CN109431503A - 一种无线传输的微型eit装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种无线传输的微型EIT装置，包括微型电极物理模型、多路开关、激励电流源、数据采集和处理电路以及FPGA处理器，所述微型电极物理模型与所述多路开关电性连接，所述激励电流源借助所述多路开关与所述数据采集和处理电路电性连接，所述多路开关、激励电流源、数据采集和处理电路三者均与所述FPGA处理器电性连接。本发明以FPGA处理器为核心，将微型电极物理模型通过PCB技术和硬件电路整合至电路板，简化了装置整体的电路结构、缩小了硬件的装配空间，节约了生产成本。由于装置内的信号传输均采用PCB板内走线，充分降低了外界干扰对信号传输所造成的影响，提高了系统的精度。

Description

一种无线传输的微型EIT装置

技术领域

本发明涉及一种EIT装置，具体而言，涉及一种无线传输的微型EIT装置，属于医学检测设备领域。

背景技术

电阻抗成像技术（Electrical Impedance Tomography,EIT）是当今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,于最近二十年才出现的新一代无损伤成像技术。EIT技术不但反映了解剖学结构,更重要的是可以给出功能性图像结果,这正是X-CT、核磁共振等其它成像技术所欠缺的。

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，采用邻近驱动、邻近测量模式进行实验。这引起生物医学界的广泛关注,并在工业监测、无损探伤等方面引起工业界兴趣。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。

目前国内的EIT研究尚处于起步阶段, 20世纪80年代末清华大学在国内首开研究。自上世纪90年代,天津大学、第四军医大学、北京航空航天大学、重庆大学和国防科技大学等也开始进行相关研究，对电阻抗问题进行探索。

近年来，随着生物学医药研究的不断深入，细胞培养在生物学药物研究中变得越来越重要，尽管目前已经有许多种方法可以监测培养细胞的结构和功能，但仍需一种新的、无创的方式来实现对细胞培养物的监测。电阻抗监测有助于提供与细胞增殖、形态和运动相关的信息，伴随着培养细胞电导率的变化，还可以检测对细胞物理或化学刺激的反应。也正是由于这种基于电阻抗的方法是非侵入性的，可以用来对细胞进行长期的监测，因此，可实现对培养细胞进行监测的微型EIT装置的开发与研究也就成为了目前的行业热点。

迄今为止，行业内所提出的大多数微型EIT系统与标准医疗EIT系统有很多共同之处。研发人员在微型样品容器的表面安装了一系列电极，并使用选定的电极注入一系列正弦电流，借助多个电极的测量电压进行EIT图像的重建。现有的微型EIT系统不仅保留了传统EIT技术中所存在的缺陷，并且在其微型化以后又产生了一些新的问题，主要表现在以下几个方面：

1、EIT技术本身具有病态性、欠定性以及非线性等缺陷，从而导致重建图像的分辨率较低、微尺度模型重建图像能力弱的问题。

2、激励电流的大小要考虑生物体的限制，需要从外界干扰中提取有用的微弱电流来获取相关的生理信息，目前的EIT系统硬件电路微型化以后会出现提取微弱电压信号时精度较差的问题。

3、EIT系统微型化以后对硬件的要求更高，随之而来的，高复杂度的硬件结构价格高昂，而如果为了节约成本、使用常规硬件又会造成装置使用精度低的问题。

综上所述，如何在现有技术的基础上提出一种新的微型EIT装置，在保证装置使用精度的同时，简化装置的电路结构、节约生产成本，也就成为了业内技术人员新的研究方向。

发明内容

鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明提出了一种无线传输的微型EIT装置，包括微型电极物理模型、多路开关、激励电流源、数据采集和处理电路以及FPGA处理器，所述微型电极物理模型与所述多路开关电性连接，所述激励电流源借助所述多路开关与所述数据采集和处理电路电性连接，所述多路开关、激励电流源、数据采集和处理电路三者均与所述FPGA处理器电性连接。

优选地，所述微型电极物理模型、多路开关、激励电流源以及数据采集和处理电路四者均固定设置于硬件电路板上。

优选地，所述硬件电路板的内部埋设有内部走线，所述微型电极物理模型、多路开关、激励电流源、数据采集和处理电路以及FPGA处理器之间均借助所述内部走线完成电性连接。

优选地，所述微型电极物理模型包括微型水槽及多个微型电极，所述微型水槽包括上水槽容器及下水槽容器，所述上水槽容器与所述下水槽容器相对称地设置于所述硬件电路板的上、下两端，所述上水槽容器与所述下水槽容器均与所述硬件电路板粘接固定，且所述上水槽容器与所述下水槽容器二者共轴设置。

优选地，所述上水槽容器与所述下水槽容器的形状、规格相同，所述上水槽容器与所述下水槽容器二者均为一端设置有开口的圆柱状容器，所述圆柱状容器的半径为5~10mm，高度为10~20mm。

优选地，多个所述微型电极均布于所述上水槽容器的外周侧，所述微型电极的数量为10~20个。

优选地，所述微型电极为L型不锈钢电极，所述L型不锈钢电极的上端整体镶嵌于所述上水槽容器的侧壁内，所述L型不锈钢电极的下端伸出并外露于所述上水槽容器的外周侧，所述L型不锈钢电极下端外露的部分预留有焊接口，所述焊接口通过焊接与所述内部走线电性连接。

