CN115089158A - 一种多信号激励与相干采样的多频eit检测系统、检测方法 - Google Patents

一种多信号激励与相干采样的多频eit检测系统、检测方法 Download PDF

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CN115089158A CN202210848897.8A CN202210848897A CN115089158A CN 115089158 A CN115089158 A CN 115089158A CN 202210848897 A CN202210848897 A CN 202210848897A CN 115089158 A CN115089158 A CN 115089158A
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杨宇祥
胡松佩
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Abstract

本申请公开了一种多信号激励与相干采样的多频EIT检测系统、检测方法。其设计要点在于：顺序双向连接的FPGA模块、DA/AD模块、模拟前端模块、多路复用模块；所述FPGA模块用于生成多频信号、存储激励电流信号与响应电压信号、求解检测场域的电导率分布并成像；所述多频信号为数字电压信号；所述DA/AD模块用于将所述FPGA生成的数字电压信号转化成模拟电压信号输出，同时用于将采集的模拟电流与电压信号转化成数字电压信号传输给所述FPGA模块存储。采用本申请的一种多信号激励与相干采样的多频EIT检测系统、检测方法，能够有效的解决了现有技术的不足。

Description

一种多信号激励与相干采样的多频EIT检测系统、检测方法
技术领域
本申请涉及医疗检测这一技术领域，特别涉及一种多信号激励与相干采样的多频EIT检测系统、检测方法。
背景技术
现有技术中，医学临床检测中的成像方法有计算机断层成像(CT)、核磁共振成像(MRI)和超声成像(US)。
相较于上述成像技术，电阻抗成像(EIT)有着无辐射、便携和实时性检测的优点，有能力应用到医学的临床检测中并在该领域有了一定的应用。例如：CN103584866B、CN109363675A、CN101248995B等文献。
传统的电阻抗成像技术是单频率下的阻抗测量，并且需要依靠前一时刻的参照阻抗计算阻抗变化，但是在实际的临床检测环境中很难获得参考阻抗。
因此，如何解决上述问题成为一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种多信号激励与相干采样的多频EIT检测系统、检测方法，根据不同频率下阻抗的变化进行EIT成像，解决了现有技术无法获取参考阻抗的不足。采用本申请的检测系统与检测方法，能够精确表征生物组织的电特性，同时在时差成像中融合了多频阻抗信息，增强了EIT的重构图像。
本申请的技术方案如下：
一种多信号激励与相干采样的多频EIT检测系统，包括：顺序双向连接的FPGA模块、DA/AD模块、模拟前端模块、多路复用模块、电极传感器；
其中，所述FPGA模块用于生成多频信号、存储激励电流信号I(m)与响应电压信号、求解检测场域的电导率分布并成像；所述多频信号为数字电压信号；
其中，所述DA/AD模块用于将所述FPGA生成的数字电压信号转化成模拟电压信号输出，同时用于将采集的模拟电流与电压信号转化成数字电压信号传输给所述FPGA模块存储；
其中，模拟前端模块用于将所述DA/AD模块输出的模拟电压信号转换成恒定幅值的电流信号输出；
其中，多路复用模块用于将所述模拟前端模块输出的电流信号选通输出；
其中，多路复用模块的信号与电极传感器的信号双向连通。
进一步，电极传感器的数量为P个。
进一步，FPGA模块包括：多频信号生成模块、PLL模块、多频EIT成像模块、数据存储模块；
多频信号生成模块的输出端与PLL模块的输入端连接；
多频EIT成像模块的输出端与数据存储模块的输入端连接；
其中，多频信号生成模块用于将多个频率下等幅值的正弦信号合成一个包含I个谐波向量的多频信号；
其中，PLL模块用于控制所述DA/AD模块分别对激励电流与相应电压进行相干采样(即PLL控制DA/AD模块读取多频信号生成模块101发出模拟的多频信号)；
其中，多频EIT成像模块用于根据激励电流信号I(m)与响应电压信号V(m)来进行求解检测场域的电导率分布并成像；
其中，数据存储模块用于存储采集到的离散序列I(m)与V(m)。
进一步，模拟前端模块中设置有：一个定值电阻和两个差分放大器；
其中，所述定值电阻用于采集其两端电压从而计算激励电流信号；
其中，两个差分放大器分别用于差分处理采集的激励电流信号和电压响应信号。
一种检测方法，采用基于时差成像的方法来成像，其包括如下步骤：
步骤A，计算t1时刻测量的边界阻抗值、计算t2时刻测量的边界阻抗值；
步骤B，计算同一频率下的阻抗变化ΔZf(t)：
ΔZf(t)＝Zf(t2)-Zf(t1)
Zf(t2)表示：f频率下t2时刻测量的边界阻抗值；
Zf(t1)表示：f频率下t1时刻测量的边界阻抗值；
步骤C，根据步骤B得到的阻抗变化值ΔZf(t)计算场域的电导率分布Δσ并归一化，利用归一化后的Δσ绘制多频EIT图像。
进一步，计算任意t时刻的边界阻抗值的方法为：
S100，合成多频信号
所述信号表示为：
Figure BDA0003754096500000021
其中，Ai、fi、
Figure BDA0003754096500000022
表示任意第i个波的振幅、频率、相位角；
fi＝qi×f0
任选L个质数，从小至大依次排列，最小值为a；
其中qi为从a开始的第i个质数，f0为基波周期(f0可取1kHz)(例如：qi为从2开始的第i个质数；也即，q1＝2，q2＝3，q3＝5，q4＝7q5＝11，q6＝13，q7＝17，q8＝19，q9＝29……)
S200，多频信号激励以及多频信号采集
依次对电极1-2，2-3，3-4，…，P-1激励，同时采集其余P-3对电极的激励电流信号I(m)与响应电压信号V(m)；
其中，对第K、K+1激励，同时采集其他电极的激励电流信号I(m)与响应电压信号V(m)的方式如下：
S201，多频信号激励
