CN107184211A - 一种基于fpga的多频电阻抗成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的多频电阻抗成像装置，包括：FPGA处理器、DA转换电路、差分电流至单端电压电路、电压幅值调节电路、电压控制电流源电路、多路开关、物理模型、前置高通滤波电路、差分放大电路、可变增益放大电路、程控滤波电路、相敏解调电路、AD转换电路和PC机；所述FPGA处理器生成正余弦数字信号，转换为恒流源且作为激励电流通过多路开关选择激励电流通道时输入物理模型；所述FPGA处理器将采集的物理模型产生的电压信号输入前置高通滤波电路滤波，并依次进行二级放大、程控滤波以及相敏解调，由PC机根据数字信号处理获得待测物体的电阻抗成像图。本发明克服了参数误差，可以有效地对采集出来的电压信号进行针对性滤波，提供了很好的精度。

Description

一种基于FPGA的多频电阻抗成像装置

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA的多频电阻抗成像装置，属于医学检测设备的技术领域。

背景技术

电阻抗成像技术(Electrical Impedance Tomography，EIT)是当今生物信息学与生物医学工程学重大研究课题之一。它是继形态、结构成像之后，于近30年才出现的新一代医学成像技术，具有功能成像、无损伤和医学图像监护三大突出优势，是一种理想的、具有诱人应用前景的生物信息检测与成像手段。电阻抗成像是一种基于传统CT思想，以生物体内部电阻率(电导率)的分布为成像目标的新型医学成像技术。它根据生物体内不同的组织具有不同阻抗的现象，充分利用生物体内阻抗所携带的丰富的生理和病理信息，通过电极将电流注入到待测生物体体表面，然后测量表面感应电压，并将测得的信息经过一定的算法进行计算，最终重建出反应生物体内部电特性分布的图像，从而达到功能成像的目的。

由于EIT不使用核素或射线，对人体无害，且可以多次测量，重复使用，成像速度快、具有功能成像等特点，加之成本低廉，不要求特殊工作环境等，其作为一种潜在理想的并具有诱人应用前景的无损功能医学成像技术，迅速成为研究的热点。国内外已有几十个小组从事EIT医疗应用领域研究。Sheffield课题组首先展开EIT成像的研究。

在国内，EIT技术的研究从上世纪90年代开始，相对于国外研究起步相对较晚，但已经形成了一支稳定的研究队伍，建立EIT系统研究平台，在临床应用研究方面有潜在优势。目前约有10多个课题组研究医学EIT成像技术，包括第四军医大学、天津大学、中国医学科学院生物医学工程研究所、中国科学院电工所、重庆大学、河北工业大学等高校和科研院所。近年来，在自然科学基金及‘863’立项的资助下，国内电阻抗成像技术的研究已取得了长足的进步。有专门的研究小组和研究人员从事这一领域的研究，已形成一定的技术积累和具备了一定的试验条件，为该技术走向临床应用奠定了坚实的基础。

EIT研究虽然历经三十年的发展，但将它推向临床应用仍面临多方面的挑战。现有技术的主要难点主要表现在：首先，由于EIT问题本身具有病态性、欠定性以及非线性，导致重建图像分辨率较低，相对于CT、MRI、X射线等在显像上不具优势。第二，针对明确的临床应用目标，需要进一步研究其适用的数据采集技术、图像重构方法和图像后处理技术等。第三，将EIT推进到定性、定量的动物模型研究，实现向临床应用的过渡。第四，在动物实验模型EIT研究的基础上，进入对临床病患的EIT应用研究。这也是EIT迈向实际应用的最重要、最关键的一个环节。最后，构造多频、高频、更高信噪比的EIT数据采集系统，也是EIT技术能否应用到实际中的关键因素。

但目前的成像装置硬件电路设计中使用移相器所带来不可避免的参数误差，降低了灵活度以及无法具备更好的精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于FPGA的多频电阻抗成像装置，解决目前的成像装置硬件电路设计中使用移相器所带来不可避免的参数误差，降低了灵活度以及无法具备更好的精度的问题，设计具有更好的实时性，更高的数据采集精度和分辨率的多频电阻抗成像装置。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于FPGA的多频电阻抗成像装置，包括：FPGA处理器、DA转换电路、差分电流至单端电压电路、电压幅值调节电路、电压控制电流源电路、多路开关、物理模型、前置高通滤波电路、差分放大电路、可变增益放大电路、程控滤波电路、相敏解调电路、AD转换电路和PC机；

