换电路，信号调理电路和A/D转换模块，A/D转换模块得到的数字信号被送入计算机；采用单电极激励和并行测量方式，选定某个电极作为激励电极，与其相应的激励电流源一点接地，另一端和该电极相连，该电极上的采集模块处于高组态；同时，其他电极作为测量电极，各个测量电极上的数据采集模块分别进行数据采集，同一电极上的激励电流源和数据采集模块不同时工作；各个电极之间，各个激励电流源之间，各个数据采集模块之间在性能和工艺上均保持一致。通过后续的求差处理可以得到任意两个电极之间的电势差，进而实现任意测量模式及各测量模式之间的组合。
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