技术领域
[0001] 本
发明涉及电阻抗测量技术领域，尤其是涉及一种高精度多频率分布式医用
电阻抗成像测量系统及方法。
背景技术
[0002] 电阻抗成像技术是一种非侵入测量被测对象内部电导率分布的测量技术，它通过贴在被测对象表面的
电极对注入
电流激励
信号、采集
电压响应信号，通过求解电
磁场逆问题可以重建被测对象内部的电导率分布，并以图像显示，为使用者提供直观的检测信息，结果可靠。电导率的分布与被测对象的生理状态和健康状况有关且灵敏度高，该技术具有非侵入、无
辐射、低成本、速度快的优点，因而适宜用于长期的床边观测，研究该技术对于解决某些
疾病的长期床边监测具有重要意义。比如在机械式人工呼吸过程中，
肺内通气情况的不均匀性将会影响肺部的电阻抗分布。通过对被测对象胸腔表面施加安全电流、测量电压，可以获得胸腔的电阻抗分布，并进而获得肺通气均匀性的相关信息，避免由于通气不均匀导致部分肺泡不参与呼吸作用而产生肺泡不可逆死亡的发生。医学电阻抗成像技术在医学
治疗辅助、健康检测等方面均有潜在的应用价值。
[0003] 由于电阻抗成像技术的图像重建是一个病态
电磁场逆问题，边界测量信号的微小扰动会造成内部电导率分布重建结果的巨大变化，因此电阻抗成像技术的研究难点之一是如何获得准确可靠的测量信号。一个基本的医用电阻抗成像测量系统包括激励源、多路
开关、信号调理
电路和
数据采集处理电路几个部分。其中，激励源产生
激励信号，多路开关选择激励电极以施加激励电流，信号调理电路将微弱的测量信号放大，数据采集处理电路将
模拟信号转换为
数字信号，解调后用于后续成像。
[0004] 通常，电极与激励源之间采用长度1米左右的同轴
电缆连接，同轴电缆的寄生电容加上多路模拟开关的导通电阻和寄生电容会导致激励信号衰减和
相移，使高频时激励电流和测量电压与真实值差别大、电阻抗测量不准确，重建图像不准确。长传输线的配置对传输线的屏蔽效果也有更高要求。一些电阻抗成像系统中采用单端激励源的配置存在高的共模信号，需要高共模抑制比电路以取得高的测量精度。另外，电阻抗成像测量系统的集成度越高，系统
硬件升级成本也更大。因此一种能够克服上述问题的医用电阻抗成像测量系统的设计研发具有重要意义。
发明内容
[0005] 本发明的目的就是为了克服上述
现有技术存在的
缺陷而提供一种高精度多频率分布式医用电阻抗成像测量系统，该系统通过灵活的平行分布式结构、可扩展的
接口设计、安全的隔离保护、灵活的解调方式，可以实现电阻抗信息的准确采集，并能方便地升级测量系统及方法。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007] 一种高精度多频率分布式医用电阻抗成像测量系统，分别连接上位机和电极，包括一个主控板和至少三个前端测量采集板，所述主控板分别连接上位机和前端测量采集板，所述前端测量采集板与电极连接，所述主控板包括：
[0009] 激励信号产生模块，用于产生差分激励信号并输出至前端测量采集板；
[0010] 第二通信模块，用于与前端测量采集板通信；
[0011] 第一握手信号模块，用于获取前端测量采集板的工作状态，当握手信号显示本组数据采集完成时，准备输出下一组时钟
同步信号；
[0012] 同步信号产生模块，用于产生时钟同步信号并输出至前端测量采集板；
[0013] 主控芯片，用于配置激励信号产生模块，控制同步信号产生模块产生时钟同步信号，通过第一通信模块与上位机通信，并通过第二通信模块和第一握手信号模块与前端测量采集板通信；
[0014] 所述前端测量采集板包括：
[0015] 激励开关选择模块，与所述电极连接，用于选择本前端测量采集板的激励状态，导通或关闭激励源；
[0016] 数据采集模块，分别与所述电极和激励开关选择模块连接，用于根据主控板发出的时钟同步信号测量被测对象反馈的信号；
[0017] 第三通信模块，用于与主控板通信；
[0018] 第二握手信号模块，用于获取本前端测量采集板与其余前端测量采集板的工作状态，并反馈至主控板，从而实现时序和开关状态的逻辑控制；
