CN111543993A - 一种动态细胞阻抗成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态细胞阻抗成像装置，属于电阻抗层析成像技术领域，具体包括动态阻抗成像传感器、阻抗检测及流速测量模块及电阻抗层析成像仪；含有异常颗粒的液体流过动态阻抗成像传感器中的两个环形电信号接收器时，阻抗检测及流速测量模块进行检测分别产生脉冲信号P₁和P₂，并计算异常颗粒的流速信息v，当含有异常颗粒的液体抵达环形16通道成像传感器时，脉冲信号P₂触发并启动电阻抗层析成像仪，产生正弦激励电流经过模拟开关阵列注入环形16通道成像传感器中，采用相邻激励相邻测量的原则，计算电压数据V完成反演成像并呈现。本发明通过对流动液体中的异常颗粒进行成像，具有很好的医学前景。

Description

一种动态细胞阻抗成像装置

技术领域

本发明涉及电阻抗层析成像技术(EIT)在细胞动态成像中的应用，具体是一种动态细胞阻抗成像装置。

背景技术

电阻抗层析成像技术(EIT)作为一种低成本、无损和无辐射的成像技术，已广泛的应用于肺部检测、药物检测及癌细胞团的静态成像中。但是现存的电阻抗层析成像设备(EIT)尚不具备对流动液体中的异常颗粒进行成像的能力。

对流动液体中的异常颗粒进行成像具有较好的医学前景：比如对血液中癌细胞团的成像可以用于判断初早期癌症的发生及癌症是否转移扩散，对血液中异常颗粒的成像同样可以辅助判断血管中是否有栓塞的存在。

发明内容

针对现存的EIT不具备对流动液体中的异常颗粒进行成像的问题，本发明提出了一种动态细胞阻抗成像装置，能够对流动液体中的异常颗粒进行成像，具有很好的医学前景。

所述的一种动态细胞阻抗成像装置，包括动态阻抗成像传感器、阻抗检测及流速测量模块及电阻抗层析成像仪。

所述的动态阻抗成像传感器，包括两个环形电信号接收器和环形16通道成像传感器组成。其中每个环形电信号接收器都有两个电极嵌入试验管的管壁，环形16通道成像传感器有16个电极嵌入试验管的管壁，两个环形电信号接收器和环形16通道成像传感器按液体流动方向依次排列；

阻抗检测及流速测量模块由正交激励产生模块、两个高精度混频器、两个低通滤波器、四个ADC、FPGA计算控制模块、两个DAC、基准电压、两个比较器、两个电流放大器和三个放大器共同组成。

含有异常颗粒的液体流过动态阻抗成像传感器中的第一个环形电信号接收器时，阻抗检测及流速测量模块对异常颗粒进行检测会产生一个脉冲信号P₁；同理，经过第二个环形电信号接收器时，产生第二个脉冲信号P₂；具体过程如下：

正交激励产生模块分别产生正交激励信号I和Q，其中，正交激励信号Q输入一个放大器放大后，得到激励信号V_o分别加入到两个环形电信号接收器的同一侧电极上，两个环形电信号接收器的另一侧电极分别各自接入一个电流放大器。

每个环形电信号接收器的两个电极之间的阻抗为Z_x，则输入电流放大器的电流为：

两个电流放大器输出为：

R₁为电流放大器的取样电阻值；

每个电流放大器的输出信号分别各经过一个放大器放大后，与正交激励信号I和Q在高精度混频器中进行混频，并使用低通滤波器对混频结果进行低通滤波，ADC对低通滤波器的输出模拟信号进行采集后送入FPGA计算控制模块，计算获取两个环形电信号接收器各自的阻抗幅度信息。

FPGA计算控制模块通过两个DAC将阻抗幅度信息以模拟电压的形式输出，判断两个环形电信号接收器的阻抗是否发生变化，如果没有发生变化，则两个DAC的输出为一直流电平；否则，当有流动液体通过两个环形电信号接收器，则会导致阻抗增加或者减少，相应的会使阻抗幅度信息减少或增加；此时，两个DAC会产生负向或者正向脉冲；通过使用基准电压和两个比较器将DAC产生的脉冲信号整形为LVCOMS脉冲信号P₁和P₂。