S100生成的多频信号x(t)转化为模拟信号，所述模拟信号传输到电极传感器上；电极传感器设置有P个电极，电极传感器的电极采用数字编号，1、2、3……P-1、P；选通第K、K+1两个电极对待测物激励；
S202，多频信号采集
以fs的采样频率依次采集1-2电极、2-3电极、……“K-2”-“K-1”电极、“K+2”-“K+3”电极、……“P-1”-P电极之间的激励电流信号与响应电压信号；
选通第K、K+1两个电极对待测物激励时，采集任意H、H+1电极均能得到一组激励电流信号与响应电压信号，其表达为下式：
Figure BDA0003754096500000031
Figure BDA0003754096500000032
I(m)、V(m)表示测量得到的第m个采样点的激励电流信号与响应电压信号；
其中，M表示AD/DA模块采集数据时的采样点数，满足：
Figure BDA0003754096500000033
S200能够得到：P×(P-3)组激励电流信号与响应电压信号数据，即S200得到的信号数据结构如下：
Figure BDA0003754096500000034
Figure BDA0003754096500000041
S300，对P×(P-3)组激励电流信号与响应电压信号均进行DFT变换；
其中，对于任意一组激励电流信号与响应电压信号进行DFT变换的方式如下：
Figure BDA0003754096500000042
Figure BDA0003754096500000043
j表示虚数；
S300得到的信号数据结构如下：
Figure BDA0003754096500000044
上述，需要说明的是：
任意x组的：Ix'(0)＝0，Ix'(1)＝0，Ix'(4)＝0……；即Ix'(y)，只有y＝q1、q2…qL才有实际信号。
类似的，Vx'(0)＝0，Vx'(1)＝0，Vx'(4)＝0……；即Vx'(y)，只有y＝q1、q2…qL才有实际信号。
S400，对步骤S300得到的结果，计算P×(P-3)组每组的激励电流信号经过DFT变换后的幅值谱、相位谱,计算P×(P-3)组每组的响应电压信号经过DFT变换后的幅值谱、相位谱；
S401，计算任意一组激励电流信号经过DFT变换后的幅值谱、相位谱的方法为：
Figure BDA0003754096500000051
An、
Figure BDA0003754096500000052
可视为中间参数；
幅值谱In'、相位谱φn'可表示为：
当n＝ql,l＝1,2,…,L
Figure BDA0003754096500000053
当n为其他数时：
Figure BDA0003754096500000054
S402，计算任意一组响应电压信号经过DFT变换后的幅值谱、相位谱的方法为：
Figure BDA0003754096500000055
An、
Figure BDA0003754096500000056
可视为中间参数；
幅值谱Vn'、相位谱φn'可表示为：
当n＝qk,k＝1,2,…,L
Figure BDA0003754096500000057
当n为其他数时：
Figure BDA0003754096500000058
S500，根据S400得到的结果，计算P×(P-3)组每组的边界阻抗Zf的幅值Zn和相位θn：
Figure BDA0003754096500000061
n＝qk＝ql,k＝1,2,…,L；
Figure BDA0003754096500000062
基于上述方法能够求得Zf(t2)、Zf(t1)。
一种检测方法，采用频差成像，其包括如下步骤：
S100，合成多频信号
所述信号表示为：
Figure BDA0003754096500000063
其中，Ai、fi、
Figure BDA0003754096500000064
表示任意第i个波的振幅、频率、相位角；
fi＝qi×f0
任选L个质数，从小至大依次排列，最小值为a；
其中qi为从a开始的第i个质数，f0为基波周期；
S200，多频信号激励以及多频信号采集
依次对电极1-2，2-3，3-4，…，P-1激励，同时采集其余P-3对电极的激励电流信号与响应电压信号；
其中，对第K、K+1激励，同时采集其他电极的激励电流信号与响应电压信号的方式如下：
S201，多频信号激励
S100生成的多频信号x(t)转化为模拟信号，所述模拟信号传输到电极传感器上；电极传感器设置有P个电极，电极传感器的电极采用数字编号，1、2、3……P-1、P；选通第K、K+1两个电极对待测物激励；
S202，多频信号采集
以fs的采样频率依次采集1-2电极、2-3电极、……“K-2”-“K-1”电极、“K+2”-“K+3”电极、……“P-1”-P电极之间的激励电流信号与响应电压信号；
选通第K、K+1两个电极对待测物激励时，采集任意H、H+1电极均能得到一组激励电流信号与响应电压信号，其表达为下式：
Figure BDA0003754096500000071
Figure BDA0003754096500000072
I(m)、V(m)表示测量得到的第m个采样点的激励电流信号与响应电压信号；
其中，M表示AD/DA模块采集数据时的采样点数，满足：
Figure BDA0003754096500000073
S200能够得到：P×(P-3)组激励电流信号与响应电压信号数据，即S200得到的信号数据结构如下：
组数 激励电流信号 响应电压信号
第一组 I<sub>1</sub>(0)I<sub>1</sub>(1).......I<sub>1</sub>(M-1) V<sub>1</sub>(0) V<sub>1</sub>(1).......V<sub>1</sub>(M-1)
第二组 I<sub>2</sub>(0)I<sub>2</sub>(1).......I<sub>2</sub>(M-1) V<sub>2</sub>(0) V<sub>2</sub>(1).......V<sub>2</sub>(M-1)
第三组 I<sub>3</sub>(0)I<sub>3</sub>(1).......I<sub>3</sub>(M-1) V<sub>3</sub>(0) V<sub>3</sub>(1).......V<sub>3</sub>(M-1)
...... ...... ......
