CN110141236B - 用于阻抗成像的频变自适应阻抗采集控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于阻抗成像的频变自适应阻抗采集控制装置及方法，装置包括电极传感模块、选通模块、激励源、数据采集器、控制器、无效电极筛选模块，通过无效电极筛选模块将当前激励信号下，电极传感模块中采集到无效数据的电极标记为无效电极，这些无效电极的数据不会再传输到后端进行处理，则以此建立的阻抗数据矩阵能最大限度缩小，对后续计算能提高处理效率，且有效数据仍然保留，保证计算精度不变。
Description
技术领域
本发明涉及阻抗成像中阻抗采集电极的控制技术领域，具体的说，涉及一种用于阻抗成像的频变自适应阻抗采集控制装置及方法。
背景技术
阻抗成像所分析的数据全部由电极激励模型完成得到，而电极激励模型包括电极分布方式和控制方法，电极分布方式通常为若干个电极均匀或非均匀分布在待检测部位，控制方法则是将这些电极分为激励电极和采集电极，并对激励电极a、b与采集电极c、d的选通控制方法。激励电极由电流驱动并形成信号场，采集电极将接收到的信号强度上传即得到阻抗成像所需的基础数据。电极的驱动模式不同，即电流注入的方式不同，成像目标内电流场的分布则不同，从而导致待检测部位表面电压分布、测量值、动态范围、测量精度以及待检测部位表面测量对中心区域的敏感性均不同。常见的电极分布方式是根据电极数量进行均匀分布，常用的电极激励方式是同层、跨层和相邻、相对之间的组合。通过组合实现不同的电极激励模型，比如图2所示的相对激励相邻采集方式，将相对位置的2个电极作为激励电极，采集电极则为2个相邻位置的电极，依次进行采集，直到每个电极的数据均采集并记录。
然而在多电极系统中，总会存在一定数量电极电压幅值过低，导致阻抗检测系统不能识别其信号，在此情况下，现有的技术往往是将无法识别的信号设为0，避免引入错误数据，对阻抗成像(EIT)求解过程中逆问题的病态性起到一定抑制作用。但传到上位机的数据矩阵大小未改变，数据处理量仍然庞大，使后续算法耗时多、复杂性高，虽然求解精度维持，但是时间复杂度呈立方阶增大，并导致正问题求解过程慢。无法提高成像的效率，反而因为无效数据量冗余、有效数据不足而无法达到好的成像效果，不得不提高激励信号频率大小重新检测。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提出了一种用于阻抗成像的频变自适应阻抗采集控制装置及方法，可在不改变激励信号幅值大小的情况下，筛除掉无效数据，准确得到有效的采集电极数据，且减少传输的数据量，令后端的数据矩阵缩小，提高成像计算的效率，还能通过调节激励信号频率适应性调节采集数据量，增加成像精确度。
为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种用于阻抗成像的频变自适应阻抗采集控制装置，包括电极传感模块、选通模块、激励源、数据采集器、控制器，所述电极传感模块的工作端组与所述选通模块的选通端组连接，所述选通模块的激励输入端组连接激励源的输出端组，所述选通模块的数据输出端组连接所述数据采集器的输入端组，所述选通模块的控制端组连接所述控制器的选通控制端组，还包括无效电极筛选模块，所述无效电极筛选模块的筛选输出端连接所述控制器的无效电极输入端。
通过无效电极筛选模块将当前激励信号下，电极传感模块中采集到无效数据的电极标记为无效电极，这些无效电极的数据不会再传输到后端进行处理，则以此建立的阻抗数据矩阵能最大限度缩小，对后续计算能提高处理效率，且有效数据仍然保留，保证计算精度不变。
进一步设计，所述电极传感模块包括m×n个电极，其中，m为电极层层数，n为每个电极层的电极个数，每个所述电极均经所述选通模块接入所述激励源的正极输出端与负极输出端、所述数据采集器的第一输入端与第二输入端。
该设计为多层电极分布，由于m×n的数据联立更加复杂，同时，仅激励一对电极时，各层电极层的反应不同，离激励电极更远的电极层无效电极会更多，单独计算每层数据时有效数据数量不等，则筛选掉无效电极后，越少数据的层其计算成像越快，效果会更突出。