由此，能计算出异常颗粒的流速信息v：v＝L₁/t₁；

L₁为两个环形电信号接收器之间的距离；t₁为阻抗检测及流速测量模块产生两个脉冲信号P₁和P₂的时间差；

当阻抗检测及流速测量模块检测到含有异常颗粒的液体抵达环形16通道成像传感器时，将脉冲信号P₁和P₂一起传输给电阻抗层析成像仪中的FPGA计算和控制模块；脉冲信号P₁作为计时起始信号，脉冲信号P₂作为计时终止信号，并同时作为触发信号启动电阻抗层析成像仪，电阻抗层析成像仪对流经的异常颗粒进行激励及测量成像。

所述的电阻抗层析成像仪还包括：DAC，恒流源，模拟开关阵列和模拟采集通道等；

具体成像过程如下：

电阻抗层析成像仪的FPGA计算和控制模块接收到脉冲信号P₁和P₂后，FPGA计算和控制模块通过DAC和恒流源产生正弦激励电流，通过模拟开关阵列注入环形16通道成像传感器中；电阻抗层析成像仪利用正弦激励电流采用相邻激励相邻测量的原则，得到电压数据V完成对传感器区域物体的反演成像。

具体为：首先，正弦激励电流注入环形16通道成像传感器的电极m和m+1(m＜15)，其余电极进行同步测量。每一次注入和同步测量消耗的时间为T₁，则完成一帧图像需要的时间为T＝13T₁，同步测量得到的电压数据为V。

电阻抗层析成像仪的FPGA计算和控制模块将采集的电压V送入ARM处理器中，完成对环形16通道成像传感器区域中物体的反演成像。

反演成像计算公式如下：

σ为阻抗的估计值，迭代完成后变为

为环形16通道成像传感器的圆柱状腔室三维灵敏度矩阵沿着Z轴取平均后，得到的二维灵敏度矩阵，公式为：

J(x,y,z)为环形16通道成像传感器的圆柱状腔室的三维灵敏度矩阵。

最后，成像结果在LCD液晶中显示。

进一步将采集的电压V通过USB driver送入PC中，完成对传感器区域物体的反演成像和图形显示。

进一步，利用异常颗粒的流速信息v进行图像的校正。

本发明的优点与积极效果在于：

本发明提供了动态细胞阻抗成像装置，可以利用传感器对血液中流动的异常颗粒(通常为细胞或者细胞团块)进行捕获，并测量异常颗粒的流动速度；在获取异常颗粒流速信息后对异常颗粒进行电阻抗反演成像。

附图说明

图1为本发明流动液体经过动态阻抗成像传感器的原理图；

图2为本发明动态细胞阻抗成像装置的结构原理图；

图3为本发明动态阻抗成像传感器的局部放大图；

图4为本发明阻抗检测及流速测量模块的原理图；

图5为本发明电阻抗层析成像仪的原理图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

本发明一种动态细胞阻抗成像装置，以电阻抗层析成像仪为主体，综合(借鉴)了微流控单细胞电阻检测系统的核心技术，完成了在流动液体中对异常微小颗粒的捕获。

如图1所示，包括动态阻抗成像传感器、阻抗检测及流速测量模块及电阻抗层析成像仪三个主要部分组成。动态阻抗成像传感器包括环形电信号接收器27，环形电信号接收器30和环形16通道成像传感器33；包含有异常颗粒(通常为癌细胞团或癌细胞)的流动液体(通常为生理盐水或血液)首先流过环形电信号接收器27，阻抗检测及流速测量模块捕获并产生脉冲信号P₁；然后，经过环形电信号接收器30，阻抗检测及流速测量模块捕获并产生脉冲信号P₂；硬件系统使用脉冲信号P₁和P₂计算异常颗粒(通常为细胞团)的流速v。以脉冲信号P₂作为启动电阻抗层析成像仪的触发信号，进行阻抗层析成像，以获得流动液体中的细胞阻抗图像，并用流速v对图像进行校正。

