CN110200628A - 一种便携式电阻抗检测系统 - Google Patents

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王松
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Abstract

本发明公开一种便携式电阻抗检测系统，采用ARM嵌入式Linux系统为主控，由无线通信模块、DDS信号发生器、前置放大器、压控恒流源、模拟多路复用器、运放滤波模块、数据采集电路、FPGA、电极传感器为外围测量设备组成，使用嵌入式Qt环境进行软件开发，搭建云端服务器，配合客户端APP实现网络化、信息化、智能化生物电阻抗检测平台。充分考虑带宽、输出阻抗匹配问题，实现高质量成像、高准确率决策、方便携带和查阅。本发明中的电阻抗扫频测量嵌入式系统结构简单，满足频率范围、精度要求，且大大降低了成本和体积，并设计了基于互联网的整体方案，弥补了一般的便携式阻抗测量设备只能本地测量的不足。

Description

一种便携式电阻抗检测系统
技术领域：
本发明涉及一种便携式电阻抗检测系统，特别涉及一种基于互联网的便携式生物组织电阻抗扫频测量嵌入式系统。
背景技术：
电阻抗层析成像(EIT)是由电容层析成像(ECT)和电阻层析成像(ERT)发展而来的一种过程层析成像，近年来从工业领域转向生物医疗领域。该测量方法在生物组织周围分布式布置电极传感器，扫频注入安全的正弦激励信号，通过高速信号采集装置获取经过生物组织的波形，并进行分析处理，根据不同生物组织或相同生物组织处于不同生理状态时所具有的电导率不同的特性，重构组织内部的电导率分布图像，从而判断出组织内部是否病变以及病变的位置。
电阻抗成像相比于目前医学领域的影像成像技术，例如超声波成像、X射线成像、核磁共振成像等，具有结构简单、成本低廉、便携、无创无害、能实现长期临床检测等特点，有利于家庭化使用。不可否认，该技术目前的成像精度取决于电极传感器对数、硬件系统精度以及选用的图像重构算法等要素，成像分辨率低于CT和超声成像等。但电阻抗成像技术可以给出功能性成像结果，能够根据采集到的生物组织信息在生物组织仅发生生理状态上的变化，还未在形态学上发生结构的变化时做出检测、分析和判断。相对于其它成像技术具有前瞻性，能够在细胞病变初期检测，有助于病变细胞的控制和治疗。
目前市场上的电阻抗测量设备大多需要使用PC作为上位机，体积大，设备的操作复杂，功能冗余，自动化程度不高，不具备便携性，局限于实验室等场合的使用。大部分电阻抗测量设备只能单一频率成像，不能实现扫频功能，则无法获取生物组织细胞的阻抗谱，而阻抗谱也携带了大量的细胞信息；其次，对于未接受培训的人员无法对阻抗谱或断层图像进行分析，不能自动的对检测结果进行初步决策；最后，几乎没有电阻抗测量设备具备互联网云端连接的功能，不利于生成图像与报告的存储以及医疗智能化的发展。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于互联网，具有扫频功能，能做出初等决策判断的便携式电阻抗检测系统，具有集成化、信息化、智能化的特点。
本发明所采用的技术方案有：一种便携式电阻抗检测系统，包括依次连接的电源电路、LCD、嵌入式Linux系统、无线通信模块、DDS信号发生器、前置放大器、压控恒流源、模拟多路复用器、电极传感器、运放滤波模块、数据采集模块、FPGA、4G/wifi模块、TF卡存储以及云端服务器和安卓端APP，所述电源电路包括开关电源和正负电源；DDS信号发生器使用AD9833芯片产生正弦激励信号，该信号经过前置放大器形成幅值可调的正弦电压信号，该正弦电压信号经过压控恒流源转化成可变频变幅变相位的正弦电流信号，通过模拟多路复用器和电极传感器注入待测组织，所述模拟多路复用器直接由嵌入式Linux系统控制选通，依次从相邻电极注入安全电流，运放滤波模块与模拟多路复用器相连，通过嵌入式Linux系统控制选通测量的相同电极，经过处理的电流信号由数据采集模块采样到FPGA中做快速傅里叶变换，生成的幅值相位信息存储在FIFO中缓冲，通过SPI总线传输到嵌入式Linux系统，操作系统获取到变换后的数据，由软件进行处理，进行图像重构，并完成报告生成云端上传任务。
