CN108888269A - 一种电阻抗成像电极物理模型装置 - Google Patents

一种电阻抗成像电极物理模型装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电阻抗成像电极物理模型装置，由激励电流源，钛合金电极物理模型，信号采集处理单元，FPGA处理器以及PC机组成；所述激励电流源生成频率可以控制，幅值大小可以调节的正弦电流信号，并向钛合金电极物理模型注入激励电流，所述钛合金电极物理模型通过FPGA处理器控制驱动，并进行敏感电压信号测量，所获得的敏感电压信号输入至信号采集处理单元进行合理放大、滤波、解调以及AD模数转换处理，并将AD模数转换后得到的电压数据通过串口通信发送至PC机上。本发明不仅可以减轻电极物理模型制作的复杂度，同时能够采集更多的电压数据信息，能够更加准确地反应待测对象内部的阻抗分布情况。

Description

一种电阻抗成像电极物理模型装置
技术领域
本发明公开了一种电阻抗成像电极物理模型装置，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）是当今生物病理检测与临床医学重大研究课题，主要依据电导率在生物组织内部的分布情况，利用生物组织电阻抗绝对数值或差分数值进行目标成像的一种新型的医学成像手段。它是继形态成像、结构成像之后，于近40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。
在EIT技术问世之前，传统成像技术在早期临床医疗诊断方面发挥着举足轻重的作用，技术手段主要包括X光、CT等。随着当今电阻抗成像技术的不断深入发展，EIT技术不仅可以实现传统成像技术手段所无法实现的功能，并且具有无创伤、无辐射、低成本等特点，因此EIT技术的研究一直以来都是全球关注的热点。对于我国这样一个人口众多的发展中国家而言，EIT技术的深入研究与不断发展具有更加深远的意义。
目前，在国际上美国、英国、德国、法国、瑞典、印度、韩国等三十多个科研小组都在进行EIT技术的研究工作，成功实现了EIT技术由实验室阶段转向临床应用检测阶段，并对EIT技术硬件系统功能多样性进行了相关研究，同时也优化改进了EIT图像重构算法，使得算法重构后的图像包含更多的生理信息以及更能准确地反应生物组织内部的阻抗变化分布情况。
在国内，EIT技术起步相对较晚，直到20世纪90年代中期才开始进行电阻抗成像算法以及硬件系统相关方面的研究，但由于EIT技术具有良好的发展前景以及宽广的用途，目前已经有10多所大学的课题研究小组进行EIT技术方面的主要包括：天津大学、河北工业大学、重庆大学、第四军医大学以及天津科技大学等。
目前EIT技术仍然存在许多技术上的难点问题，主要有以下几个方面：
（1）EIT成像算法病态性问题；
（2）电压数据量与电极数目矛盾问题；
（3）激励电流源输出阻抗无穷大问题；
（4）高复杂度EIT硬件系统精度问题。
在先申请“一种基于FPGA的多频电阻抗成像装置”201710450277.8中，电阻抗成像装置中电极片的材质为不锈钢，其耐腐蚀性、材质强度以及导电性能均存在缺陷，考虑到EIT系统未来发展会越来越多地应用在医疗、化工等方面的检测问题上，因此钛合金材料会更加符合未来EIT技术越来越广的应用需求。其次，电极物理模型装置边缘处安装的电极片，其位置固定不变，且电极片与电极片之间存在着一定的距离，对于电极片之间的区域部分，暂没有进行有效地利用。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种电阻抗成像电机物理模型装置，不仅可以减轻电极物理模型制作的复杂度，同时能够采集更多的电压数据信息，能够更加准确地反应待测对象内部的阻抗分布情况。
