CN104983422A

CN104983422A - 一种32电极电阻抗成像装置

Info

Publication number: CN104983422A
Application number: CN201510423498.7A
Authority: CN
Inventors: 戎舟; 饶水发; 刘瑞兰; 唐超
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2015-10-21

Abstract

本发明涉及一种32电极电阻抗成像装置，采用32通道多路开关构建32电极物理模型的电阻抗成像系统，降低了16通道多路开关并联实现32通道的复杂性，比模拟矩阵开关更容易控制，具有更好的性能，提高了系统的采集精度；并且针对控制模块，设计采用ARM9处理器，作为电阻抗成像系统的嵌入式微处理器，具有较强的控制和数据处理能力，提高了系统的采集速度和实时性，广泛的接口便于系统扩展更多的功能；不仅如此，针对高精度仪表放大器，进一步引入可变增益放大电路，两者构成两级放大电路，可程序控制增益的改变，提高了所采集电压信号的放大倍数和灵活性，有利于信号后续的处理。

Description

一种32电极电阻抗成像装置

技术领域

本发明涉及用于一种32电极电阻抗成像装置，属于医学检测技术领域。

背景技术

电阻抗成像技术(Electrical Impedance Tomography，EIT)是基于生物医学的一种新型成像技术，其基本原理是由于不同的生物组织具有不同的电阻抗，当生物体发生疾病或者进行生理活动都会对引起其电阻抗的变化。由于其具有无损无害、无辐射和非侵入性特征，在地球物理学、环境监测、无损探伤和医学检测等领域引起了广泛的研究。它通过相应的电极系统对生物体注入激励电流信号，从电极上获得电压信号，采用特定的算法重建出反应生物体内部电特性的图形，从而获得生物体内部组织器官的结构和功能等相关信息。1991年美国的Dartmouth大学的Hartov Alex等研制了用于癌症热疗热成像的16位数据采集精度的EIT系统。1998年，美国Margaret Cheney采用32电极的多电流激励模式，以人体模拟器官为实验对象，进行了最佳激励电流模式的研究，实验效果有所改进，但图像分辨力仍不太理想。2008年，英国Oxford Brookes小组研制出OXBACT-5成像系统,可以对慢性心脏衰竭进行监护，具有16通道的多频正弦激励源，采用FPGA实现多频数字正交序列解调，系统较为复杂。目前世界上美国、英国、德国、法国、瑞典、印度等三十多个科研小组都在进行EIT技术的研究工作。经过几年的发展，EIT技术出现了三维电阻抗成像等新的研究方向。

国内在电阻抗成像领域的研究起步较晚，距离国际的研究水平尚有一定的差距。2001年，第一届EIT学术讨论会在第四军医大学召开，会上成立了联合研究小组，极大的推动了国内电阻抗成像技术的发展。许多高校和科研机构如重庆大学、第四军医大学、中国医学科学院等建立了各自的数据采集实验系统。2004年，第四军医大学和上海英迈吉东影图像设备有限公司共同研制成功了Angelplan-EIS1000型电阻抗乳腺诊断仪。重庆大学研制了一维无创脑水肿动态监护仪和二维脑电阻抗地形图仪，并进行了临床试验。各个研究机构都在试图将电阻抗成像技术推向临床应用而不断地进行深入的研究。