更进一步设计，所述选通模块包括对应于m个电极层的m组选通单元，每组选通单元均设置有激励正极选通芯片、激励负极选通芯片、第一数据选通芯片、第二数据选通芯片，每个所述激励正极选通芯片、激励负极选通芯片、第一数据选通芯片、第二数据选通芯片均包括n个电极选通接脚；
第i组选通单元中所述激励正极选通芯片的第j个电极选通接脚连接第i个电极层的第j个电极，第i组选通单元中所述激励负极选通芯片的第j个电极选通接脚连接第i个电极层的第j个电极，第i组选通单元中所述第一数据选通芯片连接第i个电极层的第j个电极，第i组选通单元中所述第二数据选通芯片的第j个电极选通接脚连接第i个电极层的第j个电极，其中，1≤i≤m，1≤j≤n。
每一层电极独立连接选通单元，可由控制器控制实现统一激励、单独采集，任意选取一对位置相对的电极进行激励，其余所有电极进行采集即可。
进一步设计，所述无效电极筛选模块的电极数据输入端连接所述数据采集器的输出端。
无效电极筛选模块的数据筛选值既可由操作者手动输入，也可根据实际采集的数据反馈自动判断，上述设计则选用后一种方式，其能够在保留有效数据的情况下，最大程度找出无效电极，即保证精度的情况下提高的效率更优。
进一步设计，所述控制器的激励控制端连接所述激励源的控制端。
出于激励信号可调节的考虑，控制器可改变激励源的输出，在有效数据不足时，提高激励源输出，保证成像数据更丰满。
一种用于阻抗成像的频变自适应阻抗采集控制方法，包括以下步骤：
S1，控制器设置任一电极层为激励层，并发送激励电极选通命令至选通模块，令该激励层的2个相对的电极作为激励电极的正、负极；
S2，无效电极筛选模块根据当前激励信号频率及激励电极位置确定无效电极位置，并将所述无效电极位置发送至所述控制器；
S3，所述控制器将所述无效电极位置所对应的电极设为非采集电极；
S4，所述控制器发送采集电极选通命令至所述选通模块，令2个相邻的采集电极选通；
S5，返回步骤S4，直至所有相邻的采集电极均选通一次，数据采集器得到所述激励电极在当前激励信号频率下的有效电极数据组。
上述设计能够适应各种激励信号频率，频率低时，将电极采集工作有效去除无效数据，从而保持计算精度不变的情况下减少数据量，提高后续处理效率，频率高时，在有效数据足够的情况下，可适当调小频率，节约能耗。
进一步设计，距离所述激励电极的正极最远、且距离所述激励电极的负极最近的采集电极为边缘电极，边缘电极会在每次改变激励信号频率后重新确定，则步骤S3与S4之间包括流程P：
P1，所述控制器控制选通所述边缘电极；
P2，所述控制器读取所述数据采集器采集的所述边缘电极的响应电压幅值，若该响应电压幅值低于系统检测精度，进入步骤P3，否则进入步骤S4；
P3，所述控制器发送提高激励信号频率命令至激励源，令激励源响应改变激励信号频率，并返回步骤P1，直至所述边缘电极的响应电压幅值不低于所述系统检测精度，进入步骤S4。
上述设计旨在识别去除一定无效数据后，后续计算能否达到成像的精度要求，若不能达到，则需提高激励信号频率，由于激励信号幅值未发生变化，前一频率下能正常采集到的有效数据也不会因为频率改变而发生变化，只会在此基础上增加前一频率的边缘电极以外，能够采集到有效数据的采集电极数量，令激励电极的场扩大，则对应的采集电极数量增加，有效数据增加，此时重新筛选当前激励信号的无效数据，从而获得更多响应电压幅值。
进一步的，步骤S2中确定无效电极位置的方法如下：
T1，所述无效电极筛选模块根据所述激励电极位置选取远离激励电极的正极、且距离激励电极的负极k个位置的电极为筛选测试电极，1≤k≤n/2；
T2，所述控制器控制选通所述筛选测试电极；
T3，所述无效电极筛选模块读取所述数据采集器采集的所述筛选测试电极的响应电压幅值；
若该响应电压幅值低于系统检测精度，则判定所述筛选测试电极为无效电极，且所有距离激励电极的负极小于k个位置的电极均为无效电极，进入步骤T4；
否则，令k＝k-1，返回步骤T1，直至新的筛选测试电极的响应电压幅值低于系统检测精度，判定新的筛选测试电极为无效电极，且所有距离激励电极的负极小于k个位置的电极均为无效电极，进入步骤T4；
T4，所述无效电极筛选模块将所有无效电极的编号记为无效电极位置。
