CN107320101A - 一种多频电阻抗成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频电阻抗成像系统，主要是根据多种频率下生物组织显现电阻抗不同进行成像。该系统包括数据采集卡、电压转电流电路、多路开关电路、待测物体、信号放大电路和计算机，系统采用虚拟仪器结构，由LabVIEW平台结合数据采集卡及外围硬件实现，利用高精度的数据采集卡，提高系统测试精度和稳定性，充分发挥虚拟仪器技术组建系统灵活方便的特点，便于系统扩展。激励信号采用多个频率正弦信号叠加的混频信号，多频信号一次注入到物理模型中，测得的电压信号经处理后，得到各个频率下的电压信息，从而提高系统成像速度。

Description

一种多频电阻抗成像系统

技术领域

本发明涉及一种新型无损伤生物医学检测与成像技术，特别涉及一种多频电阻抗成像系统。

背景技术

近年来，电阻抗成像技术作为一种新型的成像检测技术，由于其无创无辐射及成本低廉、信息丰富等特点，受到了国际学术界的广泛关注，并呈现出很好的应用前景。通过给被测物体周围的驱动电极施加微小的激励电流，然后测量目标周围分布的电压信息,并据此重构出能反映物体生理及病理变化的阻抗图像。

20世纪80年代初，英国Sheffield大学的Barber和Brown开始研究EIT技术，首次构建了一个完整的EIT硬件系统。在这30多年来，相继有美国、英国、法国、俄罗斯、印度、日本等30多个国家的技术人员着力于电阻抗成像技术的研究。研究也从最初的单一频率成像，逐渐开展研发了一种多频的成像方式，其中多频成像方式又可分为两种类型：准静态成像和组织电阻抗特征参数成像。准静态成像方式基于生物组织的电阻抗频谱特性，不同频率点的阻抗信息也相应不同，在向被测试物体连续施加多种激励频率电流的情况下，提取多次不同的阻抗信息，进行图像重构。

现有技术的难点主要表现在：多频电阻抗成像有多个频率的激励信号，现在通常使用扫频方式，将多个频率激励信号逐一注入系统，这种方式不仅测量速度慢，而且会产生动态误差；目前电阻抗测试系统一般全部采用硬件模块实现，不便于频率的改变，组建系统不灵活。因此，亟需一种测量速度快、成像质量高、灵活方便，并且能实时成像的系统。

发明内容

为了克服现有技术中电阻抗成像过程中成像分辨率不高、不能实时成像、成像存在伪影等缺陷，本发明提供一种多频电阻抗成像系统，利用生物组织的电阻抗频谱特性，采用混率激励信号，采集不同频率下的电压信号，对多个频率信号加权相减后进行成像。采用虚拟仪器技术与硬件相结合的方式，进行数据的采集与分析处理，实现实时连续数据采集和波形实时显示，并且系统一体化，在上位机界面直接显示成像结果。充分发挥虚拟仪器技术在硬件处理模块基础上软件编程灵活的特点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种多频电阻抗成像系统，包括计算机、数据采集卡、电压转电流电路、多路开关电路、测量多路开关电路、信号放大电路以及N个电极片，其中，多路开关电路包括激励多路开关电路、测量多路开关电路，N个电极片顺序粘贴在待测物体上。

计算机控制数据采集卡输出多个频率正弦信号叠加的电压信号，该电压信号经电压转电流电路后转化为多频电流信号，作为激励信号；计算机通过数据采集卡控制激励多路开关电路依次选通N个电极片中每两个相邻的电极片，将激励信号通过这两个电极片注入被测物体，其中，激励多路开关电路每选通两个相邻的电极片时，计算机通过数据采集卡控制测量多路开关电路依次选通剩余N-2个电极片中每两个相邻的电极片，将被测物体的输出电压传输至信号放大电路进行放大；数据采集卡将经信号放大电路放大后的电压信号传输至计算机，计算机根据接收到的电压信号通过成像算法进行图像重构，呈现相应的电阻抗分布图。