优选地，所述激励电流源内至少包括电压转电流电路模块。

优选地，所述数据采集和处理电路内至少包括滤波电路及放大电路。

优选地，还包括无线传输组件，所述无线传输组件与所述FPGA处理器电性连接，所述FPGA处理器借助所述无线传输组件与PC设备无线连接，所述无线传输组件为zigbee无线传输组件。

与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：

本发明以FPGA处理器为核心，将微型电极物理模型通过PCB技术和硬件电路整合至电路板，简化了装置整体的电路结构、缩小了硬件的装配空间，节约了生产成本。由于装置内的信号传输均采用PCB板内走线，充分降低了外界干扰对信号传输所造成的影响，提高了系统的精度。

同时，本发明还通过Zigbee无线传输的方式实现了FPGA处理器与PC机之间的信号传输，简化了装置的线路连接结构，免除了有线连接的限制，实现了上位机和装置的空间分离，便于操控。

此外，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于同领域内其他成像装置的技术方案中，具有十分广阔的应用前景。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中微型电极物理模型所在部分的局部结构侧视图；

图3为本发明中微型电极物理模型所在部分的局部结构正视图；

图4为本发明中微型电极物理模型所在部分的局部结构俯视图；

其中：1、上水槽容器；2、微型电极；3、硬件电路板；4、下水槽容器。

具体实施方式

如图1~图4所示，本发明揭示了一种无线传输的微型EIT装置，包括微型电极物理模型、多路开关、激励电流源、数据采集和处理电路以及FPGA处理器，所述微型电极物理模型与所述多路开关电性连接，所述激励电流源借助所述多路开关与所述数据采集和处理电路电性连接，所述多路开关、激励电流源、数据采集和处理电路三者均与所述FPGA处理器电性连接。

所述微型电极物理模型、多路开关、激励电流源以及数据采集和处理电路四者均固定设置于硬件电路板3上。所述硬件电路板3为PCB板，所述硬件电路板3的内部埋设有内部走线，所述微型电极物理模型、多路开关、激励电流源、数据采集和处理电路以及FPGA处理器之间均借助所述内部走线完成电性连接。

所述微型电极物理模型包括微型水槽及多个微型电极2，所述微型水槽包括上水槽容器1及下水槽容器4，所述上水槽容器1与所述下水槽容器4相对称地设置于所述硬件电路板3的上、下两端，所述上水槽容器1与所述下水槽容器4均与所述硬件电路板3粘接固定，且所述上水槽容器1与所述下水槽容器4二者共轴设置。所述上水槽容器1与所述下水槽容器4将所述硬件电路板3夹在中间，在装配过程中可采用专用胶水粘合加固连接处，以保证其密封性。

所述上水槽容器1与所述下水槽容器4的形状、规格相同，所述上水槽容器1与所述下水槽容器4二者均为一端设置有开口的圆柱状容器，所述圆柱状容器的半径为5~10mm，高度为10~20mm。在本实施例中，所述圆柱状容器的半径优选为9mm，高度优选为15mm。

多个所述微型电极2均布于所述上水槽容器1的外周侧，所述微型电极2的数量为10~20个。在本实施例中，所述微型电极2的数量优选为16个，围绕所述上水槽容器1等距固定。

所述微型电极2为L型不锈钢电极，所述L型不锈钢电极的上端整体镶嵌于所述上水槽容器1的侧壁内，所述L型不锈钢电极的下端伸出并外露于所述上水槽容器1的外周侧，所述L型不锈钢电极下端外露的部分预留有焊接口，所述焊接口通过焊接与所述内部走线电性连接。

考虑到所述L型不锈钢电极与所述上水槽容器1之间的设置关系，在本实施例中，所述上水槽容器1与所述下水槽容器4均采用3D打印技术进行制作。

所述多路开关控制各所述微型电极2通道的开关切换，按照FPGA处理器内的程序，既控制激励电流通道选通电路，选通需要激励电流的电极，又可以控制电压测量通道选通电路，对需要采集的电压信号所在电极进行选通。

所述激励电流源内至少包括电压转电流电路模块。对FPGA处理器产生的频率可以进行调节的电压信号进行一系列处理后，由电压转电流模块输出正弦电流信号。

所述数据采集和处理电路内至少包括滤波电路及放大电路，其主要用于对待测物体周围的电压信号进行采集，并将电压信号进行一系列的滤波和放大。

所述的一种无线传输的微型EIT装置，还包括无线传输组件，所述无线传输组件与所述FPGA处理器电性连接，所述FPGA处理器借助所述无线传输组件与PC设备无线连接，所述无线传输组件为zigbee无线传输组件。Zigbee无线传输组件能够将经过数据采集和处理电路处理后的信号发送给PC设备或者将PC设备的指令向下发送给执行的电路。

所述FPGA处理器是整个系统的核心，按照相应程序控制激励电流源产生频率可以调节的正弦电流，控制多路开关的切换和对感应电极上电压的采集，以及控制将处理后的信号经zigbee无线传输组件发送到PC设备。