第P×P-3组 I<sub>P×P-3</sub>(0) I<sub>P×P-3</sub>(1).......I<sub>P×P-3</sub>(M-1) V<sub>P×P-3</sub>(0) V<sub>P×P-3</sub>(1).......V<sub>P×P-3</sub>(M-1)
S300，对P×(P-3)组激励电流信号与响应电压信号均进行DFT变换；
其中，对于任意一组激励电流信号与响应电压信号进行DFT变换的方式如下：
Figure BDA0003754096500000074
Figure BDA0003754096500000075
j表示虚数；
S300得到的信号数据结构如下：
Figure BDA0003754096500000076
Figure BDA0003754096500000081
上述，需要说明的是：
任意x组的：Ix'(0)＝0，Ix'(1)＝0，Ix'(4)＝0……；即Ix'(y)，只有y＝q1、q2…qL才有实际信号。
类似的，Vx'(0)＝0，Vx'(1)＝0，Vx'(4)＝0……；即Vx'(y)，只有y＝q1、q2…qL才有实际信号。
S400，对步骤S300得到的结果，计算P×(P-3)组每组的激励电流信号经过DFT变换后的幅值谱、相位谱,计算P×(P-3)组每组的响应电压信号经过DFT变换后的幅值谱、相位谱；
S401，计算任意一组激励电流信号经过DFT变换后的幅值谱、相位谱的方法为：
Figure BDA0003754096500000082
An、
Figure BDA0003754096500000083
可视为中间参数；
幅值谱In'、相位谱φn'可表示为：
当n＝ql,l＝1,2,…,L
Figure BDA0003754096500000084
当n为其他数时：
Figure BDA0003754096500000085
S402，计算任意一组响应电压信号经过DFT变换后的幅值谱、相位谱的方法为：
Figure BDA0003754096500000091
An、
Figure BDA0003754096500000092
可视为中间参数；
幅值谱Vn'、相位谱φn'可表示为：
当n＝qk,k＝1,2,…,L
Figure BDA0003754096500000093
当n为其他数时：
Figure BDA0003754096500000094
事实上，n为其他数时，上述数据不需要考虑。
S500，根据S400得到的结果，计算P×(P-3)组每组的边界阻抗Zf的幅值Zn和相位θn：
Figure BDA0003754096500000095
n＝qk＝ql,k＝1,2,…,L；
Figure BDA0003754096500000096
S600，频差成像
计算同一时间t下的不同频率阻抗变化
Figure BDA0003754096500000097
即用第一～P×P-3组的Zn的幅值减去同一组的Z1的幅值，n＝ql l＝1,2,…,L；其数据结构如下；
Figure BDA0003754096500000098
Figure BDA0003754096500000101
上述计算采用下式表述：
同一组：
Figure BDA0003754096500000102
S700，根据S600得到的阻抗变化值
Figure BDA0003754096500000103
计算场域的电导率分布Δσ并归一化，利用归一化后的Δσ绘制多频EIT图像。
进一步，S700包括：
Δσ＝(JTJ+εTE+εNdiag(diag(JTJ)))-1JTΔZ
其中，J为敏感矩阵，为已知值；
E为与J同阶的单位矩阵，为已知值；
εT和εN为两个正则化参数，为已知值；
ΔZ为阻抗变化值，其取值ΔZf(t)或
Figure BDA0003754096500000104
根据阻抗变化值ΔZf(t)或
Figure BDA0003754096500000105
计算场域多频下的电导率分布Δσ并归一化，利用归一化后的Δσ绘制多频EIT图像。
进一步，f0＝1kHz。
进一步，a＝2。
本申请的有益效果在于：
第一，本申请的基础构思在于：检测场域的电导率分布Δσ逆向求解根据Tikhonov-Noser组合正则化算法计算得到。而其中的关键参数是边界阻抗的变化ΔZ。
对于边界阻抗的变化ΔZ而言，其能够由两种方式计算得到：
1)一是由ΔZf(t)＝Zf(t2)-Zf(t1)，即计算同一频率f两个时刻t1、t2下阻抗的变化；
2)二是由
Figure BDA0003754096500000106
即计算同一时刻t两个频率f1、fl下阻抗的变化(fi＝qi×f0，即Zt(fq1)表示f1下的阻抗；
Figure BDA0003754096500000107
表示fl下的阻抗)。
这是本申请的两个基本构思，即两种不同的成像方案。
第二，本申请的第二个发明点以及难点在于：如何求解ΔZf(t)。时差成像，需要有该组织的正常时的电阻抗值。