现有技术的难点主要表现在：需要产生幅值稳定、精度高，而且具有高输出阻抗的电流源，而实际中电流源的负载阻抗总是有限的，不可能无限制满足要求；EIT系统能采集的信息量小，虽然可以通过增加电极个数的方法来增加测量数据量，但这将会使硬件系统变得复杂，而电极数目的增加也是有限的；电阻抗成像的反问题是病态的，边界电压数据的微小扰动就会引起解的巨大变化，而目前的电阻抗成像算法对物体内部中心处分辨率低，而对边界处的分辨率高，因此重建出的图像效果并不理想，需要设计出具有高质量、高精度的成像算法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种不仅能够获得更多信息采集量，而且能够有效提高了系统精度和分辨率的32电极电阻抗成像装置。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种32电极电阻抗成像装置，包括控制模块、信号发生器、电流源电路、32通道多路开关、32电极物理模型、高精度仪表放大器、带通滤波器、相敏解调电路、A/D转换电路和数据接收终端；其中，信号发生器、电流源电路、32通道多路开关、高精度仪表放大器、带通滤波器、相敏解调电路、A/D转换电路、数据接收终端依次单向通信连接；同时，32通道多路开关与32电极物理模型彼此按各电极与各通道的一一对应关系进行双向通信连接；控制模块分别与32通道多路开关、A/D转换电路进行单向通信连接，且通信方向为由控制模块分别指向32通道多路开关和A/D转换电路，控制模块针对32通道多路开关进行各个通道与对应电极间的切换，实现激励电流的输送与电压信号的采集；数据接收终端针对接收到的电压信号，采用电阻抗成像算法获得电阻抗成像。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括前置高通滤波电路，所述32通道多路开关经过前置高通滤波电路与所述高精度仪表放大器进行单向通信连接。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括可变增益放大电路，所述高精度仪表放大器经过可变增益放大电路与所述带通滤波器进行单向通信连接；并且所述控制模块与可变增益放大电路相连，实现针对可变增益放大电路的控制。

作为本发明的一种优选技术方案：所述控制模块为ARM9处理器。

作为本发明的一种优选技术方案：所述电流源电路为Howland电流源电路。

作为本发明的一种优选技术方案：所述带通滤波器为四阶带通滤波器。

作为本发明的一种优选技术方案：所述A/D转换电路为16位A/D转换电路。

作为本发明的一种优选技术方案：所述控制模块针对接收到的电压信号，采用正则化高斯-牛顿算法获得电阻抗成像。

作为本发明的一种优选技术方案：所述数据接收终端为PC终端。

本发明如上所述一种32电极电阻抗成像装置的应用控制方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明设计32电极电阻抗成像装置，采用32通道多路开关构建32电极物理模型的电阻抗成像系统，降低了16通道多路开关并联实现32通道的复杂性，比模拟矩阵开关更容易控制，具有更好的性能，提高了系统的采集精度；并且针对控制模块，设计采用ARM9处理器，作为电阻抗成像系统的嵌入式微处理器，具有较强的控制和数据处理能力，提高了系统的采集速度和实时性，广泛的接口便于系统扩展更多的功能；不仅如此，针对高精度仪表放大器，进一步引入可变增益放大电路，两者构成两级放大电路，可程序控制增益的改变，提高了所采集电压信号的放大倍数和灵活性，有利于信号后续的处理。

附图说明

图1是本发明设计一种32电极电阻抗成像装置的模块示意图。

图2是本发明设计一种32电极电阻抗成像装置中Howland电流源电路原理图；

图3是本发明设计一种32电极电阻抗成像装置中32通道多路开关原理图；

图4是本发明设计一种32电极电阻抗成像装置中信号两级放大电路原理图；

图5是本发明设计一种32电极电阻抗成像装置中16位A/D转换电路原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明所设计一种32电极电阻抗成像装置，在实际应用过程当中，包括ARM9处理器、信号发生器、Howland电流源电路、32通道多路开关、前置高通滤波电路、32电极物理模型、高精度仪表放大器、可变增益放大电路、四阶带通滤波器、相敏解调电路、16位A/D转换电路和PC终端；其中，信号发生器、Howland电流源电路、32通道多路开关、前置高通滤波电路、高精度仪表放大器、可变增益放大电路、四阶带通滤波器、相敏解调电路、16位A/D转换电路、PC终端依次单向通信连接；同时，32通道多路开关与32电极物理模型彼此按各电极与各通道的一一对应关系进行双向通信连接；ARM9处理器分别与32通道多路开关、16位A/D转换电路进行、可变增益放大电路单向通信连接，且通信方向为由ARM9处理器分别指向32通道多路开关、16位A/D转换电路、可变增益放大电路，ARM9处理器针对32通道多路开关进行各个通道与对应电极间的切换，实现激励电流的输送与电压信号的采集；PC终端针对接收到的电压信号，采用正则化高斯-牛顿算法获得电阻抗成像。上述技术方案设计的32电极电阻抗成像装置，采用32通道多路开关构建32电极物理模型的电阻抗成像系统，降低了16通道多路开关并联实现32通道的复杂性，比模拟矩阵开关更容易控制，具有更好的性能，提高了系统的采集精度；并且针对控制模块，设计采用ARM9处理器，作为电阻抗成像系统的嵌入式微处理器，具有较强的控制和数据处理能力，提高了系统的采集速度和实时性，广泛的接口便于系统扩展更多的功能；不仅如此，针对高精度仪表放大器，进一步引入可变增益放大电路，两者构成两级放大电路，可程序控制增益的改变，提高了所采集电压信号的放大倍数和灵活性，有利于信号后续的处理。