其中，所述FPGA处理器生成正余弦数字信号及控制DA转换电路将其转化成差分电流信号，并经差分电流至单端电压电路生成单端电压信号；所述电压幅值调节电路根据单端电压信号调节生成正余弦电压信号，并经电压控制电流源电路将正余弦电压信号转换为恒流源且作为激励电流通过多路开关选择激励电流通道时输入物理模型；所述FPGA处理器还控制多路开关切换选择至电压数据采集通道，将采集的物理模型产生的电压信号输入前置高通滤波电路滤波，并依次经差分放大电路和可变增益放大电路进行两级放大及由程控滤波电路滤波后输入相敏解调电路；所述相敏解调电路将所述正余弦电压信号作为参考信号对程控滤波后的信号进行相敏解调获得模拟信号，并经AD转换电路转换获得数字信号，由PC机根据数字信号处理获得待测物体的电阻抗成像图。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述电压幅值调节电路生成频率可控且幅值可调的正余弦电压信号。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述DA转换电路采用双路14位DA转换电路。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述多路开关采用16通道多路开关。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述物理模型内设置不锈钢电极片。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明的基于FPGA的多频电阻抗成像装置，通过将外部激励电流信号注入配置有电极系统的物体表面，FPGA处理器通过控制16通道的多路开关进行激励电流和电压数据采集通道的切换，然后获得生物体的体表电压信号，将信号进行处理后得到可进行成像的数据，利用相关成像算法来实现电阻抗成像的图像重建。

因此，本发明的具备如下优点：

1)FPGA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，众多的IO接口便于系统扩展更多的功能；

2)利用FPGA处理器自带的IP核资源外接其他硬件电路，可以同时生成两路频率可控、幅值可调的正余弦电压信号，克服了以往硬件电路设计中使用移相器所带来的不可避免的参数误差，提供了更大的灵活度以及更好的精度；

3)程控滤波器的使用扩大了系统激励频率的范围，可以有效地对采集出来的电压信号进行针对性滤波，使得采集出来的电压信号更加纯净，减少不必要的干扰，为后续相敏解调电路提供了很好的精度。

附图说明

图1是本发明的基于FPGA的多频电阻抗成像装置模块示意图。

图2是本发明的双路14位DA转换电路原理图。

图3是本发明的差分电流至单端电压以及电压幅值调节电路图。

图4是本发明的电压控制电流源电路原理图。

图5是本发明的16通道多路开关测量原理图。

图6是本发明的差分放大电路和可变增益放大电路原理图。

图7是本发明的相敏解调电路原理图。

图8是本发明的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实施方式进行描述。

如图1所示，本发明设计了一种基于FPGA的多频电阻抗成像装置，包括：FPGA处理器(1)、DA转换电路(2)、差分电流至单端电压电路(3)、电压幅值调节电路(4)、电压控制电流源电路(5)、多路开关(6)、物理模型(7)、前置高通滤波电路(8)、差分放大电路(9)、可变增益放大电路(10)、程控滤波电路(11)、相敏解调电路(12)、AD转换电路(13)和PC机(14)。其中，FPGA处理器(1)自带的IP核，其自带的IP核与DA转换电路(2)相连，所述DA转换电路(2)与差分电流至单端电压电路(3)、电压幅值调节电路(4)、电压控制电流源电路(5)依次相连；所述电压控制电流源电路(5)与连接FPGA处理器(1)的多路开关(6)相连；且所述多路开关(6)还与前置高通滤波电路(8)相连；所述前置高通滤波电路(8)与差分放大电路(9)、可变增益放大电路(10)、程控滤波电路(11)、相敏解调电路(12)、AD转换电路(13)和PC机(14)依次相连。

装置中，所述FPGA处理器(1)自带的IP核生成正余弦数字信号及控制DA转换电路(2)将其转化成差分电流信号，并经差分电流至单端电压电路(3)生成单端电压信号；所述电压幅值调节电路(4)根据单端电压信号调节生成正余弦电压信号，并经电压控制电流源电路将正余弦电压信号转换为恒流源且作为激励电流通过多路开关(6)选择激励电流通道时输入物理模型(7)；所述FPGA处理器(1)还控制多路开关切换选择(6)至电压数据采集通道，将采集的物理模型(7)产生的电压信号输入前置高通滤波电路(8)滤波，并依次经差分放大电路(9)和可变增益放大电路(10)进行两级放大及由程控滤波电路(11)滤波后输入相敏解调电路；所述相敏解调电路(12)将所述正余弦电压信号作为参考信号对程控滤波后的信号进行相敏解调获得模拟信号，并经AD转换电路(13)转换获得数字信号，由PC机(14)根据相关成像算法对数字信号处理获得待测物体的电阻抗成像图。

优选地，所述电压幅值调节电路(4)可以同时生成峰峰值±5V以内，频率可控、幅值可调的正余弦电压信号，克服了以往硬件电路设计中使用移相器所带来的不可避免的参数误差，进一步提供了更大的灵活度以及更好的精度。