不同激励信号可能产生不同的无效电极数量，传统思路是通过多次测试确定有效电极和无效电极的边界，从而筛选掉边界外的电极，即无效电极，但通过上述设计，可以自动确定有效电极和无效电极的边界，且更精确，尤其首次确定筛选测试电极时，可根据往次结果来判断，从而缩短判断次数与时间。
更进一步设计，m个电极层中设置其中一层的2个电极为所述激励电极的正、负极，则每一个电极层分别确定各层中的无效电极位置。
另一方面，还包括激励电极轮询选通步骤：
S6，所述控制器重新控制选通所述激励层的2个相对的电极作为激励电极的正、负极，返回步骤S2；
直至所述激励层的每个电极均被选通一次作为激励电极的正极，且还被选通一次作为激励电极的负极，进入步骤S7；
S7，所述控制器重新设置电极层为激励层，返回步骤S1；
直至所有电极层均设置为一次激励层，结束本流程。
成像往往要将每个电极都作为一次激励电极的正负极，并对应采集其他电极所得到的数据，才能得到更精确的计算结果，如上述设计。
与现有技术相比，本发明的有益效果：在不改变激励信号大小的情况下，筛除掉无效数据，准确得到有效的采集电极数据，且减少传输的数据量，令后端的数据矩阵缩小，提高成像计算的效率。
附图说明
图1为实施例的装置结构示意图；
图2为电极层的激励与采集示意图；
图3为实施例的无效电极筛选示意图；
图4为实施例的选通模块示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
一种用于阻抗成像的频变自适应阻抗采集控制装置，如图1所示，包括电极传感模块1、选通模块2、激励源3、数据采集器4、控制器5、无效电极筛选模块6，所述电极传感模块1的工作端组与所述选通模块2的选通端组连接，所述选通模块2的激励输入端组连接激励源3的输出端组，所述选通模块2的数据输出端组连接所述数据采集器4的输入端组，所述选通模块2的控制端组连接所述控制器5的选通控制端组，所述无效电极筛选模块6的筛选输出端连接所述控制器5的无效电极输入端。
选通模块2、激励源3、数据采集器4、控制器5、无效电极筛选模块6由外接电源供电，激励源3优选为5mA的恒流源，其频率可在10kHz-100MHz之间调节。
所述电极传感模块1包括3×16个电极11，其中，电极层12层数为3，每个电极层12的电极11个数为16，每个所述电极11均经所述选通模块2接入所述激励源3的正极输出端与负极输出端、所述数据采集器4的第一输入端与第二输入端。
所述选通模块2如图4所示，包括对应于3个电极层12的3组选通单元21，每组选通单元21均设置有激励正极选通芯片21a、激励负极选通芯片21b、第一数据选通芯片21c、第二数据选通芯片21d，每个所述激励正极选通芯片21a、激励负极选通芯片21b、第一数据选通芯片21c、第二数据选通芯片21d均包括16个电极选通接脚；
第i组选通单元21中所述激励正极选通芯片21a的第j个电极选通接脚连接第i个电极层12的第j个电极11，第i组选通单元21中所述激励负极选通芯片21b的第j个电极选通接脚连接第i个电极层12的第j个电极11，第i组选通单元21中所述第一数据选通芯片21c连接第i个电极层12的第j个电极11，第i组选通单元21中所述第二数据选通芯片21d的第j个电极选通接脚连接第i个电极层12的第j个电极11，其中，1≤i≤3，1≤j≤16。
所述无效电极筛选模块6的电极数据输入端连接所述数据采集器4的输出端。
所述控制器5的激励控制端连接所述激励源3的控制端。
一种用于阻抗成像的频变自适应阻抗采集控制方法，包括以下步骤：
S1，控制器5设置任一电极层12为激励层，并发送激励电极选通命令至选通模块2，令该激励层的2个相对的电极11作为激励电极的正、负极；
S2，无效电极筛选模块6根据当前激励信号频率及激励电极位置确定无效电极位置，并将所述无效电极位置发送至所述控制器5；
S3，所述控制器5将所述无效电极位置所对应的电极11设为非采集电极；
S4，所述控制器5发送采集电极选通命令至所述选通模块2，令2个相邻的采集电极选通；
S5，返回步骤S4，直至所有相邻的采集电极均选通一次，数据采集器4得到所述激励电极在当前激励信号频率下的有效电极数据组。
距离所述激励电极的正极最远、且距离所述激励电极的负极最近的采集电极为边缘电极，则步骤S3与S4之间包括流程P：