对于该问题，其方案是：
步骤A，计算t1时刻测量的边界阻抗值、计算t2时刻测量的边界阻抗值；
步骤B，计算同一频率下的阻抗变化ΔZf(t)：
ΔZf(t)＝Zf(t2)-Zf(t1)
Zf(t2)表示：f频率下t2时刻测量的边界阻抗值；
Zf(t1)表示：f频率下t1时刻测量的边界阻抗值；
步骤C，根据步骤B得到的阻抗变化值ΔZf(t)计算场域的电导率分布Δσ并归一化，利用归一化后的Δσ绘制多频EIT图像。
第三，本申请的第二个发明点以及难点在于：如何求解
Figure BDA0003754096500000111
(频差成像)。本申请采用S100～S700解决了上述问题。
附图说明
下面结合附图中的实施例对本申请作进一步的详细说明，但并不构成对本申请的任何限制。
图1是本申请的EIT检测系统的结构设计图。
图2是本申请的检测方法示意图。
图1-图2中的附图标记说明如下：
FPGA模块100、DA/AD模块200、模拟前端300、多路复用模块400、电极传感器500；
多频信号生成模块101、PLL模块102、多频EIT成像模块103、数据存储模块104。
具体实施方式
实施例一：多信号激励与相干采样的多频EIT检测系统
如图1所示，一种多信号激励与相干采样的多频EIT检测系统，其包括：FPGA模块100、DA/AD模块200、模拟前端300、多路复用模块400、电极传感器500。
1.1FPGA模块100的设计
FPGA模块包括：多频信号生成模块101、PLL模块102、多频EIT成像模块103、数据存储模块104。
1.1.1多频信号生成模块101的设计
多频信号生成模块101用于将多个频率下等幅值的正弦信号合成一个包含I个谐波向量的多频信号，其为：
Figure BDA0003754096500000121
其中，Ai、fi、
Figure BDA0003754096500000122
表示任意第i个波的振幅、频率、相位角；
fi＝qi×f0
其中qi为从2开始的i个质数，f0为基波周期，f0＝1kHz；
1.1.2PLL模块102的设计
PLL模块用于控制所述DA/AD模块分别对激励电流与响应电压进行相干采样；
以fs采样率采集离散序列的电流、电压信号；
其中，fs表示：DA/AD模块的采样频率，
Figure BDA0003754096500000123
Figure BDA0003754096500000124
I(m)表示第m个采样点数的离散激励电流信号；
V(m)表示第m个采样点数的离散响应电压信号；
M表示采样点数。
1.1.3多频EIT成像模块103的设计
多频EIT成像模块103用于读取所述数据采集及存储模块104存储的激励电流信号I(m)与响应电压信号V(m)；
分别对I(m)与V(m)进行离散傅里叶变换(DFT)得到：
Figure BDA0003754096500000125
Figure BDA0003754096500000126
Figure BDA0003754096500000131
其中i＝l＝k，则ql＝qk＝qi，即I’(n)与V’(n)信号的频率分量与生成的多频信号的频率分量相等，fi＝ql×f0；
从而得到：
I(n)的幅值谱
Figure BDA0003754096500000132
相位谱
Figure BDA0003754096500000133
V(n)的幅值谱
Figure BDA0003754096500000134
之后根据
Figure BDA0003754096500000135
θk＝ψn-φn分别计算场域边界阻抗Zf的幅值谱与相位谱，最后根据ΔZ≈JΔσ(x,y)逆向求解检测场域的电导率分布并成像：
1.1.4数据存储模块104的设计
数据存储模块104用于存储所述DA/AD模块采集的离散序列I(m)与V(m)。
2.1DA/AD模块200的设计
DA/AD模块200(其设计属于现有技术)用于将所述FPGA生成的数字电压信号转化成模拟电压信号输出，同时用于将采集的模拟电流与电压信号转化成数字电压信号传输给所述FPGA模块存储，输出与采集通道各有一个低通滤波器对信号进行滤波处理；
3.1模拟前端模块300的设计
模拟前端模块300用于将所述DA/AD模块200输出的模拟电压信号转换成恒定幅值的电流信号输出同时布置一个定值电阻和两个差分放大器，定值电阻用于采集其两端电压，根据I＝V/R_f计算激励电流信号，两个差分放大器分别用于差分处理采集的激励电流信号和电压响应信号；
4.1多路复用模块400的设计
多路复用模块400用于将所述模拟前端模块300输出的电流信号选通输出。
实施例二：检测方法
一种检测方法：
S100，多频信号合成：多频信号生成模块100采用改进相位迭代优化的multisine合成算法生成波峰因数(CF)最小的多频信号，该信号表示为：
Figure BDA0003754096500000136
其中，Ai、fi、
