CN105656489B - 一种用于生物电阻抗成像的激励电流源 - Google Patents
一种用于生物电阻抗成像的激励电流源 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种用于生物电阻抗成像的激励电流源,包括DDS模块、幅值控制模块、D/A转换模块、差分放大模块、低通滤波模块、电压控制电流源模块、通用阻抗转换模块,其中通用阻抗转换模块,包括多路模拟开关(16)和多路通用阻抗转换器,通过FPGA控制通断,选通与激励频率相匹配的通用阻抗转换器;各路通用阻抗转换器能够分别适用于0~100kHz,100~500kHz,500~800kHz,800kHz~1MHz四个频率范围,且每个频率范围具有不同的等效电感值。本发明可以提高提高电阻抗成像系统的成像精度。
Description
技术领域
本发明属于电阻抗成像技术领域,涉及一种用于生物电阻抗成像的激励电流源。
背景技术
电阻抗成像技术(Electrical Impedance Tomography,EIT)是一种新型的无损伤成像检测技术,该技术具有功能成像,成本低廉,对人体无害等优点,因此在医学临床领域,具有广泛的应用前景。电阻抗成像技术是通过在人体表面放置阵列电极,施加电流激励信号,测试电压信号,从而可以提取人体生理、病态状态相关组织或器官的电特性。
为了减少人体内部阻抗变化以及皮肤接触阻抗对激励电流源的影响,这就要求所使用的激励电流源是恒流源,即要求激励电流源具有较高的输出阻抗,能够适应不同的负载变化。在目前的EIT系统中,其系统的工作带宽在10kHz~1MHz的频带范围内,即可获得1MHz以下的生物阻抗分布信息,但是生物体组织在高频时同样携带了更加丰富的阻抗信息,而且生物体组织的复阻抗虚部信息很微弱(大约是实部信息的十分之一),不易提取,且随着频率的提高而增强,这就需要激励电流源能够实现更高的激励频率。但是由于频率的不断增加,激励电流源将会受到集成器件本身性能的限制以及寄生电容和杂散电容的影响,从而导致激励电流源的驱动能力和输出阻抗大幅度下降,这将会影响EIT系统的精度,影响我们获得准确的阻抗信息。因此,设计出更高输出阻抗的激励电流源以适应更高激励频率是提高EIT系统精度和稳定性的重要环节。
在目前的EIT系统中,很多种类的电流源已经得到使用,但是比较普遍的还是Howland电流源,这是因为Howland电流源只需要一个运算放大器和几个电阻组成,结构相对简单。但是由于Howland电路中同时存在正负反馈,在多频EIT系统将会导致不稳定,又由于Howland电流源电路只有一个运算放大器组成,输出阻抗很难达到很大。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于生物电阻抗成像的激励电流源,克服以往激励电流源输出阻抗低的问题,从而提高电阻抗成像系统的成像精度。本发明所采用的技术方案是,
一种用于生物电阻抗成像的激励电流源,包括DDS模块、幅值控制模块、D/A转换模块、差分放大模块、低通滤波模块、电压控制电流源模块、通用阻抗转换模块,其中,
所述的DDS模块,通过硬件语言在FPGA内部构造,产生的正弦数字信号输入到D/A转换模块的数据输入端;
所述的幅值控制模块,用于接收FPGA输出的数字量,为D/A转换模块提供参考电压,能够调节激励电流源的幅值,以满足EIT系统对安全电流的要求;
所述的D/A转换模块,能够将DDS模块输入的正弦数字信号转换为模拟差分电流信号IOUTA和IOUTB输入到差分放大模块;
所述的差分放大模块,用于将D/A转换模块输入的差分电流信号IOUTA和IOUTB转换为差分电压信号VOUTA和VOUTB,并通过运算放大器将差分电压信号VOUTA和VOUTB转换为单端电压信号VOUTA输入到低通滤波模块;
所述的低通滤波模块,由巴特沃兹二阶有源低通滤波器组成,滤去差分放大模块输入的高频噪声,并将滤波后的电压信号输入到电压控制电流源模块;
所述的电压控制电流源模块,用于将低通滤波模块输入的电压信号转换为电流信号Io输出;