所述DA转换电路(2)，优选采用双路14位DA转换电路，利用FPGA处理器(1)自带的IP核资源外接双路14位的DA转换电路(2)，该电路采用AD公司的双通道DA芯片AD9767实现数模转换，其电路结构如图2所示，芯片AD9767具有双端口、高速、双通道、片内集成两个高品质内核、一个基准电压源和数字接口电路，提供出色的交流和直流性能，同时支持最高125MSPS的更新速率等优点。本装置中两通道同时工作，每通道14位位宽有效地提高了整个系统的精度。经过差分电流至单端电压电路(3)以及电压幅值调节电路(4)，其电路结构如图3所示，该电路采用AD公司的芯片AD8065，芯片AD8065性能出色、易于使用，采用AD公司专有的XFCB工艺制造、工作噪声极低、输入阻抗非常高，一片用于差分电流至单端电压电路，一片用于电压幅值调节电路，四片AD8065即可完成两通道信号的同步生成，频率可控、幅值可调、峰峰值在±5V以内的正余弦电压信号分别作为电压控制电流源电路(5)的输入信号以及后续的相敏解调电路(12)的参考信号。

本装置电压控制电流源电路(5)，优选采用改进的Howland电流源，其电路结构如图4所示，该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。

电路中的负载阻抗为：

R_L＝V_L/I_L (1)

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：

式中V_O为：

式中的V_I为输入电压信号，V_I＝V_-＝V₊，则V_L为：

则输出阻抗为：

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。

此时，负载电流I_L的值为：

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作为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。

以及，所述多路开关(6)优选采用16通道，如采用MAXIM公司的MAX396芯片，如图5所示，MAX396是高性能、高精度的CMOS模拟多路复用器，它的导通电阻最大为100Ω，通道间的导通电阻之差小于6Ω，在指定的信号范围内能保持10Ω以内的平坦度，具有小于250ns的快速转换时间，符合电阻抗成像系统的要求。它由A3A2A1A0和EN共同控制16选1的功能，因此使用4片就可以实现EIT系统对16个电极的控制要求，其中2片构成激励电流通道选通电路，2片构成电压测量通道选通电路。在FPGA处理器(1)的控制下，采用两片多路开关并联的方式就可以实现16选2任意的电流注入方式，而电压测量选通电路与电流注入选通电路相似，只是信号的流向相反，即对物理模型(7)的另一对测量电极上采集电压信号。

本装置采用相邻驱动方式，则每完成一次相邻电极的电流驱动，就需要在其余相邻电极上完成13次电压测量。例如：电流从1、2电极注入，从3、4电极开始测量电压，再测量4、5的电压，依次测量至15、16电极的电压。这样就完成了一个周期的测量，接着再向2、3电极注入电流进行测量，以此类推。直至完成全部的测量，获得208个电压数据。

所述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，因此在输入至差分放大电路前需要进行滤波。采用前置高通滤波电路(8)，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。电压信号的正负端分别经前置高通滤波电路(8)后差分输入至差分放大电路(9)。所述差分放大电路(9)采用AD公司的性能优良的差分放大器AD8130，AD8130在高频段拥有极高的共模抑制比，具有与增益无关的高输入阻抗，差分输入阻抗为1MΩ，在保持信号完整性的情况下，共模电压输入范围为±10.5V，低噪音、低失真，这些特性符合系统对差分放大电路的要求。

由于测量电极上的电压信号具有较宽的动态范围，最大值与最小值相差一到两个数量级，为了保证小信号不被淹没，需要将信号进行二级放大。可变增益放大电路(10)采用TI公司的可编程增益仪器放大器PGA207，PGA207具有1、2、5、10四个增益选项，可通过程序设置A1、A0引脚电平的高低来进行控制。它具有较高的精度、较低的失调电压和较高的共模抑制比，内部输入保护能够承受高达±40V的电压而不会损坏模拟输入，因此适合作为信号的二级放大电路。信号两级放大电路原理图如图6。所示图6中，采用电压跟随器来隔离采集电路和电极，差分放大电路(9)中的的R_f、R_g对增益的大小进行调解。

信号放大后通过程控滤波电路(11)，可以采用MAXIM公司的MAX264芯片，该芯片内集成了设计滤波器所需的电阻电容，在应用中几乎不用外接器件，使用非常简单，其中心频率、Q值以及工作模式都可以通过对引脚编程控制，它可以工作于带通、低通、高通、带阻或是全通模式，时钟输入，外接时钟信号或晶振，和5比特编码控制可以精确地设置中心频率及Q值在0.5至64。通过减小f_clk/f_o比值，可使其通带截止频率达140kHz。可以有效地滤除采集信号中的无用信号和干扰噪声，使波形更加纯净，为后续相敏解调电路提供了很好的精度。