进一步地，嵌入式Linux系统作为主控。
进一步地，前置放大器由OPA1611芯片构成，其幅值可调以及系统输出频率、相位、幅值皆可调。
进一步地，DDS信号发生器使用AD9833芯片产生正弦激励信号，前置放大器使用OPA1611精密运算放大器，数据采集模块由两路并行的ADC芯片AD9226组成。
进一步地，FPGA的时钟作为AD9833的时钟，同步时钟。
进一步地，嵌入式Linux系统移植于主控芯片AM335X上运行，主控芯片AM335X通过74HC595芯片连接模拟多路复用器的八路地址控制线。
进一步地，所述FPGA与ARM通过FIFO实现数据缓存交互。
进一步地，4G/wifi模块与服务器和客户端相通信。
进一步地，生成数据报告本地保存至TF卡存储，云端存储至服务器数据库。
本发明具有如下有益效果：第一，本发明的集成化程度高，结构简单，体积小，成本低廉具有便携式的优点，有利于该检测设备的普及；第二，本发明使用触摸屏，代替PC机实现人机交互界面，自动化程度高，操作简单，大幅度降低了成本提高了便携性；第三，本发明具有扫频、相位、幅值可调节的功能，可以更好的选择最优成像效果；第四，本发明通过无线模块与云端通信，可以远程分析成像结果，对比历史检测数据，增强了诊断的便利性和可靠性；第五，本发明用户层的软件根据成像结果，初步计算评价指标，进行初步判断，结合云端的不同用户检测结果，有利于实现诊断智能化，发觉数据在医学领域的价值；第六，本发明使用开源硬件和软件，便于研发者的进一步开发集成，拓展功能，也是一款极好的实验室研发设备。
附图说明：
图1为本发明的整体硬件原理框图。
图2为本发明的软件流程框图。
图3为本发明所提供的生物阻抗测量方法流程图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明便携式电阻抗检测系统包括依次连接的电源电路、LCD3、嵌入式Linux系统4、无线通信模块、DDS信号发生器5、前置放大器6、压控恒流源7、模拟多路复用器8、电极传感器9、运放滤波模块10、数据采集模块11、4G/wifi模块13、TF卡存储14以及云端服务器和安卓端APP。其中电源电路包括开关电源和正负电源。
ARM嵌入式作为主控，运行Linux嵌入式操作系统，用户层中实现人机界面的交互，内核层驱动相关硬件，硬件层分配引脚资源与外设连接。
用户层主要对硬件进行设置、读入的数据结果进行可视化分析处理以及计算结果的云端交互。硬件上配置DDS信号发生器的起始终止频率、相位等，采集的数据结果进行阻抗谱分析和图像重构，最后将产生的报告通过无线模块传输到云端服务器。
内核层实现硬件驱动，包括对DDS信号发生器的驱动、FPGA的驱动、LCD触摸屏的驱动以及其它板载的外设驱动，主要确定信号发生器和FPGA使用的通信方式，完成驱动程序的编写，由设备树管理硬件资源的分配。
嵌入式Linux系统作为主控，控制AD9833芯片产生频率相位可变的正弦激励信号，该信号经过前置放大器OPA1611形成幅值可调的正弦电压信号。该电压信号经过压控恒流源7转化成可变频变幅变相位的正弦电流信号，通过模拟多路复用器8和电极传感器9注入待测组织。其中模拟多路复用器8直接由嵌入式Linux系统控制选通，依次从相邻电极注入安全电流。运放和滤波电路与模拟多路复用器8相连，同样通过嵌入式Linux系统控制选通测量的相同电极，在同一组电极注入电流的情况下测量其他相邻电极上的电流信号。经过处理的电流信号由数据采集电路即高速ADC采样到FPGA中做快速傅里叶变换，生成的幅值相位信息存储在FIFO中等待一次测量完成后嵌入式Linux系统读取。操作系统获取到变换后的数据，在应用层由软件进行处理，进行图像重构，并完成报告生成云端上传等任务。
其中OPA1611芯片构成的前置放大器幅值可调以及系统输出频率、相位、幅值皆可调。
其中选取AD9833、OPA1611、AD9226芯片，保证输出频率在0-1MHz内激励信号不失真，采样速率满足需求。
其中FPGA的时钟作为AD9833的时钟，同步时钟。
其中74HCT4067芯片并联扩展电极传感器对数，74HC595芯片用八路及更多选通地址控制线控制不同通道选通。