如图3所示，环形电信号接收器27有两个嵌入试验管管壁内部的电极28和29，环形电信号接收器30有两个嵌入管壁内部的电极31和32，环形16通道成像传感器33有16个电极嵌入管壁的内部。

进一步，试验管管壁由透明的有机玻璃或PDMS材料组成。

进一步，环形电信号接收器27和环形电信号接收器30之间的距离为L₁，环形电信号接收器30和环形16通道成像传感器33之间的距离为L₂。两个环形电信号接收器和环形16通道成像传感器按液体流动方向依次排列；

如图2和图4所示，阻抗检测及流速测量模块由正交激励产生模块1、高精度混频器2、高精度混频器13、低通滤波器3、低通滤波器14、ADC3、ADC4、ADC15、ADC16、FPGA计算控制模块5、DAC8、DAC9、基准电压10、比较器11、比较器12、电流放大器7、电流放大器17、放大器6、放大器8和放大器18共同组成。

产生脉冲信号P₁和P₂的过程如下：

正交激励产生模块1分别产生正交激励信号

和

其中，正交激励信号Q输入放大器6，经放大器6放大后的信号

将Vo作为激励信号分别加入到环形电信号接收器27及环形电信号接收器30的同一侧电极上，两个环形电信号接收器的另一侧电极分别接入电流放大器7和电流放大器17。

假设每个环形电信号接收器的两个电极之间的阻抗为Z_x，则输入电流放大器7和17的电流为：

电流放大器7和17的输出为：

其中

电流放大器7的输出信号经过放大器8，电流放大器17的输出信号经过放大器18后，得到的输出为：

A是放大器6的增益倍数，A₁是放大器8和18的增益倍数，R₁是电流放大器7和17的取样电阻，

是阻抗1+Z_x/R₁的幅度，

是阻抗1+Z_x/R₁的相角。

然后，将放大器8的输出

与正交激励信号I和Q经过高精度混频器2进行混频，并使用低通滤波器3对混频结果进行低通滤波，低通滤波器3的输出结果分别为

和

同理，放大器18的输出V与正交激励信号I和Q经过高精度混频器13进行混频，并使用低通滤波器14对混频结果进行低通滤波，低通滤波器14的输出结果分别为

和

利用ADC3和ADC4分别对低通滤波器3的输出模拟信号

和

进行采集，并将采集完的结果送入FPGA计算控制模块5；

同理，利用ADC15和ADC16分别对低通滤波器14的输出模拟信号

和

进行采集，并将采集完的结果送入FPGA计算控制模块5；

FPGA计算控制模块5利用两个低通滤波器3和14的输出模拟信号，结合正交激励产生模块1产生的信号，计算两个环形电信号接收器27和30之间的阻抗幅度信息：

同时FPGA计算控制模块5通过DAC8和DAC9将阻抗幅度信息

以模拟电压的形式输出，判断两个环形电信号接收器27和30之间的阻抗Z_x是否发生变化，如果阻抗Z_x不发生变化，则DAC8和DAC9输出为一直流电平。否则，当细胞(细胞团)经过环形电信号接收器27和30时，会导致电极之间的阻抗Z_x增加或者减少，相应的会使得阻抗幅度信息Z减少或增加。此时，DAC8和DAC9会产生负向或者正向脉冲。

使用基准电压10、比较器11及比较器12将DAC8和9产生的脉冲信号整形为LVCOMS脉冲信号P₁、P₂。脉冲信号P₁作为计时起始信号，P₂作为计时终止信号，在环形电信号接收器27和环形电信号接收器30之间的距离L₁已知的前提下，通过计算脉冲信号P₁和P₂之间的时间间隔t₁，便可计算出异常颗粒的流速信息v：v＝L₁/t₁；

t₁为阻抗检测及流速测量模块产生两个脉冲信号P₁和P₂的时间差；

同时，阻抗检测及流速测量模块检测含有异常颗粒的液体是否抵达环形16通道成像传感器33，如果没有抵达，电阻抗层析成像仪处于休眠状态；否则，脉冲信号P₂触发启动电阻抗层析成像仪，电阻抗层析成像仪对流经的异常颗粒进行激励及测量成像。