实际应用中，信号发生器产生预设电压大小的电压信号，并输送至Howland电流源电路，经由Howland电流源电路将该电压信号转换为恒流源，产生激励电流，并经32通道多路开关注入至32电极物理模型中，其中，通过ARM9处理器针对32通道多路开关进行各个通道与对应电极间的切换，实现激励电流的输送与电压信号的采集，由此，经由32通道多路开关采集32电极物理模型中各电极的电压信号，所采集获得的电压信号首先经由前置高通滤波电路滤除掉其中较大的噪声干扰和直流分量，然后将该电压信号依次送入高精度仪表放大器、可变增益放大电路进行两级信号放大，并且在经过可变增益放大电路针对电压信号进行二级放大的过程中，可以通过ARM9处理器针对可变增益放大电路进行直接控制，经过两级信号放大的电压信号，接着依次被送入四阶带通滤波器、相敏解调电路，最后在ARM9处理器针对16位A/D转换电路的控制下，电压信号经过16位A/D转换电路输送至PC终端，PC终端针对所接收到的电压信号，采用正则化高斯-牛顿算法获得电阻抗成像。

并且本发明所设计一种32电极电阻抗成像装置在实际应用中，信号发生器采用高精度信号发生器MAX038，产生峰-峰值为±2VP-P的正弦波作为Howland电流源电路的输入信号。采用Howland电流源电路，与其他的电流源相比具有较好的稳定性，较小的相位漂移和较大的输出阻抗，符合电阻抗成像系统的要求，其中，Howland电流源电路如图2所示。

其中，电路中的负载阻抗为：

R_L＝V_L/I_L

式中，R_L为负载阻抗，V_L为负载两端的电压，I_L为通过负载的电流，则输出的电流源为：

I_{L} = \frac{V_{L} - V_{O}}{R_{2 B}} + \frac{V_{L}}{R_{2 A} + R_{1}}

式中V_O为：

V_{O} = \frac{R_{3} + R_{4}}{R_{3}} V_{I}

式中的V_I为输入电压信号，V_I＝V_-＝V₊，则V_L为：

V_{L} = \frac{R_{2 A} + R_{1}}{R_{1}} V_{I}

则输出阻抗为：

R_{O} = \frac{R_{3} R_{2 B} (R_{2 A} + R_{1})}{R_{3} (R_{2 A} + R_{2 B}) - R_{1} R_{4}}

在理想情况下，当R₁、R_2A+R_2B、R₃、R₄满足下式时，可以获得无限大的输出阻抗。

\frac{R_{2 A} + R_{2 B}}{R_{1}} = \frac{R_{4}}{R_{3}}

此时，负载电流I_L的值为：

I_{L} = \frac{R_{2} / R_{1}}{R_{2 B}} V_{I}

其中R₂＝R_2A+R_2B。

当输入电压信号有效值为1V时，为了产生有效值1mA的电流，选择电阻R₁＝R₃＝R₄＝2KΩ，R_2A＝R_2B＝1KΩ。尽量采用精度0.1％以上的金属膜电阻来保持电桥的平衡，另外设置C₁＝C₂＝0.1pF，C_C＝7pF为AD8021的补偿电容可获得较高的带宽增益并能有效地防止高频电路发生振荡。