Figure BDA0003754096500000141
表示任意第i个波的振幅、频率、相位角；
fi＝qi×f0；
其中qi为从2开始的任选的第i个质数(qi按照i的增大而增大)，f0为基波周期(f0可取1kHz)；
具体而言，多频信号包含L＝20个等幅值质数伪对数频谱分布的正弦信号，20个正弦信号的频率分量fi分别为2kHz，3kHz，5kHz，7kHz，11kHz，13kHz，17kHz，19kHz，29kHz，37kHz，53kHz，73kHz，101kHz，139kHz，193kHz，269kHz，373kHz，521kH，719kHz，997kHz，每个正弦信号的归一化幅值为0.3162，基波周期f0＝1kHz；
S200，多频信号激励：AD/DA模块200将多频信号生成模块生成的多频信号x(t)转化为模拟信号，通过模拟前端传输到16电极上，多路复用模块选通1、2电极对待测物激励；
S300，多频信号采集：PLL模块控制AD/DA模块以fs的采样率依次采集另外14个电极中13对电极(3-4，4-5，5-6，6-7，7-8，8-9，9-10，10-11，11-12，12-13，13-14，14-15，15-16)，据此得到激励电流信号I(m)与响应电压信号V(m)；
需要说明的是，当多路复用模块选通1、2电极对待测物激励，当PLL模块控制AD/DA模块以fs的采样率依次采集3-4电极对时，会产生一组激励电流信号I(m)与响应电压信号V(m)；其表达式如下：
激励电流信号为：
Figure BDA0003754096500000142
响应电压信号为：
Figure BDA0003754096500000143
其中M为采样点数；
对应的，当多路复用模块选通1、2电极对待测物激励，当PLL模块控制AD/DA模块以fs的采样率依次采集4-5电极对时，也会产生一组激励电流信号I(m)与响应电压信号V(m)；其表达式如下：
激励电流信号为：
Figure BDA0003754096500000144
响应电压信号为：
Figure BDA0003754096500000151
类似的，当多路复用模块选通1、2电极对待测物激励，当PLL模块控制AD/DA模块以fs的采样率依次采集任意两个电极时，均会产生一组激励电流信号I(m)与响应电压信号V(m)；每组激励电流信号I(m)与响应电压信号V(m)，均包含有M个激励电流信号、响应电压信号。
S400，循环执行S200～S300，依次对电极1-2，2-3，3-4，…，16-1激励，同时采集其余13对电极的激励电流信号I(m)与响应电压信号V(m)，总共采集到16×13＝208组I(m)与V(m)，之后跳转S500；
也即，S400结束时，激励电流信号与响应电压信号的采集到的数据结构如下：
Figure BDA0003754096500000152
S500，多频EIT成像模块分别对208组每组的激励电流信号I(m)与响应电压信号V(m)均进行DFT变换，得：
Figure BDA0003754096500000153
Figure BDA0003754096500000154
根据欧拉公式ejθ＝cosθ+jsinθ得：
Figure BDA0003754096500000155
Figure BDA0003754096500000161
又由基波频率f0、采样率fs和采样点数M满足
Figure BDA0003754096500000162
的关系且多频信号各频率分量
Figure BDA0003754096500000163
其中ql与qk为正整数且ql＝qk(L＝K)，最终计算得到只有在n＝ql(l＝1,…,L)处I'(n)才有非零值为
Figure BDA0003754096500000164
在n＝qk(k＝1,…,K)处V(n)才有非零值为
Figure BDA0003754096500000165
此时信号的频谱无泄漏。
组数 经过DFT变换的激励电流信号 经过DFT变换的响应电压信号
第一组 I<sub>1</sub>'(0) I<sub>1</sub>'(1).......I<sub>1</sub>'(M-1) V<sub>1</sub>'(0)V<sub>1</sub>'(1).......V<sub>1</sub>'(M-1)
第二组 I<sub>2</sub>'(0) I<sub>2</sub>'(1).......I<sub>2</sub>'(M-1) V<sub>2</sub>'(0)V<sub>2</sub>'(1).......V<sub>2</sub>'(M-1)
第三组 I<sub>3</sub>'(0) I<sub>3</sub>'(1).......I<sub>3</sub>'(M-1) V<sub>3</sub>'(0)V<sub>3</sub>'(1).......V<sub>3</sub>'(M-1)
...... ...... ......