P1，所述控制器5控制选通所述边缘电极；
P2，所述控制器5读取所述数据采集器4采集的所述边缘电极的响应电压幅值，若该响应电压幅值低于系统检测精度，进入步骤P3，否则进入步骤S4；
P3，所述控制器5发送提高激励信号频率命令至激励源3，并返回步骤P1，直至所述边缘电极的响应电压幅值不低于所述系统检测精度，进入步骤S4。
步骤S2中确定无效电极位置的方法如下：
T1，所述无效电极筛选模块6根据所述激励电极位置选取远离激励电极的正极、且距离激励电极的负极k个位置的电极11为筛选测试电极，1≤k≤n/2；
T2，所述控制器5控制选通所述筛选测试电极；
T3，所述无效电极筛选模块6读取所述数据采集器4采集的所述筛选测试电极的响应电压幅值；
若该响应电压幅值低于系统检测精度，则判定所述筛选测试电极为无效电极，且所有距离激励电极的负极小于k个位置的电极11均为无效电极，进入步骤T4；
否则，令k＝k-1，返回步骤T1，直至新的筛选测试电极的响应电压幅值低于系统检测精度，判定新的筛选测试电极为无效电极，且所有距离激励电极的负极小于k个位置的电极11均为无效电极，进入步骤T4；
T4，所述无效电极筛选模块6将所有无效电极的编号记为无效电极位置。
m个电极层12中设置其中一层的2个电极11为所述激励电极的正、负极，则每一个电极层12分别确定各层中的无效电极位置，如图3所示，3层电极中选取最上一层的2个相对电极进行激励，则中间层与最下层的无效电极递增，筛除后的有效电极如图中右侧部分所示。
还包括激励电极轮询选通步骤：
S6，所述控制器5重新控制选通所述激励层的2个相对的电极11作为激励电极的正、负极，返回步骤S2；
直至所述激励层的每个电极11均被选通一次作为激励电极的正极，且还被选通一次作为激励电极的负极，进入步骤S7；
S7，所述控制器5重新设置电极层12为激励层，返回步骤S1；
直至所有电极层12均设置为一次激励层，结束本流程。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于阻抗成像的频变自适应阻抗采集控制装置，包括电极传感模块(1)、选通模块(2)、激励源(3)、数据采集器(4)、控制器(5)，所述电极传感模块(1)的工作端组与所述选通模块(2)的选通端组连接，所述选通模块(2)的激励输入端组连接激励源(3)的输出端组，所述选通模块(2)的数据输出端组连接所述数据采集器(4)的输入端组，所述选通模块(2)的控制端组连接所述控制器(5)的选通控制端组，特征在于，还包括无效电极筛选模块(6)，所述无效电极筛选模块(6)的筛选输出端连接所述控制器(5)的无效电极输入端；
所述电极传感模块(1)包括m×n个电极(11)，其中，m为电极层(12)层数，n为每个电极层(12)的电极(11)个数，每个所述电极(11)均经所述选通模块(2)接入所述激励源(3)的正极输出端与负极输出端、所述数据采集器(4)的第一输入端与第二输入端；
所述选通模块(2)包括对应于m个电极层(12)的m组选通单元(21)，每组选通单元(21)均设置有激励正极选通芯片(21a)、激励负极选通芯片(21b)、第一数据选通芯片(21c)、第二数据选通芯片(21d)，每个所述激励正极选通芯片(21a)、激励负极选通芯片(21b)、第一数据选通芯片(21c)、第二数据选通芯片(21d)均包括n个电极选通接脚；
第i组选通单元(21)中所述激励正极选通芯片(21a)的第j个电极选通接脚连接第i个电极层(12)的第j个电极(11)，第i组选通单元(21)中所述激励负极选通芯片(21b)的第j个电极选通接脚连接第i个电极层(12)的第j个电极(11)，第i组选通单元(21)中所述第一数据选通芯片(21c)连接第i个电极层(12)的第j个电极(11)，第i组选通单元(21)中所述第二数据选通芯片(21d)的第j个电极选通接脚连接第i个电极层(12)的第j个电极(11)，其中，1≤i≤m，1≤j≤n；
无效电极筛选模块(6)根据当前激励信号频率及激励电极位置确定无效电极位置，确定无效电极位置的方法如下：
T1，所述无效电极筛选模块(6)根据所述激励电极位置选取远离激励电极的正极、且距离激励电极的负极k个位置的电极(11)为筛选测试电极，1≤k≤n/2；