如图5所示，具体为：

电阻抗层析成像仪包括FPGA计算和控制模块22，DAC21，恒流源35，模拟开关阵列19和模拟采集通道20；

当触发信号P₂到达后电阻抗层析成像仪启动工作，FPGA计算和控制模块通过DAC21和恒流源35产生正弦激励电流，通过模拟开关阵列注入环形16通道成像传感器中。

电阻抗层析成像仪利用正弦激励电流采用相邻激励相邻测量的原则，得到电压数据V完成对传感器区域物体的反演成像。

具体步骤如下：

首先，正弦激励电流注入环形16通道成像传感器的电极m和m+1(m＜15)，其余电极进行同步测量。每一次注入和同步测量消耗的时间为T₁，则完成一帧图像需要的时间为T＝13T₁，环形电信号接收器30和环形16通道成像传感器33之间的距离L₂的长度近似满足如下关系：L₂≈T×v；在实际工作中传感器加工完成后L₂长度固定，流速v和每产生一帧图像的时间都可以计算得到，进而可以获得每一次注入激励电流及同步测量的时间T₁：

环形16通道成像传感器33的直径为D，对长度为L₂，直径为D的圆柱状腔室计算三维灵敏度矩阵：

I^m表示第m次电流激励，Iⁿ表示第n次电流激励，总共是13次激励，1≤m≤13，1≤n≤13；

将式中三维灵敏度矩阵降为二维，得到：

使用该式及测量得到的电压数据V完成对传感器区域物体的反演成像：

σ为阻抗的估计值，迭代完成后变为

FPGA计算与控制模块22将采集数据V送入ARM处理器34中，在ARM处理器34中完成对反演成像

的计算，并将成像结果在LCD液晶23中显示。

进一步将采集的电压V通过USB driver 24送入PC25完成对传感器区域物体的反演成像和图形显示。

进一步，利用异常颗粒的流速信息v优化成像算法，对图像进行校正。

本发明提出的动态阻抗成像传感器，可以首先判断管路中是否有异常颗粒通过，在异常颗粒通过传感时先后发出两个硬件触发信号P₁、P₂，硬件系统以P₁和P₂作为闸门信号可以获取异常颗粒(通常为细胞团)的流速v。以闸门信号P₂作为启动和扫描时间控制信号启动并控制电阻抗层析成像仪。

阻抗检测及流速测量模块能检测流过动态阻抗成像传感器两个测量电极之间的阻抗变化，并将该种变化转化为标准的LVCOMS电平输出，以测量液体中异常颗粒的流速，并为电阻抗层析成像系统提供启动信号。

本发明对环形16通道成像传感器区域的三维灵敏度矩阵沿着Z轴取平均，使用平均后的二维灵敏度矩阵来进行图像重构，可以完成对运动中颗粒的反演成像；整体结构以16通道的电阻抗层析成像仪为基础，以阻抗检测及流速测量模块为先导，两个部件配合使用完成对流动液体中异常颗粒的捕获。

Claims (5)

1.一种动态细胞阻抗成像装置，其特征在于，包括动态阻抗成像传感器、阻抗检测及流速测量模块及电阻抗层析成像仪；

所述的动态阻抗成像传感器，包括按液体流动方向依次排列的两个环形电信号接收器和环形16通道成像传感器；其中每个环形电信号接收器都有两个电极嵌入试验管的管壁，环形16通道成像传感器有16个电极嵌入试验管的管壁；

阻抗检测及流速测量模块由正交激励产生模块、两个高精度混频器、两个低通滤波器、四个ADC、FPGA计算控制模块、两个DAC、基准电压、两个比较器、两个电流放大器和三个放大器共同组成；