其中FPGA与ARM通过FIFO实现数据缓存交互。
其中4G/wifi模块实现与服务器和客户端的通信。
本发明便携式电阻抗检测系统硬件层分为激励、采集和传感器三大部分，其中激励部分是ARM嵌入式芯片与信号发生器相连，控制其产生正弦激励信号，信号经过低通滤波器和前置放大器到达压控恒流源输入端，其中前置放大器和压控恒流源由正负电源模块供电。压控恒流源将电压信号转化为同频率的电流信号并提供满足生物组织测量的高输出阻抗，恒流源输出端连接模拟多路复用器，模拟多路复用器由ARM控制器通过地址线控制其选通，其输出端与电极传感器相连。
其中传感器为电极传感器，考虑到接触阻抗、舒适性和安全性，采用弧形电极增大电极和皮肤的有效接触面积，采用弹性绷带增大电极和皮肤的接触压力，旨在降低与皮肤的接触阻抗。
其中采集部分主要由运放滤波、数据采集和FPGA组成，通过运放将采集到的微弱信号进行放大，对放大信号经过滤波处理传入到数据采集模块，数据采集模块由高速ADC芯片实现，连接FPGA和电极传感器。此外FPGA引出一条时钟线作为DDS信号发生器的外部时钟，保证采样的时钟同步。FPGA主要实现对数据采集模块采集的离散信号进行处理，即进行快速傅里叶变换得到输出信号的幅值与相位，将变换处理后的结果存储在FIFO中，ARM从FIFO中读取数据进行计算最终在用户层成像。
云端服务器和安卓端APP旨在增强设备的信息化和智能化程度，并对用户检测报告实现云端存储，便于远程查看以及随时查看。用户层的软件具有根据图像计算评价指标，初步判断生物组织的病变概率，当评价结果处于盲区时有经验的医生能远程作出分析，并与历史检测记录进行比对，从而确定是否有到医院检查的必要性。
图1为本发明的硬件部分整体原理框图。本发明便携式电阻抗检测系统由开关电源1将220V交流电转为12V直流电对系统进行供能，系统包括主控芯片AM335X4，在其上移植运行Linux嵌入式操作系统，用户层使用嵌入式Qt开发环境设计用户层软件，内核层实现DDS信号发生器5的驱动以及与FPGA12的交互通信，硬件包括主控芯片配置的最小开发系统和电阻抗测量外设。其中DDS信号发生器5使用AD9833芯片产生正弦激励信号，通过三线制串行通信与主控芯片交互，该芯片能在0-5MHz产生稳定的波形，满足生物组织测量所需的带宽。DDS信号发生器5的输出端经过低通滤波与前置放大器6相连，前置放大器6使用OPA1611低噪声、低功耗精密运算放大器，在5MHz内高质量的将正弦激励信号放大为双极性±1V的信号。压控恒流源7使用改进的Howland电流源，保证在1MHz波形时仍能产生100KΩ以上的输出阻抗。压控恒流源7和前置放大器6需要的负电压由正负电源2提供，正负电源2使用TI公司的带负载能力强、效率高、外围器件少的TPS5430芯片。经过压控恒流源7的电压信号转化为电流信号接入模拟多路复用器8的输入端，该模块针对8电极传感器设计，包含4片74HCT4067芯片，若要增加电极对数则需要更多的74HCT4067芯片并联。本发明中两个芯片一组，分别控制激励电流和电极传感器9、电极传感器9和运放滤波模块10相连。
主控芯片AM335X4通过74HC595芯片连接模拟多路复用器8的八路地址控制线，降低主控芯片与电极对数扩展的耦合，通过地址控制线上的高低电平，控制通道的选通。当选通注入一路激励电流后，分别测量其它两两相邻的电极之间的信号，即另一组74HCT4067芯片依次选通运放滤波模块10和其它电极传感器9一次，八个电极传感器均匀分布，则需要测量8×5＝40组数据。运放滤波模块10将输出信号经过放大后滤波处理，降低高频信号和噪声的干扰。滤波后信号通过AD采样，数据采集模块11由两路并行的12位精度、数据采样率高达65MSPS的高速ADC芯片AD9226组成，具有低功耗、低成本、双极性的优点。采样得到的离散信号由FPGA12进行快速傅里叶变换，得到输出信号的幅值和相位存储在FIFO中，AM335X与FIFO连接，从中读取幅值相位数据用于成像计算。数据结果经过用户层的软件处理，生成的图像与报告由用户选择是否通过4G/wifi(13)上传至云端服务器的数据库中或存储于本地的TF卡存储14中。LCD3显示屏用于人接交互，通过四路AD输入，实现触摸操作。