[0019] 测量
控制器，用于控制激励开关选择模块和的工作状态，将数据采集模块测量的
信号处理成电压幅值和
相位信息，并通过第三通信模块和第二握手信号模块与主控板通信；
[0020] 接口模块，分别连接数据采集模块和测量控制器，将主控板发送的通信信号和时钟同步信号变换为单端信号，以匹配控制器和数据采集模块的有效电平范围。
[0021] 所述第一通信模块与上位机间设有光耦隔离器，利用光耦实现上位机与测量系统的电气隔离，以切断噪声干扰的路径，从而达到抑制噪声干扰的效果，提高测量系统精度。
[0022] 所述激励信号产生模块包括依次连接的激励信号产生单元、第一
差分信号转换单元和直流信号隔离器，所述激励信号产生单元与主控芯片连接，所述直流信号隔离器与前端测量采集板连接。激励信号产生单元可以输出
频率范围在1kHz–1MHz可调、幅值可调的
正弦波信号。第一差分信号转换单元将激励信号转换为反向的差分激励信号，并平行传输以增强激励信号的抗噪能
力。直流信号隔离器实现被测对象浮地，保护被测对象的安全。
[0023] 所述第二通信模块包括相连接的通信单元和第二差分信号转换单元，所述通信单元与主控芯片连接，所述第二差分信号转换单元与前端测量采集板连接。
[0024] 所述同步信号产生模块包括相连接的
时钟信号产生单元和第三差分信号转换单元，所述时钟信号产生单元与主控芯片连接，所述第三差分信号转换单元与前端测量采集板连接。时钟信号产生单元产生激励信号频率16倍的方波信号。
[0025] 第二通信模块和同步信号产生模块中的信号均经过差分变换，可以提高
信号传输的抗噪能力。
[0026] 所述数据采集模块包括依次连接的信号调理单元、隔离
变压器、数据采集单元和时钟接收单元，所述信号调理单元与电极连接，所述数据采集单元与测量控制器连接，所述时钟接收单元与主控板连接。信号调理单元包括电流
采样放大电路和测量电压放大电路，放大电路放大倍数可调，对测量到的微弱信号进行滤波放大；隔离变压器实施模拟信号隔离，实现被测对象浮地、以保护被测对象安全；数据采集单元将模拟信号转换为数字信号；时钟接收单元保证各个前端测量采集板同步并行进行采集，减小相位误差。
[0027] 所述第二握手信号模块包括用于监测本前端测量采集板工作状态的集电极开路
门电路和用于监测其余前端测量采集板工作状态的
施密特触发器，所述集电极开路门电路和施密特触发器均与第一握手信号模块连接。
[0028] 所述主控板和前端测量采集板通过一柔性信号带相连，所述柔性信号带上设有多个等间距的插接口，所述主控板和前端测量采集板分别对应插接于一个插接口中。
[0029] 至少一个所述前端测量采集板以主控板为中心设置于柔性信号带上，所述前端测量采集板就近电极设置。主控板在中心
位置以保证信号传输最
短路径，前端测量采集板就近电极设置以减小电极电缆寄生电容的影响。
[0030] 一种基于高精度多频率分布式医用电阻抗成像测量系统的测量方法，包括以下步骤：
[0031] 1)上位机向主控芯片发送测量命令；
[0032] 2)主控芯片将测量命令发送给测量控制器，并根据测量命令控制激励信号产生模块的差分激励信号的频率和幅值，控制同步信号产生模块发出时钟同步信号；
[0033] 3)测量控制器接收到测量命令，控制激励开关选择模块选通差分激励信号的一个通道，同时通过数据采集模块判断激励电流是否超过安全电流，若是，则执行步骤4)，若否，则执行步骤5)；
[0034] 4)测量控制器控制激励开关选择模块关断，并向主控芯片报警，退出；
[0035] 5)数据采集模块测量被测对象反馈的信号，同时判断接收到的时钟同步信号是否达到预设数目，若是，则完成一次数据采集，关断激励开关选择模块，等待下次时钟同步信号的到来，执行步骤6)，若否，则返回步骤5)；
[0036] 6)测量控制器通过第二握手信号模块向主控芯片发送数据采集完成信号，同时监测其余前端测量采集板的工作状态；