T2，所述控制器(5)控制选通所述筛选测试电极；
T3，所述无效电极筛选模块(6)读取所述数据采集器(4)采集的所述筛选测试电极的响应电压幅值；
若该响应电压幅值低于系统检测精度，则判定所述筛选测试电极为无效电极，且所有距离激励电极的负极小于k个位置的电极(11)均为无效电极，进入步骤T4；
否则，令k＝k-1，返回步骤T1，直至新的筛选测试电极的响应电压幅值低于系统检测精度，判定新的筛选测试电极为无效电极，且所有距离激励电极的负极小于k个位置的电极(11)均为无效电极，进入步骤T4；
T4，所述无效电极筛选模块(6)将所有无效电极的编号记为无效电极位置。
2.根据权利要求1所述用于阻抗成像的频变自适应阻抗采集控制装置，特征在于，所述无效电极筛选模块(6)的电极数据输入端连接所述数据采集器(4)的输出端。
3.根据权利要求1所述用于阻抗成像的频变自适应阻抗采集控制装置，特征在于，所述控制器(5)的激励控制端连接所述激励源(3)的控制端。
4.根据权利要求1所述用于阻抗成像的频变自适应阻抗采集控制装置的控制方法，特征在于包括以下步骤：
S1，控制器(5)设置任一电极层(12)为激励层，并发送激励电极选通命令至选通模块(2)，令该激励层的2个相对的电极(11)作为激励电极的正、负极；
S2，无效电极筛选模块(6)根据当前激励信号频率及激励电极位置确定无效电极位置，并将所述无效电极位置发送至所述控制器(5)；
确定无效电极位置的方法如下：
T1，所述无效电极筛选模块(6)根据所述激励电极位置选取远离激励电极的正极、且距离激励电极的负极k个位置的电极(11)为筛选测试电极，1≤k≤n/2；
T2，所述控制器(5)控制选通所述筛选测试电极；
T3，所述无效电极筛选模块(6)读取所述数据采集器(4)采集的所述筛选测试电极的响应电压幅值；
若该响应电压幅值低于系统检测精度，则判定所述筛选测试电极为无效电极，且所有距离激励电极的负极小于k个位置的电极(11)均为无效电极，进入步骤T4；
否则，令k＝k-1，返回步骤T1，直至新的筛选测试电极的响应电压幅值低于系统检测精度，判定新的筛选测试电极为无效电极，且所有距离激励电极的负极小于k个位置的电极(11)均为无效电极，进入步骤T4；
T4，所述无效电极筛选模块(6)将所有无效电极的编号记为无效电极位置；
S3，所述控制器(5)将所述无效电极位置所对应的电极(11)设为非采集电极；
S4，所述控制器(5)发送采集电极选通命令至所述选通模块(2)，令2个相邻的采集电极选通；
S5，返回步骤S4，直至所有相邻的采集电极均选通一次，数据采集器(4)得到所述激励电极在当前激励信号频率下的有效电极数据组。
5.根据权利要求4所述用于阻抗成像的频变自适应阻抗采集控制装置的控制方法，特征在于，距离所述激励电极的正极最远、且距离所述激励电极的负极最近的采集电极为边缘电极，则步骤S3与S4之间包括流程P：
P1，所述控制器(5)控制选通所述边缘电极；
P2，所述控制器(5)读取所述数据采集器(4)采集的所述边缘电极的响应电压幅值，若该响应电压幅值低于系统检测精度，进入步骤P3，否则进入步骤S4；
P3，所述控制器(5)发送提高激励信号频率命令至激励源(3)，并返回步骤P1，直至所述边缘电极的响应电压幅值不低于所述系统检测精度，进入步骤S4。
6.根据权利要求4所述用于阻抗成像的频变自适应阻抗采集控制装置的控制方法，特征在于，m个电极层(12)中设置其中一层的2个电极(11)为所述激励电极的正、负极，则每一个电极层(12)分别确定各层中的无效电极位置。
7.根据权利要求4所述用于阻抗成像的频变自适应阻抗采集控制装置的控制方法，特征在于，还包括激励电极轮询选通步骤：
S6，所述控制器(5)重新控制选通所述激励层的2个相对的电极(11)作为激励电极的正、负极，返回步骤S2；
直至所述激励层的每个电极(11)均被选通一次作为激励电极的正极，且还被选通一次作为激励电极的负极，进入步骤S7；
S7，所述控制器(5)重新设置电极层(12)为激励层，返回步骤S1；
直至所有电极层(12)均设置为一次激励层，结束本流程。
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