为了达到以上目的，本发明提供了一种电阻抗成像电极物理模型装置，由激励电流源（1），钛合金电极物理模型（2），信号采集处理单元（3），FPGA处理器（4）以及PC机（5）组成；
所述激励电流源（1）生成频率可以控制，幅值大小可以调节的正弦电流信号，并向钛合金电极物理模型（2）注入激励电流，所述钛合金电极物理模型（2）通过FPGA处理器（4）控制驱动，并进行敏感电压信号测量，所获得的敏感电压信号输入至信号采集处理单元（3）进行合理放大、滤波、解调以及AD模数转换处理，并将AD模数转换后得到的电压数据通过串口通信发送至PC机（5）上。
本发明通过将激励恒流源生成的电流信号注入到电极物理模型装置中的电极对上，FPGA处理器分别控制两组独立马达电动机的旋转，一组马达电动机控制电极物理模型装置底端处电极对的角度方位来注入激励电流信号，同时，另一组马达电动机控制电极物理模型装置顶端处电极对的角度方位来进行电压信号的采集。将采集到的敏感电压信号输入至信号采集处理单元进行合理放大、滤波、解调以及AD模数转换处理，并将AD模数转换后得到的电压数据通过串口通信发送至PC机界面上，再利用相关图像重构算法来生成能够反应被测对象内部阻抗分布情况的图像。
进一步的，所述钛合金电极物理模型（2）由驱动电机、容器、钛合金电极对、连接支架及底座构成；所述容器为呈圆柱状的开口槽，所述驱动电机为两组并通过FPGA处理器控制，分别放置于容器的顶部及底部，二者通过设置于容器一侧的连接支架固定连接，顶部驱动电机的输出轴连接有顶部钛合金电极对，底部驱动电机的输出端连接有底部钛合金电极对，且两组钛合金电极对结构一致，对称分布，包括连接杆及其两端的电极片，所述连接杆的中心位置垂直连接有驱动电机的输出轴，且连接杆的长度小于容器的内径，使电极片沿所述容器内部边缘转动；所述容器的底部还安装有用于固定整个电机物理模型的底座。
进一步的，所述顶部驱动电机通过FPGA处理器控制驱动顶部钛合金电极对进行旋转，控制电极片的角度方位，以测量所述钛合金电极物理模型顶部边缘处任意位置上的敏感电压信号；
所述底部驱动电机通过FPGA处理器控制驱动底部钛合金电极对进行旋转，通过旋转方式控制电极片的角度方位，使得在电极物理模型底部边缘处任意位置上都可以进行激励电流信号的注入。
进一步的，所述连接支架包括与所述容器中心轴呈平行设置的支撑杆，所述支撑杆的两端分别垂直安装有上、下连接件，且上、下连接件分别与顶部驱动电机及底部驱动电机的输入端相连接；所述支撑杆近容器外壁的一侧设有滑槽，所述滑槽内配套安装有滑轨，所述上连接件可沿滑轨内上下移动以带动顶部驱动电机完成高度调节。
所述连接支架上排布有信号线，用来传输激励电流信号至底部电极，并将顶部电极对采集到的敏感电压信号输出至信号处理单元模块。且连接支架还可用以调节顶部电极对的高度位置；并固定顶部以及底部马达电动机装置，使得整个电极物理模型装置结构相对稳定。
进一步的，所述容器的底部内表面铺设有防止实验对象干扰底部驱动电机旋转的绝缘隔层，所述绝缘隔层的直径小于连接杆的长度。
进一步的，所述PC机（5）利用相关图像重构算法生成能够反应被测对象内部阻抗分布情况的图像，所述图像重构算法包括但不限于正则化高斯-牛顿算法、敏感矩阵算法。
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）本发明采用钛合金材料制作成电极片，替代原有电阻抗成像技术上经常使用的铜制电极片以及不锈钢制电极片，在耐腐蚀性、材质强度以及导电性能方面可以得到进一步的改善。
2）本发明采用活动电极装置进行激励电流注入以及敏感电压测量，替代原有电阻抗成像技术电极片位置固定不变，克服了以往技术手段无法有效地对电极对之间的待测区域进行电流激励以及电压测量的困难。