PC设备通过无线传输远程接收采集到的电压信号，并按相应算法进行图像重建，同时也可以通过无线传输发送指令，对激励信号的开关、频率大小进行控制。

以下简述本发明的工作流程，

接通电源之后后，装置中所述FPGA处理器产生频率可调节的多频正弦电压信号，通过激励电流源转换为稳定电流信号，电流信号经PCB电路板内走线传递至微型电极上，注入电极微型物理模型里。

所述FPGA处理器同时控制电极微型物理模型里物体表面电压信号的采集，采集到的信号经电极外侧导入硬件电路板3的内部走线传递，多路开关按照电压采集的顺序进行选通，经数据采集和处理电路进行一系列的滤波和放大，由Zigbee无线传输组件将其发送给PC设备， PC设备选取适当两种频率下采集到的实验数据，通过基于加权频差阻尼最小二乘法的准静态成像算法进行图像重构，最终得到待测物体的电阻抗成像图。

综上，本发明的装置利用FPGA处理器控制激励电流源，可以同时生成两路频率可控正弦电压信号，注入到电极微型物理模型里，其中电极物理模型通过3D打印技术将微型电极和容器进行结合并将多路开关、激励电流源、数据采集和处理电路整合在硬件电路板3上，不但缩小成像硬件系统的体积，而且避免了不必要的干扰。

总体而言，与现有技术相比，本发明具备以下几个方面的优点：

本发明以FPGA处理器为核心，将微型电极物理模型通过PCB技术和硬件电路整合至电路板，简化了装置整体的电路结构、缩小了硬件的装配空间，节约了生产成本。由于装置内的信号传输均采用PCB板内走线，充分降低了外界干扰对信号传输所造成的影响，提高了系统的精度。

同时，本发明还通过Zigbee无线传输的方式实现了FPGA处理器与PC机之间的信号传输，简化了装置的线路连接结构，免除了有线连接的限制，实现了上位机和装置的空间分离，便于操控。

此外，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于同领域内其他成像装置的技术方案中，具有十分广阔的应用前景。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种无线传输的微型EIT装置，其特征在于：包括微型电极物理模型、多路开关、激励电流源、数据采集和处理电路以及FPGA处理器，所述微型电极物理模型与所述多路开关电性连接，所述激励电流源借助所述多路开关与所述数据采集和处理电路电性连接，所述多路开关、激励电流源、数据采集和处理电路三者均与所述FPGA处理器电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种无线传输的微型EIT装置，其特征在于：所述微型电极物理模型、多路开关、激励电流源以及数据采集和处理电路四者均固定设置于硬件电路板（3）上。

3.根据权利要求2所述的一种无线传输的微型EIT装置，其特征在于：所述硬件电路板（3）的内部埋设有内部走线，所述微型电极物理模型、多路开关、激励电流源、数据采集和处理电路以及FPGA处理器之间均借助所述内部走线完成电性连接。

4.根据权利要求3所述的一种无线传输的微型EIT装置，其特征在于：所述微型电极物理模型包括微型水槽及多个微型电极（2），所述微型水槽包括上水槽容器（1）及下水槽容器（4），所述上水槽容器（1）与所述下水槽容器（4）相对称地设置于所述硬件电路板（3）的上、下两端，所述上水槽容器（1）与所述下水槽容器（4）均与所述硬件电路板（3）粘接固定，且所述上水槽容器（1）与所述下水槽容器（4）二者共轴设置。

5.根据权利要求4所述的一种无线传输的微型EIT装置，其特征在于：所述上水槽容器（1）与所述下水槽容器（4）的形状、规格相同，所述上水槽容器（1）与所述下水槽容器（4）二者均为一端设置有开口的圆柱状容器，所述圆柱状容器的半径为5~10mm，高度为10~20mm。

6.根据权利要求4所述的一种无线传输的微型EIT装置，其特征在于：多个所述微型电极（2）均布于所述上水槽容器（1）的外周侧，所述微型电极（2）的数量为10~20个。

7.根据权利要求4所述的一种无线传输的微型EIT装置，其特征在于：所述微型电极（2）为L型不锈钢电极，所述L型不锈钢电极的上端整体镶嵌于所述上水槽容器（1）的侧壁内，所述L型不锈钢电极的下端伸出并外露于所述上水槽容器（1）的外周侧，所述L型不锈钢电极下端外露的部分预留有焊接口，所述焊接口通过焊接与所述内部走线电性连接。

8.根据权利要求1所述的一种无线传输的微型EIT装置，其特征在于：所述激励电流源内至少包括电压转电流电路模块。

9.根据权利要求1所述的一种无线传输的微型EIT装置，其特征在于：所述数据采集和处理电路内至少包括滤波电路及放大电路。

10.根据权利要求1所述的一种无线传输的微型EIT装置，其特征在于：还包括无线传输组件，所述无线传输组件与所述FPGA处理器电性连接，所述FPGA处理器借助所述无线传输组件与PC设备无线连接，所述无线传输组件为zigbee无线传输组件。