作为本发明的进一步技术方案，N的取值为16或32。

作为本发明的进一步技术方案，电压转电流电路为改进的Howland电压转电流电路，包括电源、第一至第六电阻、第一至第三电容和运算放大器，其中，第一电阻R1的一端与电源连接，另一端分别连接运算放大器的反相输入端、第五电阻R4的一端、第二电容C2的一端，第五电阻R4的另一端分别连接第二电容C2的另一端、运算放大器的输出端、第二电阻R2A的一端，第二电阻R2A的另一端分别连接第三电阻R2B的一端、第六电阻RL的一端，第六电阻RL的另一端作为输出，第三电阻R2B的另一端分别连接第一电容C1的一端、第四电阻R3的一端、运算放大器的正相输入端，第一电容C1的另一端、第四电阻R3的另一端分别与数据采集卡的输出连接，第三电容C3的两端分别与运算放大器的正、负电源端连接。

作为本发明的进一步技术方案，多路开关电路包括四片型号为MAX396的模拟多路变换器，其中，两片作为激励多路开关电路，两片作为测量多路开关电路。

作为本发明的进一步技术方案，信号放大电路包括依次连接的电压跟随器、第一放大电路和第二放大电路，其中，电压跟随器包括两个运算放大器，第一放大电路为型号为AD624的仪器放大器，第二放大电路为型号为PGA207UA的可编程增益仪器放大器。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）激励信号采用混频方式，一次能输出多个频率信号，缩短测量时间；

（2）采用多频率激励信号，根据不同频率下生物组织电阻抗的差异进行成像，能较好的反应物体的位置信息，有效地消除了动态图像重构误差大的缺点，得到较高的成像质量和对比度；

（3）信号激励、信号采集和开关控制均由数据采集卡实现，输出的信号和采集的信号更加精确；

（4）基于虚拟仪器的控制，充分利用数据采集卡的功能，方便用户自定义调节，结构紧凑，易于系统集成，灵活组态。

附图说明

图1为本发明系统结构原理图。

图2为本发明电压转电流电路原理图。

图3为多路开关电路原理图。

图4为信号放大电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开了一种多频电阻抗成像系统，主要是根据多种频率下生物组织显现电阻抗不同进行成像。如图1所示该系统包括数据采集卡、电压转电流电路、多路开关电路、信号放大电路和计算机。该系统采用虚拟仪器结构，由LabVIEW平台结合数据采集卡及外围硬件实现，利用高精度的数据采集卡，提高系统测试精度和稳定性，充分发挥虚拟仪器技术组建系统灵活方便的特点，便于系统扩展。激励信号采用多个频率正弦信号叠加的混频信号，多频信号一次注入到物理模型中，测得的电压信号经处理后，得到各个频率下的电压信息，从而提高系统成像速度。多路开关电路由计算机软件控制数据采集卡输出数字信号进行切换选通。

计算机控制数据采集卡输出多个频率正弦信号叠加的电压信号，该电压信号经电压转电流电路后转化为多频电流信号，作为激励信号。计算机通过数据采集卡控制激励多路开关电路依次选通N个电极片中每两个相邻的电极片，将激励信号通过这两个电极片注入被测物体，其中，激励多路开关电路每选通两个相邻的电极片时，计算机通过数据采集卡控制测量多路开关电路依次选通剩余N-2个电极片中每两个相邻的电极片，将被测物体的输出电压传输至信号放大电路进行放大。数据采集卡将经信号放大电路放大后的电压信号传输至计算机，计算机对接收到的电压信号进行处理和成像，呈现相应的电阻抗分布图。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：

如图2所示，本实施例中待测物体为圆柱形水槽，在水槽内壁相同的高度粘贴16个大小材质相同的长方形不锈钢电极片。每个电极使用鳄鱼夹后接导线与多路开关进行连接，导电性好，便于获得准确的实验数据。水槽当中需要盛放浓度为0.1%的盐水，高度没过电极片2至3厘米。

如图2所示，电压转电流电路采用改进的Howland电压转电流电路。该电路的输出电流只与电路输入信号电压值和R3的值有关，只要保持输入信号与R3的值不变，输出电流恒定不变。R2A、R2B解决输入阻抗匹配影响；C1、C2、C3作为补偿电容保证获得高输出阻抗高精度的电流。