3）本发明中的钛合金电极总共4片，数量相对较少，两片用于激励电流注入，两片用于敏感电压信号测量，这样不仅可以减轻电极物理模型制作的复杂度，同时还可以保证后续信号处理单元能够采集到更多的电压数据信息，来重构被测对象内部阻抗分布图像。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的系统结构原理图。
图2 是本发明中的钛合金电极物理模型的结构示意图。
图3 是图2的底部细节图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
本实施例提供了一种电阻抗成像电极物理模型装置，由激励电流源（1），钛合金电极物理模型（2），信号采集处理单元（3），FPGA处理器（4）以及PC机（5）组成，如图1所示。
其中，激励电流源可以生成频率可以控制，幅值大小可以调节的正弦电流信号向钛合金电极物理模型注入激励电流；
FPGA处理器通过分别控制钛合金电极物理模型中的两组独立马达电动机的旋转，来实现钛合金电极物理模型中电极对所处不同角度方位来进行激励电流信号的注入以及敏感电压信号的采集；
钛合金电极物理模型将采集到的敏感电压信号输入至信号采集处理单元进行合理放大、滤波、解调以及AD模数转换处理，并将AD模数转换后得到的电压数据通过串口通信发送至PC机界面上。
钛合金电极物理模型的结构如图2、图3所示，由驱动电机、容器、钛合金电极对、连接支架及底座构成。其中，容器25为呈圆柱状的开口槽，用于放置实验对象，其底部内表面铺设有防止实验对象干扰底部驱动电机旋转的绝缘隔层28，容器的底部还安装有用于固定整个电机物理模型的底座27。
而驱动电机为两组，包括顶部驱动电机21及底部驱动电机22，分别放置于容器的顶部及底部，并通过FPGA处理器控制。同时，顶部驱动电机的输出轴连接有顶部钛合金电极对23，底部驱动电机的输出端连接有底部钛合金电极对24，且两组钛合金电极对结构一致，对称分布，包括连接杆及其两端的电极片，在连接杆的中心位置垂直连接有驱动电机的输出轴，且连接杆的长度小于容器的内径，使电极片能够沿容器内部边缘转动。
在容器一侧的设置有用于固定连接两组驱动电机的连接支架26，包括与容器中心轴呈平行设置的支撑杆，支撑杆的两端分别垂直安装有上、下连接件，且上、下连接件分别与顶部驱动电机及底部驱动电机的输入端相连接；且支撑杆近容器外壁的一侧设有滑槽，在滑槽内配套安装有滑轨，上连接件可沿滑轨内上下移动以带动顶部驱动电机完成高度调节。
同时，连接支架上排布有信号线，用来传输激励电流信号至底部电极，并将顶部电极对采集到的敏感电压信号输出至信号处理单元模块。且连接支架还可用以调节顶部电极对的高度位置；并固定顶部以及底部马达电动机装置，使得整个电极物理模型装置结构相对稳定。
本实施例的工作流程如下：
1、接通电源，激励电流源（1）开始工作，生成高精度的频率可变、幅值可调的激励电流信号；
2、FPGA处理器（4）控制钛合金电极物理模型（2）底部的驱动电机驱动底部钛合金电极对沿容器内部边缘进行平滑转动，通过旋转方式控制电极片的角度方位，使得在电极物理模型底部边缘处任意位置上都可以进行激励电流信号的注入；
3、FPGA处理器（4）控制钛合金电极物理模型（2）顶部的驱动电机驱动顶部钛合金电极对沿容器内部边缘进行平滑转动，通过旋转方式控制电极片的角度方位，以测量钛合金电极物理模型顶部边缘处任意位置上的敏感电压信号；并通过连接支架调节顶部钛合金电极对的高度，使电极片能够伸入待测实验对象内；
4、从电极对上测量得到的敏感电压信号经过信号采集处理单元（3），进行合理放大、滤波、解调以及AD模数转换处理，并将AD模数转换后得到的电压数据通过串口通信发送至PC机（5）界面；