在EIT系统中，施加的激励为电流源，所以在测量电极上采集得到的是交变电压信号，其包含实部信息与虚部信息，因此需要运用相敏解调技术得到测得电压信号的实部信息和虚部信息。本发明的相敏解调电路(12)采用开关解调技术，解调电路原理图如图7所示，开关解调是将与参考信号频率和相位都相同的信号进行半波整流，然后通过一个低通滤波器滤除不需要的交流信号分量，得到测量电压信号的实部信息，若将该频率信号移相90°作为参考信号，可以得到测量电压信号的虚部信息，本装置系统中相敏解调电路采用AD公司的高精度平衡调制器芯片AD630，其信号处理应用包括平衡调制和解调，同步检波，相位检测，正交检波，相敏检波，锁相放大，和方波乘法。本装置利用IP核资源产生相位差始终在90°的正余弦信号，分别作为实部信息的参考信号以及虚部信息的参考信号进行同步实时解调，可以体现本装置结构的优越性以及灵活性。采用正余弦波信号代替方波信号作为参考信号进行相敏解调，解调出的波形比方波效果更好，具有更少的噪声，符合电阻抗成像系统的要求。

所述AD转换电路(13)优选采用16位转换电路，其将模拟信号转换成数字信号，供数据进行传输。如图8所示，可以采用AD公司的16位8通道同步采样芯片AD7606，采样率高达200K。片上集成模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型ADC内核、数字滤波器、2.5V基准电压源及缓冲、高速串行和并行接口。AD7606采用5V单电源供电，不再需要正负双电源，并支持真正±10V或±5V的双极性信号输入。所有的通道均能以高达200KSPS的速率进行采样，同时输入端箝位保护电路可以承受最高达±16.5V的电压。

以及，所述电极物理模型(7)使用一个圆柱形水槽作为生物体组织的物理模型，该水槽高10cm，直径25cm，在水槽的内壁同一高度沿着圆周等距安放16个不锈钢电极片，不锈钢电极片长4cm，宽2cm。水槽中盛放溶度为0.9％NaCl溶液，可以为生理盐水。

综上，本发明的装置利用FPGA处理器自带的IP核资源外接其他硬件电路，可以同时生成两路频率可控、幅值可调的正余弦电压信号，克服了以往硬件电路设计中使用移相器所带来的不可避免的参数误差，提供了更大的灵活度以及更好的精度。程控滤波器的使用扩大了系统激励频率的范围，可以有效地对采集出来的电压信号进行针对性滤波，使得采集出来的电压信号更加纯净，减少不必要的干扰，为后续相敏解调电路提供了很好的精度。

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 (5)

1.一种基于FPGA的多频电阻抗成像装置，其特征在于，包括：FPGA处理器、DA转换电路、差分电流至单端电压电路、电压幅值调节电路、电压控制电流源电路、多路开关、物理模型、前置高通滤波电路、差分放大电路、可变增益放大电路、程控滤波电路、相敏解调电路、AD转换电路和PC机；

其中，所述FPGA处理器生成正余弦数字信号及控制DA转换电路将其转化成差分电流信号，并经差分电流至单端电压电路生成单端电压信号；所述电压幅值调节电路根据单端电压信号调节生成正余弦电压信号，并经电压控制电流源电路将正余弦电压信号转换为恒流源且作为激励电流通过多路开关选择激励电流通道时输入物理模型；所述FPGA处理器还控制多路开关切换选择至电压数据采集通道，将采集的物理模型产生的电压信号输入前置高通滤波电路滤波，并依次经差分放大电路和可变增益放大电路进行两级放大及由程控滤波电路进行滤波后输入相敏解调电路；所述相敏解调电路将所述正余弦电压信号作为参考信号对程控滤波后的信号进行相敏解调获得模拟信号，并经AD转换电路转换获得数字信号，由PC机根据数字信号处理获得待测物体的电阻抗成像图。

2.根据权利要求1所述基于FPGA的多频电阻抗成像装置，其特征在于：所述电压幅值调节电路生成频率可控且幅值可调的正余弦电压信号。

3.根据权利要求1所述基于FPGA的多频电阻抗成像装置，其特征在于：所述DA转换电路采用双路14位DA转换电路。

4.根据权利要求1所述基于FPGA的多频电阻抗成像装置，其特征在于：所述多路开关采用16通道多路开关。

5.根据权利要求1所述基于FPGA的多频电阻抗成像装置，其特征在于：所述物理模型内设置不锈钢电极片。