如图3所示，多路开关电路包括四片MAX396，其中，激励多路开关电路和测量多路开关电路中各包括两片MAX396。该芯片是一个16通道，高精度的CMOS模拟多路复用器，开关切换速度快泄漏电流小。将两片开关并联即可完成16选2的功能，其中两片为激励电流通道控制开关，两片为电压测量通道控制开关。该部分的开关均由计算机控制，在本系统当中采用相邻激励的方式，例如：若选择电极1、2作为激励输入端，则需要测量其余13组相邻电极3、4，4、5，……，15、16的电压差，从而完成一个周期的测量，以此类推，继续选择电极2、3作为激励输入端，则需要测量其余13组相邻电极4、5，5、6，……，15、16，16、1的电压差，……，直至选择电极16、1作为激励输入端，则需要测量其余13组相邻电极2、3，3、4，……，14、15的电压差，从而完成所有测量。

如图4所示的信号放大电路，本发明中为保证前后电路不互相影响，选用两个OP27精密运算放大器做电压跟随器，以隔离两部分电路。由于采集到的电压信号混有一定的直流分量和噪声，因此选用高通滤波电路进行滤波处理。因为采集到的电压信号非常微小，在几十毫伏左右，所以需要进行放大。本实施例中，信号放大电路中的电压放大包括两个部分：第一部分使用AD624仪器放大器完成对电压信号的首次放大，该芯片具有低噪声、高增益精度、低增益温度系数和高线性度，其放大倍数由外加可变电阻控制，增益范围1至1000；第二部分由可编程芯片PGA207UA完成第二次放大，其放大倍数由计算机输出信号至A0、A1控制放大倍数。本实施例中，采用两次放大有利于获得更加准确的信号。

本实施例的具体工作流程如下：

1、计算机控制数据采集卡输出多种频率的正弦激励信号，经电压转电流电路将信号转化为电流信号，再经过激励多路开关注入待测物体；

2、由测量多路开关控制将被测物体的输出电压信号送至放大电路，再由数据采集卡送至计算机；

3、计算机接收到的电压信号经过滤波、谱分析后得到各个频率电压信号的幅度和相位，再经过成像算法进行图像重构，呈现相应电阻抗分布图。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种多频电阻抗成像系统，其特征在于，包括计算机、数据采集卡、电压转电流电路、多路开关电路、测量多路开关电路、信号放大电路以及N个电极片，其中，多路开关电路包括激励多路开关电路、测量多路开关电路，N个电极片顺序粘贴在待测物体上；

计算机控制数据采集卡输出多个频率正弦信号叠加的电压信号，该电压信号经电压转电流电路后转化为多频电流信号，作为激励信号；计算机通过数据采集卡控制激励多路开关电路依次选通N个电极片中每两个相邻的电极片，将激励信号通过这两个电极片注入被测物体，其中，激励多路开关电路每选通两个相邻的电极片时，计算机通过数据采集卡控制测量多路开关电路依次选通剩余N-2个电极片中每两个相邻的电极片，将被测物体的输出电压传输至信号放大电路进行放大；数据采集卡将经信号放大电路放大后的电压信号传输至计算机，计算机根据接收到的电压信号通过成像算法进行图像重构，呈现相应的电阻抗分布图。

2.根据权利要求1所述的一种多频电阻抗成像系统，其特征在于，N的取值为16或32。

3.根据权利要求1所述的一种多频电阻抗成像系统，其特征在于，电压转电流电路为改进的Howland电压转电流电路，包括电源、第一至第六电阻、第一至第三电容和运算放大器，其中，第一电阻R1的一端与电源连接，另一端分别连接运算放大器的反相输入端、第五电阻R4的一端、第二电容C2的一端，第五电阻R4的另一端分别连接第二电容C2的另一端、运算放大器的输出端、第二电阻R2A的一端，第二电阻R2A的另一端分别连接第三电阻R2B的一端、第六电阻RL的一端，第六电阻RL的另一端作为输出，第三电阻R2B的另一端分别连接第一电容C1的一端、第四电阻R3的一端、运算放大器的正相输入端，第一电容C1的另一端、第四电阻R3的另一端分别与数据采集卡的输出连接，第三电容C3的两端分别与运算放大器的正、负电源端连接。

4.根据权利要求1所述的一种多频电阻抗成像系统，其特征在于，多路开关电路包括四片型号为MAX396的模拟多路变换器，其中，两片作为激励多路开关电路，两片作为测量多路开关电路。

5.根据权利要求1所述的一种多频电阻抗成像系统，其特征在于，信号放大电路包括依次连接的电压跟随器、第一放大电路和第二放大电路，其中，电压跟随器包括两个运算放大器，第一放大电路为型号为AD624的仪器放大器，第二放大电路为型号为PGA207UA的可编程增益仪器放大器。