5、PC机（5）利用正则化高斯-牛顿算法、敏感矩阵算法等相关图像重构算法来生成能够反应被测对象内部阻抗分布情况的图像。
本实施例采用活动电极旋转方式可以对模型装置边缘处的任一位置处进行激励电流注入以及电压信号的测量，且采用的电极片数量相对较少，不仅可以减轻电极物理模型制作的复杂度，还能够采集到更多的电压数据信息，因此能够更加准确地反应待测对象内部的阻抗分布情况。
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 (8)

1.一种电阻抗成像电极物理模型装置，其特征在于：由激励电流源（1），钛合金电极物理模型（2），信号采集处理单元（3），FPGA处理器（4）以及PC机（5）组成；
所述激励电流源（1）生成频率可以控制，幅值大小可以调节的正弦电流信号，并向钛合金电极物理模型（2）注入激励电流，所述钛合金电极物理模型（2）通过FPGA处理器（4）控制驱动，并进行敏感电压信号测量，所获得的敏感电压信号输入至信号采集处理单元（3）进行合理放大、滤波、解调以及AD模数转换处理，并将AD模数转换后得到的电压数据通过串口通信发送至PC机（5）上。
2.根据权利要求1所述的电阻抗成像电极物理模型装置，其特征在于：所述钛合金电极物理模型（2）由驱动电机、容器、钛合金电极对、连接支架及底座构成；所述容器为呈圆柱状的开口槽，所述驱动电机为两组并通过FPGA处理器控制，分别放置于容器的顶部及底部，二者通过设置于容器一侧的连接支架固定连接，顶部驱动电机的输出轴连接有顶部钛合金电极对，底部驱动电机的输出端连接有底部钛合金电极对，且两组钛合金电极对结构一致，对称分布；所述容器的底部还安装有用于固定整个电机物理模型的底座。
3.根据权利要求2所述的电阻抗成像电极物理模型装置，其特征在于：钛合金电极对包括连接杆及其两端的电极片，所述连接杆的中心位置垂直连接有驱动电机的输出轴，且连接杆的长度小于容器的内径，使电极片沿所述容器内部边缘转动。
4.根据权利要求3所述的电阻抗成像电极物理模型装置，其特征在于：所述顶部驱动电机通过FPGA处理器控制驱动顶部钛合金电极对进行旋转，控制电极片的角度方位，以测量所述钛合金电极物理模型顶部边缘处任意位置上的敏感电压信号；
所述底部驱动电机通过FPGA处理器控制驱动底部钛合金电极对进行旋转，通过旋转方式控制电极片的角度方位，使得在电极物理模型底部边缘处任意位置上都可以进行激励电流信号的注入。
5.根据权利要求2所述的电阻抗成像电极物理模型装置，其特征在于：所述连接支架包括与所述容器中心轴呈平行设置的支撑杆，所述支撑杆的两端分别垂直安装有上、下连接件，且上、下连接件分别与顶部驱动电机及底部驱动电机的输入端相连接；所述支撑杆近容器外壁的一侧设有滑槽，所述滑槽内配套安装有滑轨，所述上连接件可沿滑轨内上下移动以带动顶部驱动电机完成高度调节。
6.根据权利要求5所述的电阻抗成像电极物理模型装置，其特征在于：所述连接支架上排布有用于传输激励电流信号至底部电极片及将采集到的敏感电压信号输出至信号处理单元（3）的信号线。
7.根据权利要求3所述的电阻抗成像电极物理模型装置，其特征在于：所述容器的底部内表面铺设有防止实验对象干扰底部驱动电机旋转的绝缘隔层，所述绝缘隔层的直径小于连接杆的长度。
8.根据权利要求1所述的电阻抗成像电极物理模型装置，其特征在于：所述PC机（5）利用图像重构算法生成能够反应被测对象内部阻抗分布情况的图像，所述图像重构算法包括但不限于正则化高斯-牛顿算法、敏感矩阵算法。
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