32通道多路开关原理图如图3所示，32通道多路开关采用ADI公司的ADG732芯片，UB1芯片的引脚标号C1～C32和UB2芯片的引脚标号C1～C32相连，并连接至32电极物理模型的32个电极上，ADG732是32通道选一的精密CMOS模拟多路复用器，轨到轨工作，各通道的导通电阻为4Ω，导通电阻平坦度为0.5Ω，开关时间为30ns。它具有较小的导通电阻和分布电容，通道间具有较好的隔离性能，导通电阻的一致性好，因此符合电阻抗成像系统的要求。ADG732根据5位二进制地址线A0、A1、A2、A3和A4所确定的地址，将32路输入(S1-S32)之一切换至公共输出D。该芯片的接口控制方便，由CS、WR和EN三个接口控制，CS为片选信号，WR为写使能信号，EN为芯片使能信号，当皆为低电平时多路开关开始工作。2片ADG732构成32通道选2的激励电流选通电路，另外2片构成电压数据采集选通电路。ARM9处理器采用10位I/O口对两片32通道多路开关实现32选2的电流注入方式，电压数据采集选通电路与电流注入选通电路相似，区别在于信号的流向相反。

在EIT中，相邻激励-相邻测量方式应用最为广泛。例如：1、2电极激励，测量3、4，4、5，...，31、32的电压；2、3电极激励，测量4、5，5、6，...，32、1的电压；...；共可获得29*32＝928个电压数据。

由于注入32电极物理模型中各电极的激励电流信号很小，峰峰值一般只有1mA～5mA左右，所以从电极上测得的电压信号十分微弱，电压信号峰值一般为几毫伏到几十毫伏左右。电压信号的正负端分别从两个电极上获得，由于单个电极上的电压信号具有较大的噪声干扰和直流分量，因此在输入至高精度仪表放大器前需要进行滤波。采用前置高通滤波电路，由R、C元件组成，电路简单并且能有效的滤除直流分量，直流分量若不消除经放大器放大后会直接影响后续电路的正常工作。信号两级放大电路原理图如图4，其中，电压信号的正负端分别经前置高通滤波电路后差分输入至高精度仪表放大器，高精度仪表放大器采用ADI公司的AD624，AD624是一款高精度、低噪声仪表放大器，仅需一个外部电阻来设置增益，增益范围为1～10000，最大非线性度为0.001％，具有较高的共模抑制比(CMRR)，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。另外，它具有25MHz的增益带宽、5V/μs压摆率和15μs建立时间，非常适合用于高分辨率数据采集系统。AD624在放大倍数超过50倍后，信号的精度会减小，性能有所下降，因此需要将信号进行二级放大。可变增益放大电路采用TI公司的可编程的增益仪器放大器PGA205，PGA205具有1、2、4、8四个增益选项，可通过程序设置A1、A0引脚电平的高低来进行控制，其中，AD624的RG1和RG2引脚加入一个电阻，作为调节增益的大小。它具有较高的精度、较低的失调电压和较高的共模抑制，内部输入保护能够承受高达±40V而不会损坏模拟输入，因此适合作为信号的二级放大电路。

电压信号经过两级放大后，通过四阶带通滤波器滤除所采集电压信号中的无用信号和干扰噪声，使波形更加纯净；然后经过相敏解调电路得到电压信号的实部信息和虚部信息。16位A/D转换电路原理图如图5所示，16位A/D转换电路在ARM9处理器的控制下，将所采集的电压信号由模拟量转换成数字量信号进行传输。其中，16位A/D转换电路采用MAXIM公司的MAX195，MAX195是一个16位的逐次逼近型模数转换器，具有高速度、高精度、低功耗和10μA的关断模式等特征。它不失码，具有85ksps的采样保持速率和9.4μs的转换时间，内置校准电路可对线性度和偏移误差进行校准，独立的模拟和数字电源减少了数字噪声的耦合。另外，它内置了一个逐次逼近寄存器，将输入的模拟信号转换为16位二进制码，然后以串行的方式输出。该芯片支持异步转换传输方式和同步转换传输方式，前者是在一次转换结束后以SCLK时钟频率输出，后者是在转换期间以CLK时钟频率输出，在本系统中设计采用异步转换传输方式。