第208组 I<sub>208</sub>'(0) I<sub>208</sub>'(1).......I<sub>208</sub>'(M-1) V<sub>208</sub>'(0)V<sub>208</sub>'(1).......V<sub>208</sub>'(M-1)
也即，第一组的I1(0) I1(1).......I1(M-1)进行DFT变换后，为：I1'(0) I1'(1).......I1'(M-1)；
第一组的V1(0) V1(1).......V1(M-1)进行DFT变换后，为：V1'(0) V1'(1).......V1'(M-1)；
上述需要说明的是：
每组只有：I1'(2)、I1'(3)、I1'(5)、I1'(7)、I1'(11)、I1'(13)、I1'(17)、I1'(19)、I1'(29)、I1'(37)、I1'(53)、I1'(73)、I1'(101)、I1'(139)、I1'(193)、I1'(269)、I1'(373)、I1'(521)、I1'(719)、I1'(997)才有结果，其他如I1'(0)均为0。
V1'(2)、V1'(3)、V1'(5)、V1'(7)、V1'(11)、V1'(13)、V1'(17)、V1'(19)、V1'(29)、V1'(37)、V1'(53)、V1'(73)、V1'(101)、V1'(139)、V1'(193)、V1'(269)、V1'(373)、V1'(521)V1'(719)、V1'(997)才有结果，其他如I1'(0)均为0。
S600，多频EIT成像模块分别获取I(n)经过DFT变换后的幅值谱I'(n)与相位谱φn'(n＝0,1,…,M-1)和V(n)经过DFT变换后的幅值谱V'(n)与相位谱ψn(n＝0,1,…,M-1)；
S600的本质是：基于S500已知I'(n)，基于下式来反分析得到An、
Figure BDA0003754096500000171
这两个中间参数
Figure BDA0003754096500000172
进而得到：I(n)经过DFT变换后的幅值谱I'(n)与相位谱φn'：
Figure BDA0003754096500000173
S600的本质是：基于S500已知V'(n)，基于下式来反分析得到An、
Figure BDA0003754096500000179
这两个中间参数
Figure BDA0003754096500000174
幅值谱In'、相位谱φn'可表示为：
Figure BDA0003754096500000175
根据下述方程式，计算出每组的边界阻抗Zf的幅值Zn和相位θn：
Figure BDA0003754096500000176
θn＝ψn-φn(n＝ql∈N+,l＝1,…,L)
S700，成像模式选择：根据临床检测环境中是否能够提供前一时刻的参考阻抗以进行时差成像；
若能提供前一时刻的参考阻抗，执行S800；
若不能提供前一时刻的参考阻抗，执行S900；
S800，时差成像：多频EIT成像模块通过
Figure BDA0003754096500000177
计算同一频率下的阻抗变化
Figure BDA0003754096500000178
之后执行S1000计算场域的电导率分布；
S900，多频EIT成像模块通过ΔZt(fl)＝Zt(fl)-Zt(f1)(l＝2,3,4,…,L)计算同一时间fl下的阻抗变化ΔZt(fl)，之后执行S1000计算场域的电导率分布；
S1000，多频成像模块根据混合正则化算法(S800-S1000的内容属于现有技术，不再熬述:，例如：《An Image Reconstruction Algorithm for Electrical ImpedanceTomography Using Measurement Estimation of Virtual Electrodes，Lu Yang,etc，IEEE SENSORS JOURNAL,VOL.22,NO.13,JULY 1,2022》；即S800-S1000能到得到一个电导率矩阵，其包含了电极所在区域的整体电导率的分布；也就是把这个区域分成若干个三角形然后计算每个三角形的电导率值，然后根据这个值上色；不同的阻抗变化值输入，输出的不同的电导率分布能反应不同频率下的组织或细胞的电学特性差异)：
Δσ＝(JTJ+εTE+εNdiag(diag(JTJ)))-1JTΔZ
其中，J为敏感矩阵，为已知值；
E为与J同阶的单位矩阵，为已知值；
εT和εN为两个正则化参数，为已知值；
ΔZ为阻抗变化值(ΔZf(t)、ΔZt(fl))，为已知值；
根据阻抗变化值
Figure BDA0003754096500000181
计算场域多频下的电导率分布Δσ并归一化，利用归一化后的Δσ绘制多频EIT图像，通过多频EIT图像可以综合评估临床中肿瘤的位置、肺部呼吸状况、体外血栓等结果。
以上所举实施例为本申请的较佳实施方式，仅用来方便说明本申请，并非对本申请作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本申请所提技术特征的范围内，利用本申请所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本申请的技术特征内容，均仍属于本申请技术特征的范围内。

Claims (9)

1.一种多信号激励与相干采样的多频EIT检测系统，其特征在于，包括：顺序双向连接的FPGA模块、DA/AD模块、模拟前端模块、多路复用模块、电极传感器；
其中，所述FPGA模块用于生成多频信号、存储激励电流信号I(m)与响应电压信号、求解检测场域的电导率分布并成像；所述多频信号为数字电压信号；
其中，所述DA/AD模块用于将所述FPGA生成的数字电压信号转化成模拟电压信号输出，同时用于将采集的模拟电流与电压信号转化成数字电压信号传输给所述FPGA模块存储；
其中，模拟前端模块用于将所述DA/AD模块输出的模拟电压信号转换成恒定幅值的电流信号输出；
其中，多路复用模块用于将所述模拟前端模块输出的电流信号选通输出；
其中，多路复用模块的信号与电极传感器的信号双向连通。
2.根据权利要求1所述的一种多信号激励与相干采样的多频EIT检测系统，其特征在于，电极传感器的数量为P个。