所述的通用阻抗转换模块,包括多路模拟开关16和多路通用阻抗转换器,模拟开关16中的每一路的一端与电压控制电流源模块的电流输出端相连,另一端与多路通用阻抗转换器其中的一个相连到地,其各个控制信号与FPGA的I/O端口相连,通过FPGA控制其通断,用于选通与激励频率相匹配的通用阻抗转换器;各路通用阻抗转换器能够分别适用于0~100kHz,100~500kHz,500~800kHz,800kHz~1MHz四个频率范围,且每个频率范围具有不同的等效电感值;
每个通用阻抗转换器17,包括第一和第二运算放大器A4和A5,依次相连的第一、第二和第三固定电阻R4、R5、R6,固定电容C3以及可调电阻R7;可调电阻R7的的一端与地相连,另一端与e点相连;电容C3一端和e点相连,另一端与d点相连;第三固定电阻R6一端与d点相连,另一端与c点相连;第二固定电阻R5一端与c点相连,另一端与b点相连;第一固定电阻R4一端与b点相连,另一端与a点相连;第一运算放大器A4的同相输入端与a点相连,反向输入端与c点相连,输出端与d点相连;第二运算放大器A5的同相输入端与e点相连,反向输入端与d点相连,输出端与b点相连;可调电阻R7用于调节通用阻抗转换器等效电感L的大小。
其中,四路通用阻抗转换器的设计方法为:根据预先设定的包括100kHz,500kHz,800kHz和1MHz在内的四个频率点的等效电感的估计值,计算和匹配四个通用阻抗转换器中每个通用阻抗转换器的电阻和电容值,使四个通用阻抗转换器能够分别适用于0~100kHz,100~500kHz,500~800kHz,800kHz~1MHz四个频率范围,且每个频率范围具有不同的等效电感值,调节幅度的变化范围在±50%;根据激励频率,首先确定该激励频率属于0~100kHz,100~500kHz,500~800kHz,800kHz~1MHz四个频率的哪个频率范围,最后调节可调电阻R7使其输出阻抗达到最大。
D/A转换模块能够接收幅值控制模块输入的参考电压,从而实现激励电流通过FPGA硬件语言编程进行调节,参考电压调节范围为0~1.2V且可做到256级可调,以满足EIT系统对激励电流安全性的要求。
本发明的用于生物电阻抗成像的激励电流源,基于FPGA和AD844镜像电流源,加入通用阻抗转换模块,通过FPGA控制四路模拟开关的通断以便于选择适应于不同频率下的通用阻抗转换器,通过调节可调电阻使输出阻抗在该频率下达到最大。有益效果是:
1)加入幅值控制模块,能够调节激励电流源的幅值,以满足EIT系统对安全电流的要求。
2)加入通用阻抗转换模块,能够提高激励电流源输出阻抗,克服激励电流源输出阻抗较小的特点,通过设计四种不同的阻抗转换器,适应不同的激励频率,加入可调电位计,方便调节激励电流源的输出阻抗,使其输出阻抗在特定频率下达到最大。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明的电压控制电流源模块和通用阻抗转换模块原理图。
图3是本发明通用阻抗转换器原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图1是本发明的结构框图。如图所示,一种用于生物电阻抗成像的激励电流源,包括DDS模块,幅值控制模块,D/A转换模块,差分放大模块,低通滤波模块,电压控制电流源模块,通用阻抗转换模块。DDS模块是在FPGA内部构造,通过硬件语言编程实现,通过设置DDSIP核内部参数,可改变DDS输出位数,并且可实现单频和多频激励。DDS模块产生的14位正弦数字信号输入到D/A转换模块的14位数据输入端,通过D/A转换模块进而将其转换为模拟差分电流输出。幅值控制模块能够接受FPGA输出的8位数字量,并将其转换成模拟参考电压输出,D/A转换模块能够接受幅值控制模块输入的参考电压,从而实现激励电流可通过FPGA硬件语言编程进行调节,参考电压调节范围为0~1.2V且可做到256级可调,以满足EIT系统对激励电流安全性的要求。