图2是示例了本发明的软件流程框图。本发明的软件部分由硬件设备交互端、服务器端、客户端三大部分组成，其中硬件设备交互端使用嵌入式Qt开发环境设计用户界面，实现人机交互，其中主要分为三部分，第一部分包含对硬件参数的设置：扫频上下限的设置、单频测量频率设置、幅值相位设置等；第二部分主要是针对采集回来的数据进行处理，包括阻抗谱的显示、图像重构算法实现以及最优成像频率的确定；第三部分主要是后处理：包括组织细胞病变概率的计算和云端交互功能。本发明的基于互联网的设计在评判指标处于盲区时可以让有经验的医师远程分析成像结果，做出进一步判断，从而确定是否需要到医院复查。部署的云端服务器端与4G/wifi模块采用Socket协议，客户端与服务器端采用TCP/IP协议实现通信。服务器端搭建网站，建立和Android APP的连接，APP的开发旨在便利的让用户查看测量结果和历史报告。
图3是示例了本发明的测量方法流程图。本发明操作的第一步是布置电极传感器位置，电极传感器要与皮肤紧密接触，提高测量过程中的有效接触面积，减小电极与皮肤接触的接触阻抗，提高测量精度；第二步是对硬件参数进行设置，选择单频测量或者扫频测量，扫频测量的建议频率为1KHz-1MHz，单频测量主要用于在最优成像频率处多次成像观察；第三步是对断层图像和阻抗谱的分析以及是否生成报告及上传云端。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种便携式电阻抗检测系统，其特征在于：包括依次连接的电源电路、LCD(3)、嵌入式Linux系统(4)、无线通信模块、DDS信号发生器(5)、前置放大器(6)、压控恒流源(7)、模拟多路复用器(8)、电极传感器(9)、运放滤波模块(10)、数据采集模块(11)、FPGA(12)、4G/wifi模块(13)、TF卡存储(14)以及云端服务器和安卓端APP，所述电源电路包括开关电源和正负电源；DDS信号发生器(5)使用AD9833芯片产生正弦激励信号，该信号经过前置放大器(6)形成幅值可调的正弦电压信号，该正弦电压信号经过压控恒流源(7)转化成可变频变幅变相位的正弦电流信号，通过模拟多路复用器(8)和电极传感器(9)注入待测组织，所述模拟多路复用器(8)直接由嵌入式Linux系统(4)控制选通，依次从相邻电极注入安全电流，运放滤波模块(10)与模拟多路复用器(8)相连，通过嵌入式Linux系统(4)控制选通测量的相同电极，经过处理的电流信号由数据采集模块(11)采样到FPGA(12)中做快速傅里叶变换，生成的幅值相位信息存储在FIFO中缓冲，通过SPI总线传输到嵌入式Linux系统，操作系统获取到变换后的数据，由软件进行处理，进行图像重构，并完成报告生成云端上传任务。
2.根据权利要求1所述的便携式电阻抗检测系统，其特征在于：嵌入式Linux系统作为主控。
3.根据权利要求1所述的便携式电阻抗检测系统，其特征在于：前置放大器(6)由OPA1611芯片构成，其幅值可调以及系统输出频率、相位、幅值皆可调。
4.根据权利要求1所述的便携式电阻抗检测系统，其特征在于：DDS信号发生器(5)使用AD9833芯片产生正弦激励信号，前置放大器(6)使用OPA1611精密运算放大器，数据采集模块(11)由两路并行的ADC芯片AD9226组成。
5.根据权利要求1所述的便携式电阻抗检测系统，其特征在于：FPGA(12)的时钟作为AD9833的时钟，同步时钟。
6.根据权利要求1所述的便携式电阻抗检测系统，其特征在于：嵌入式Linux系统(4)移植于主控芯片AM335X上运行，主控芯片AM335X通过74HC595芯片连接模拟多路复用器(8)的八路地址控制线。
7.根据权利要求1所述的便携式电阻抗检测系统，其特征在于：所述FPGA(12)与ARM通过FIFO实现数据缓存交互。
8.根据权利要求1所述的便携式电阻抗检测系统，其特征在于：4G/wifi模块(13)与服务器和客户端相通信。
9.根据权利要求1所述的便携式电阻抗检测系统，其特征在于：生成数据报告本地保存至TF卡存储(14)，云端存储至服务器数据库。
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