含有异常颗粒的液体流过动态阻抗成像传感器中的第一个环形电信号接收器时，阻抗检测及流速测量模块对异常颗粒进行检测会产生一个脉冲信号P₁；同理，经过第二个环形电信号接收器时，产生第二个脉冲信号P₂；

具体过程如下：

正交激励产生模块分别产生正交激励信号I和Q，其中，正交激励信号Q输入一个放大器放大后，得到激励信号V_o分别加入到两个环形电信号接收器的同一侧电极上，两个环形电信号接收器的另一侧电极分别各自接入一个电流放大器；

每个电流放大器的输出信号分别各经过一个放大器放大后，与正交激励信号I和Q在高精度混频器中进行混频，并使用低通滤波器对混频结果进行低通滤波，ADC对低通滤波器的输出模拟信号进行采集后送入FPGA计算控制模块，计算获取两个环形电信号接收器各自的阻抗幅度信息；

FPGA计算控制模块通过两个DAC将阻抗幅度信息以模拟电压的形式输出，判断两个环形电信号接收器的阻抗是否发生变化，如果没有发生变化，则两个DAC的输出为一直流电平；否则，当有流动液体通过两个环形电信号接收器，则会导致阻抗增加或者减少，相应的会使阻抗幅度信息减少或增加；此时，两个DAC会产生负向或者正向脉冲；通过使用基准电压和两个比较器将DAC产生的脉冲信号整形为LVCOMS脉冲信号P₁和P₂；

同时，根据脉冲信号P₁和P₂计算异常颗粒的流速信息v：v＝L₁/t₁；

L₁为两个环形电信号接收器之间的距离；t₁为阻抗检测及流速测量模块产生两个脉冲信号P₁和P₂的时间差；

当阻抗检测及流速测量模块检测到含有异常颗粒的液体抵达环形16通道成像传感器时，将脉冲信号P₁和P₂一起传输给电阻抗层析成像仪中的FPGA计算和控制模块；FPGA计算和控制模块通过DAC和恒流源产生正弦激励电流，经过模拟开关阵列注入环形16通道成像传感器中；脉冲信号P₂作为触发信号启动电阻抗层析成像仪，电阻抗层析成像仪利用正弦激励电流采用相邻激励相邻测量的原则，得到电压数据V完成对传感器区域物体的反演成像，最后，成像结果在LCD液晶中显示。

2.如权利要求1所述的一种动态细胞阻抗成像装置，其特征在于，所述的每个环形电信号接收器的两个电极之间的阻抗为Z_x，则输入电流放大器的电流为：

两个电流放大器输出为：

R₁为电流放大器的取样电阻值。

3.如权利要求1所述的一种动态细胞阻抗成像装置，其特征在于，所述的反演成像具体过程为：

首先，正弦激励电流注入环形16通道成像传感器的电极m和m+1(m＜15)，其余电极进行同步测量；每一次注入和同步测量消耗的时间为T₁，则完成一帧图像需要的时间为T＝13T₁，同步测量得到的电压数据为V；

电阻抗层析成像仪的FPGA计算和控制模块将采集的电压V送入ARM处理器中，完成对环形16通道成像传感器区域中物体的反演成像；

反演成像计算公式如下：

σ为阻抗的估计值，迭代完成后变为

为环形16通道成像传感器的圆柱状腔室三维灵敏度矩阵沿着Z轴取平均后，得到的二维灵敏度矩阵，公式为：

J(x,y,z)为环形16通道成像传感器的圆柱状腔室的三维灵敏度矩阵。

4.如权利要求1所述的一种动态细胞阻抗成像装置，其特征在于，所述的电阻抗层析成像仪的FPGA计算和控制模块，将采集的电压V通过USB driver送入PC中，完成对传感器区域物体的反演成像和图形显示。

5.如权利要求1所述的一种动态细胞阻抗成像装置，其特征在于，利用所述的异常颗粒的流速信息v进行图像的校正。

Images