差分放大模块与D/A转换模块的差分电流IOUTA和IOUTB相连接,通过两个标称电阻(一般取25Ω或50Ω)将D/A转换模块输出的差分电流信号IOUTA和IOUTB转换为差分电压信号VOUTA和VOUTB,并通过运算放大器将差分电压信号转换为单端电压信号VOUT输出。低通滤波模块将从差分放大模块输入的电压信号VOUT中滤去高频噪声后输入到电压控制电流源模块。电压控制电流源模块能够将低通滤波模块输入的电压信号转换为电流驱动信号输入到EIT系统。通用阻抗转换模块与电压控制电流源的电流输出端相连接,通过FPGA控制四路模拟开关进而选择不同的通用阻抗转换器,从而可以适应不同的频率,克服因频率改变而造成的通用阻抗转换器不匹配的现象,通过调节可调电阻进而可以增加激励电流源的输出阻抗。
如图2,为本发明的电压控制电流源模块和通用阻抗转换模块原理图。其中电压控制电流源模块(VCCS)由输入缓冲,电压-电流转换和直流反馈3部分组成,双路运算放大器8采用AD8066(高输入阻抗,宽电压范围,高增益带宽)。由低通滤波模块输入的电压信号Vin与双路运算放大器AD8066的A1同相输入端管脚相连接,AD8066的A1反向输入端管脚与AD844的方向输入端和可调电阻R314相连接,可调电阻R3的另一端与电阻R211相连接,电阻R2的另一端与AD8066的A2输出端管脚相连接。AD8066的A1输出端管脚与AD844的同相输入端管脚相连接。AD844的输出端通过电阻R110与AD8066的A2同相输入端相连,并且电阻R1与AD8066的A2同相输入端的接点又通过电容C112接地。AD844的TZ输出端即为镜像电流输出端,输出电流Io,通过电容C213与负载RL15相连到地,C2与RL的接点与四路模拟开关16相连,四路模拟开关连接四个通用阻抗转换器17到地。
图3是本发明的通用阻抗转换器的某一具体实现形式,负责在电路中等效一个接地电感,如图所示,包括一个双路运算放大器18A4和A5,固定电阻R419、R520、R621,固定电容C322,可调电阻R723构成。可调电阻R7的一端与地相连,另一端与e点相连。电容C3一端和e点相连,另一端与d点相连。电阻R6一端与d点相连,另一端与c点相连。电阻R5一端与c点相连,另一端与b点相连。电阻R4一端与b点相连,另一端与a点相连。运算放大器A4的同相输入端与a点相连,反向输入端与c点相连,输出端与d点相连。运算放大器A5的同相输入端与e点相连,反向输入端与d点相连,输出端与b点相连。
在本发明的装置中,当激励电流源频率较高时,由于受杂散电容和寄生电容的影响,激励电流源的输出阻抗会大幅度降低,输出幅度也会受到影响,加入阻抗转换模块(一个四路模拟CMOS开关和四个通用阻抗转换器),与输出电容(寄生电容或杂散电容)形成谐振,提高电流源高频时的输出阻抗。
在本发明的装置中,通用阻抗转换模块7中通用阻抗转换器17的选择和设计需要遵循以下步骤和原则:
1分别计算和估计四个频率点(100kHz,500kHz,800kHz,1MHz)每个频率点的输出电容,包括电缆,PCB布局设计以及为了防止振荡而加入的电容等元器件而产生的寄生或杂散电容值。
2根据步骤①得到的输出电容的估计值,采用纠正电感L(通用阻抗转换器等效电感),形成LC谐振来消除输出电容(杂散电容和寄生电容)对激励电流源的影响,从而得到每个频率点的纠正电感L的大小。
3根据步骤②得到的纠正电感值L以及公式进行计算和匹配通用阻抗转换器17电容和电阻的值,其中R7为可调电阻,匹配时确保该阻抗转换器17等效电感L的调节范围为±50%,以便能够适应更宽的频率范围,其他电阻和电容选择没有其他特殊要求。
在本发明装置中,在通用阻抗转换模块7中加入的四路模拟开关可以根据激励频率选择不同的通用阻抗转换器,其通用阻抗转换器选择的流程如下:
1根据激励频率确定该激励频率属于0~100kHz,100~500kHz,500~800kHz,800kHz~1MHz哪个频率范围。
2根据步骤①确定的所属的频率范围,进而通过FPGA编程控制四路模拟开关选通与该频率范围相对应的通用阻抗转换器17。
3调节可调电阻R7(23)使该频率下激励电流源的输出阻抗达到最大。