ARM9处理器采用三星公司的32位精简指令集微处理器S3C2440，S3C2440基于ARM920T核心，具有低功耗、高性能、精简和出色的全静态设计，并采用了AMBA新型总线架构。采用ARM9处理器作为电阻抗成像系统的嵌入式微处理器，提高了系统的采集速度和实时性，拥有较强的控制和数据处理能力，广泛的接口便于系统扩展更多的功能，并可构建嵌入式电阻抗成像系统，有利于实现电阻抗成像的临床应用。利用S3C2440处理器的GPD0～GPD9作为控制4片32通道多路开关的A4A3A2A1A0引脚，GPD10、GPD11分别作为SN73HC573的使能引脚，采用锁存器对I/O口信号进行锁存，减少了控制I/O口的数量，因此激励电流选通和电压数据采集选通通道共同复用10位I/O口。GPC11～GPC15分别对16位A/D转换电路的CONV、CS、EOC、DOUT、SCLK引脚进行控制。ARM9处理器通过控制16位A/D转换电路，将所采集的电压信号由模拟量转换成数字量信号，并利用串口通信的方式将数字量电压信号发送至PC终端；然后PC终端利用正则化高斯-牛顿算法来实现电阻抗成像的图像重建。

本发明设计一种32电极电阻抗成像装置，在试验中，可以采用圆柱形水槽配合32各电极构成32电极物理模型，其中，在水槽的内壁同一高度沿着圆周等距安放32个不锈钢电极片，以此，采用本发明设计的装置，获取圆柱形水槽中生理盐水的电阻抗图像，其中具体按照如下操作方法进行执行：

步骤1、开启供电电源，将ARM9处理器上电复位，信号发生器产生预设电压大小的正弦波电压信号，通过Howland电流源电路转换成恒定幅值的交流电流源信号，产生激励电流经由32通道多路开关的激励通道送入32电极物理模型中；

步骤2、ARM9处理器控制32通道多路开关进行激励通道和测量通道的选通，然后从32电极物理模型中采集获取电压信号；

步骤3、将采集所获得的电压信号首先送入前置高通滤波电路进行滤波，然后经由高精度仪表放大器和可变增益放大电路进行两级放大后，接着通过四阶带通滤波器和相敏解调电路解调出电压信号的实部信息；

步骤4、将解调出的实部信息经由16位A/D转换电路转换为数字信号；

步骤5、最后ARM9处理器将测得的数字信号通过串口通信发送至PC终端；

步骤6、PC终端通过正则化高斯-牛顿算法获得待测物体的电阻抗成像图。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1. 一种32电极电阻抗成像装置，其特征在于：包括控制模块、信号发生器、电流源电路、32通道多路开关、32电极物理模型、高精度仪表放大器、带通滤波器、相敏解调电路、A/D转换电路和数据接收终端；其中，信号发生器、电流源电路、32通道多路开关、高精度仪表放大器、带通滤波器、相敏解调电路、A/D转换电路、数据接收终端依次单向通信连接；同时，32通道多路开关与32电极物理模型彼此按各电极与各通道的一一对应关系进行双向通信连接；控制模块分别与32通道多路开关、A/D转换电路进行单向通信连接，且通信方向为由控制模块分别指向32通道多路开关和A/D转换电路，控制模块针对32通道多路开关进行各个通道与对应电极间的切换，实现激励电流的输送与电压信号的采集；数据接收终端针对接收到的电压信号，采用电阻抗成像算法获得电阻抗成像。

2. 根据权利要求1所述一种32电极电阻抗成像装置，其特征在于：还包括前置高通滤波电路，所述32通道多路开关经过前置高通滤波电路与所述高精度仪表放大器进行单向通信连接。

3. 根据权利要求2所述一种32电极电阻抗成像装置，其特征在于：还包括可变增益放大电路，所述高精度仪表放大器经过可变增益放大电路与所述带通滤波器进行单向通信连接；并且所述控制模块与可变增益放大电路相连，实现针对可变增益放大电路的控制。

4. 根据权利要求3所述一种32电极电阻抗成像装置，其特征在于：所述控制模块为ARM9处理器。

5. 根据权利要求4所述一种32电极电阻抗成像装置，其特征在于：所述电流源电路为Howland电流源电路。

6. 根据权利要求5所述一种32电极电阻抗成像装置，其特征在于：所述带通滤波器为四阶带通滤波器。

7. 根据权利要求6所述一种32电极电阻抗成像装置，其特征在于：所述A/D转换电路为16位A/D转换电路。

8. 根据权利要求7所述一种32电极电阻抗成像装置，其特征在于：所述控制模块针对接收到的电压信号，采用正则化高斯-牛顿算法获得电阻抗成像。

9. 根据权利要求7或8所述一种32电极电阻抗成像装置，其特征在于：所述数据接收终端为PC终端。