3.根据权利要求1所述的一种多信号激励与相干采样的多频EIT检测系统，其特征在于，FPGA模块包括：多频信号生成模块、PLL模块、多频EIT成像模块、数据存储模块；
多频信号生成模块的输出端与PLL模块的输入端连接；
多频EIT成像模块的输出端与数据存储模块的输入端连接；
其中，多频信号生成模块用于将多个频率下等幅值的正弦信号合成一个包含I个谐波向量的多频信号；
其中，PLL模块用于控制所述DA/AD模块分别对激励电流与相应电压进行相干采样(即PLL控制DA/AD模块读取多频信号生成模块101发出模拟的多频信号)；
其中，多频EIT成像模块用于根据激励电流信号I(m)与响应电压信号V(m)来进行求解检测场域的电导率分布并成像；
其中，数据存储模块用于存储采集到的离散序列I(m)与V(m)。
4.根据权利要求1所述的一种多信号激励与相干采样的多频EIT检测系统，其特征在于，模拟前端模块中设置有：一个定值电阻和两个差分放大器；
其中，所述定值电阻用于采集其两端电压从而计算激励电流信号；
其中，两个差分放大器分别用于差分处理采集的激励电流信号和电压响应信号。
5.一种检测方法，采用基于时差成像的方法来成像，其包括如下步骤：
步骤A，计算t1时刻测量的边界阻抗值、计算t2时刻测量的边界阻抗值；
步骤B，计算同一频率下的阻抗变化ΔZf(t)：
ΔZf(t)＝Zf(t2)-Zf(t1)
Zf(t2)表示：f频率下t2时刻测量的边界阻抗值；
Zf(t1)表示：f频率下t1时刻测量的边界阻抗值；
步骤C，根据步骤B得到的阻抗变化值ΔZf(t)计算场域的电导率分布Δσ并归一化，利用归一化后的Δσ绘制多频EIT图像。
6.根据权利要求5所述的一种检测方法，其特征在于，计算任意t时刻的边界阻抗值的方法为：
S100，合成多频信号
所述信号表示为：
Figure FDA0003754096490000021
其中，Ai、fi、
Figure FDA0003754096490000022
表示任意第i个波的振幅、频率、相位角；
fi＝qi×f0
任选L个质数，从小至大依次排列，最小值为a；
其中qi为从a开始的第i个质数，f0为基波周期；
S200，多频信号激励以及多频信号采集
依次对电极1-2，2-3，3-4，…，P-1激励，同时采集其余P-3对电极的激励电流信号与响应电压信号；
其中，对第K、K+1激励，同时采集其他电极的激励电流信号与响应电压信号的方式如下：
S201，多频信号激励
S100生成的多频信号x(t)转化为模拟信号，所述模拟信号传输到电极传感器上；电极传感器设置有P个电极，电极传感器的电极采用数字编号，1、2、3……P-1、P；选通第K、K+1两个电极对待测物激励；
S202，多频信号采集
以fs的采样频率依次采集1-2电极、2-3电极、……“K-2”-“K-1”电极、“K+2”-“K+3”电极、……“P-1”-P电极之间的激励电流信号与响应电压信号；
选通第K、K+1两个电极对待测物激励时，采集任意H、H+1电极均能得到一组激励电流信号与响应电压信号，其表达为下式：
Figure FDA0003754096490000031
Figure FDA0003754096490000032
I(m)、V(m)表示测量得到的第m个采样点的激励电流信号与响应电压信号；
其中，M表示AD/DA模块采集数据时的采样点数，满足：
Figure FDA0003754096490000033
S200能够得到：P×(P-3)组激励电流信号与响应电压信号数据，即S200得到的信号数据结构如下：
组数 激励电流信号 响应电压信号 第一组 I<sub>1</sub>(0)I<sub>1</sub>(1).......I<sub>1</sub>(M-1) V<sub>1</sub>(0)V<sub>1</sub>(1).......V<sub>1</sub>(M-1) 第二组 I<sub>2</sub>(0)I<sub>2</sub>(1).......I<sub>2</sub>(M-1) V<sub>2</sub>(0)V<sub>2</sub>(1).......V<sub>2</sub>(M-1) 第三组 I<sub>3</sub>(0)I<sub>3</sub>(1).......I<sub>3</sub>(M-1) V<sub>3</sub>(0)V<sub>3</sub>(1).......V<sub>3</sub>(M-1) …… …… …… 第P×P-3组 I<sub>P×P-3</sub>(0)I<sub>P×P-3</sub>(1).......I<sub>P×P-3</sub>(M-1) V<sub>P×P-3</sub>(0)V<sub>P×P-3</sub>(1).......V<sub>P×P-3</sub>(M-1)
S300，对P×(P-3)组激励电流信号与响应电压信号均进行DFT变换；
其中，对于任意一组激励电流信号与响应电压信号进行DFT变换的方式如下：
Figure FDA0003754096490000034
Figure FDA0003754096490000035
j表示虚数；
S300得到的信号数据结构如下：
Figure FDA0003754096490000036
Figure FDA0003754096490000041
S400，对步骤S300得到的结果，计算P×(P-3)组每组的激励电流信号经过DFT变换后的幅值谱、相位谱,计算P×(P-3)组每组的响应电压信号经过DFT变换后的幅值谱、相位谱；
S401，计算任意一组激励电流信号经过DFT变换后的幅值谱、相位谱的方法为：
Figure FDA0003754096490000042
An、
Figure FDA0003754096490000043
为中间参数；
幅值谱In'、相位谱φn'可表示为：
当n＝ql,l＝1,2,…,L
Figure FDA0003754096490000044
当n为其他数时：
Figure FDA0003754096490000045
S402，计算任意一组响应电压信号经过DFT变换后的幅值谱、相位谱的方法为：
Figure FDA0003754096490000046
An、
Figure FDA0003754096490000047