图3所示的通用阻抗转换器的等效阻抗Z可以用公式(1)表示:
通用阻抗转换器的等效电感可由公式(2)
本发明的用于生物电阻抗成像的激励电流源,以FPGA为载体,通过硬件语言编程实现DDS模块,具有可移植性,电压控制电流源模块采用基于AD844的镜像电流源,加入可选择的通用阻抗转换器模块,以适应不同的激励频率,能够更好地提高激励电流源的输出阻抗,具有重要的实用价值。
Claims (3)
1.一种用于生物电阻抗成像的激励电流源,包括DDS模块、幅值控制模块、D/A转换模块、差分放大模块、低通滤波模块、电压控制电流源模块、通用阻抗转换模块,其中,
所述的DDS模块,通过硬件语言在FPGA内部构造,产生的正弦数字信号输入到D/A转换模块的数据输入端;
所述的幅值控制模块,用于接收FPGA输出的数字量,为D/A转换模块提供参考电压,能够调节激励电流源的幅值,以满足EIT系统对安全电流的要求;
所述的D/A转换模块,能够将DDS模块输入的正弦数字信号转换为模拟差分电流信号IOUTA和IOUTB输入到差分放大模块;
所述的差分放大模块,用于将D/A转换模块输入的差分电流信号IOUTA和IOUTB转换为差分电压信号VOUTA和VOUTB,并通过运算放大器将差分电压信号VOUTA和VOUTB转换为单端电压信号VOUTA输入到低通滤波模块;
所述的低通滤波模块,由巴特沃兹二阶有源低通滤波器组成,滤去差分放大模块输入的高频噪声,并将滤波后的电压信号输入到电压控制电流源模块;
所述的电压控制电流源模块,用于将低通滤波模块输入的电压信号转换为电流信号Io输出;
所述的通用阻抗转换模块,包括多路模拟开关(16)和多路通用阻抗转换器,模拟开关(16)中的每一路的一端与电压控制电流源模块的电流输出端相连,另一端与多路通用阻抗转换器其中的一个相连到地,其各个控制信号与FPGA的I/O端口相连,通过FPGA控制其通断,用于选通与激励频率相匹配的通用阻抗转换器;各路通用阻抗转换器能够分别适用于0~100kHz,100~500kHz,500~800kHz,800kHz~1MHz四个频率范围,且每个频率范围具有不同的等效电感值;
每个通用阻抗转换器(17),包括第一和第二运算放大器A4和A5,依次相连的第一、第二和第三固定电阻R4、R5、R6,固定电容C3以及可调电阻R7;可调电阻R7的的一端与地相连,另一端与e点相连;电容C3一端和e点相连,另一端与d点相连;第三固定电阻R6一端与d点相连,另一端与c点相连;第二固定电阻R5一端与c点相连,另一端与b点相连;第一固定电阻R4一端与b点相连,另一端与a点相连;第一运算放大器A4的同相输入端与a点相连,反向输入端与c点相连,输出端与d点相连;第二运算放大器A5的同相输入端与e点相连,反向输入端与d点相连,输出端与b点相连;可调电阻R7用于调节通用阻抗转换器等效电感L的大小;
四路通用阻抗转换器的设计方法为:根据预先设定的包括100kHz,500kHz,800kHz和1MHz在内的四个频率点的等效电感的估计值,计算和匹配四个通用阻抗转换器中每个通用阻抗转换器的电阻和电容值,使四个通用阻抗转换器能够分别适用于0~100kHz,100~500kHz,500~800kHz,800kHz~1MHz四个频率范围,且每个频率范围具有不同的等效电感值,调节幅度的变化范围在±50%;根据激励频率,首先确定该激励频率属于0~100kHz,100~500kHz,500~800kHz,800kHz~1MHz四个频率的哪个频率范围,最后调节可调电阻R7使其输出阻抗达到最大。
2.根据权利要求1所述的激励电流源,其特征在于,D/A转换模块能够接收幅值控制模块输入的参考电压,从而实现激励电流通过FPGA硬件语言编程进行调节,参考电压调节范围为0~1.2V且可做到256级可调,以满足EIT系统对激励电流安全性的要求。
3.根据权利要求1所述的激励电流源,其特征在于,所述的DDS模块,采用Xilinx公司的DDS IP核。
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