为中间参数；
幅值谱Vn'、相位谱φn'可表示为：
当n＝qk,k＝1,2,…,L
Figure FDA0003754096490000048
当n为其他数时：
Figure FDA0003754096490000049
S500，根据S400得到的结果，计算P×(P-3)组每组的边界阻抗Zf的幅值Zn和相位θn：
Figure FDA0003754096490000051
n＝qk＝ql,k＝1,2,…,L。
7.一种检测方法，采用频差成像，其特征在于，其包括如下步骤：
S100，合成多频信号
所述信号表示为：
Figure FDA0003754096490000052
其中，Ai、fi、
Figure FDA0003754096490000053
表示任意第i个波的振幅、频率、相位角；
fi＝qi×f0
任选L个质数，从小至大依次排列，最小值为a；
其中qi为从a开始的第i个质数，f0为基波周期；
S200，多频信号激励以及多频信号采集
依次对电极1-2，2-3，3-4，…，P-1激励，同时采集其余P-3对电极的激励电流信号与响应电压信号；
其中，对第K、K+1激励，同时采集其他电极的激励电流信号与响应电压信号的方式如下：
S201，多频信号激励
S100生成的多频信号x(t)转化为模拟信号，所述模拟信号传输到电极传感器上；电极传感器设置有P个电极，电极传感器的电极采用数字编号，1、2、3.....P-1、P；选通第K、K+1两个电极对待测物激励；
S202，多频信号采集
以fs的采样频率依次采集1-2电极、2-3电极、......“K-2”-“K-1”电极、“K+2”-“K+3”电极、.....“P-1”-P电极之间的激励电流信号与响应电压信号；
选通第K、K+1两个电极对待测物激励时，采集任意H、H+1电极均能得到一组激励电流信号与响应电压信号，其表达为下式：
Figure FDA0003754096490000054
Figure FDA0003754096490000061
I(m)、V(m)表示测量得到的第m个采样点的激励电流信号与响应电压信号；
其中，M表示AD/DA模块采集数据时的采样点数，满足：
Figure FDA0003754096490000062
S200能够得到：P×(P-3)组激励电流信号与响应电压信号数据，即S200得到的信号数据结构如下：
组数 激励电流信号 响应电压信号 第一组 I<sub>1</sub>(0)I<sub>1</sub>(1).......I<sub>1</sub>(M-1) V<sub>1</sub>(0)V<sub>1</sub>(1).......V<sub>1</sub>(M-1) 第二组 I<sub>2</sub>(0)I<sub>2</sub>(1).......I<sub>2</sub>(M-1) V<sub>2</sub>(0)V<sub>2</sub>(1).......V<sub>2</sub>(M-1) 第三组 I<sub>3</sub>(0)I<sub>3</sub>(1).......I<sub>3</sub>(M-1) V<sub>3</sub>(0)V<sub>3</sub>(1).......V<sub>3</sub>(M-1) …… …… …… 第P×P-3组 I<sub>P×P-3</sub>(0)I<sub>P×P-3</sub>(1).......I<sub>P×P-3</sub>(M-1) V<sub>P×P-3</sub>(0)V<sub>P×P-3</sub>(1).......V<sub>P×P-3</sub>(M-1)
S300，对P×(P-3)组激励电流信号与响应电压信号均进行DFT变换；
其中，对于任意一组激励电流信号与响应电压信号进行DFT变换的方式如下：
Figure FDA0003754096490000063
Figure FDA0003754096490000064
j表示虚数；
S300得到的信号数据结构如下：
Figure FDA0003754096490000065
S400，对步骤S300得到的结果，计算P×(P-3)组每组的激励电流信号经过DFT变换后的幅值谱、相位谱,计算P×(P-3)组每组的响应电压信号经过DFT变换后的幅值谱、相位谱；
S401，计算任意一组激励电流信号经过DFT变换后的幅值谱、相位谱的方法为：
Figure FDA0003754096490000071
An、
Figure FDA0003754096490000072
可视为中间参数；
幅值谱In'、相位谱φn'可表示为：
当n＝ql,l＝1,2,…,L
Figure FDA0003754096490000073
当n为其他数时：
Figure FDA0003754096490000074
S402，计算任意一组响应电压信号经过DFT变换后的幅值谱、相位谱的方法为：
Figure FDA0003754096490000075
An、
Figure FDA0003754096490000076
可视为中间参数；
幅值谱Vn'、相位谱φn'可表示为：
当n＝qk,k＝1,2,…,L
Figure FDA0003754096490000077
当n为其他数时：
Figure FDA0003754096490000078
事实上，n为其他数时，上述数据不需要考虑。
S500，根据S400得到的结果，计算P×(P-3)组每组的边界阻抗Zf的幅值Zn和相位θn：
Figure FDA0003754096490000081
n＝qk＝ql,k＝1,2,…,L；
S600，频差成像
计算同一时间t下的不同频率阻抗变化ΔZt(fql)，即用第一～P×P-3组的Zn的幅值减去同一组的Z1的幅值，n＝ql l＝1,2,…,L；其数据结构如下；
Figure FDA0003754096490000082
上述计算采用下式表述：
同一组：
Figure FDA0003754096490000083
8.根据权利要求7所述的一种检测方法，其特征在于，f0＝1kHz。
9.根据权利要求6或7所述的一种检测方法，其特征在于，a＝2。
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