[0037] 7)主控芯片判断是否接收到所有前端测量采集板的数据采集完成信号，若是，则返回步骤2)进行下一组数据采集，直至完成测量命令，执行步骤8)，若否，则返回步骤7)；
[0038] 8)主控芯片以广播方式向前端测量采集板
请求数据，前端测量采集板将处理获得的电压幅值和相位信息按照地址顺序传输给主控芯片，主控芯片再将全部数据上传至上位机。
[0039] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0040] 1)本发明采用差分信号作为激励源，并通过隔离模块隔离电路的直流信号，实现被测对象浮地，可以有效保护被测对象的安全。
[0041] 2)本发明采用分布式系统，主控板和每个前端测量采集板上各有一个控制器控制，并且前端测量采集板就近电极布置，可以防止长传输线传输信号过程中造成的信号衰减和噪声，以及传输线的分布电容对信号的影响。前端测量采集板上的控制器对采集的数字信号进行数字解调处理，可以就近处理测量数据，将大批量数据解调为少量幅值和相位信息后传输，降低了主控板处理器的
数据处理负荷。同模拟解调方式相比，数字解调方式也使数据处理方式更加灵活，可以直接通过
软件升级实现更高效的数据处理方法，有效提高系统灵活性。
[0042] 3)本发明采用模块化设计，将每个模块通过柔性信号带的预留插口连接，方便根据需要进行部分模块升级，加快硬件开发速度、降低研发成本。通过改变连接到系统中的前端测量采集板的个数可以实现不同的系统分辨力以适应不同的应用需求，理论上可加载的前端测量采集板的数目取决于通信和时钟模块的带载能力。
附图说明
[0043] 图1为本发明医用电阻抗成像测量系统的主控板
框图；
[0044] 图2为本发明医用电阻抗成像测量系统的前端测量采集板框图；
[0045] 图3为本发明医用电阻抗成像测量系统的组合连接方式框图；
[0046] 图4为本发明电阻抗测量系统的第一握手信号模块与第二握手信号模块电路图。
[0047] 图中：1、主控板，2、前端测量采集板，3、上位机，4、电极，101、第一通信模块，102、激励信号产生单元，103、第一差分信号转换单元，104、直流信号隔离器，105、通信单元，106、第二差分信号转换单元，107、第一握手信号模块，108、时钟信号产生单元，109、第三差分信号转换单元，110、主控芯片，201、激励开关选择模块，202、信号调理单元，203、隔离变压器，204、数据采集单元，205、时钟接收单元，206、第三通信模块，207、第二握手信号模块，
208、测量控制器，209、接口模块，301、柔性信号带，302、插接口，401、集电极开路门电路，
402、施密特触发器，403、上拉电阻，404、施密特
反相器。
具体实施方式
[0048] 下面结合附图和具体
实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0049] 如图1和图2所示，本实施提供一种高精度多频率分布式医用电阻抗成像测量系统，分别连接上位机3和电极4，包括一个主控板1和至少三个前端测量采集板2，主控板1分别连接上位机3和前端测量采集板2，前端测量采集板2与电极4连接。如图1所示，主控板1包括：第一通信模块101，用于与上位机3通信；激励信号产生模块，用于产生差分激励信号并输出至前端测量采集板2；第二通信模块，用于与前端测量采集板2通信；第一握手信号模块107，用于获取前端测量采集板2的工作状态；同步信号产生模块，用于产生时钟同步信号并输出至前端测量采集板2；主控芯片110，用于配置激励信号产生模块，控制同步信号产生模块产生同步信号，通过第一通信模块101与上位机3通信，并通过第二通信模块和第一握手信号模块107与前端测量采集板2通信。
[0050] 第一通信模块101采用UART通信模块，该模块与上位机3间设有光耦隔离器，利用光耦实现上位机与测量系统的电气隔离，降低上位机噪声对测量系统精度的影响。激励信号产生模块包括依次连接的激励信号产生单元102、第一差分信号转换单元103和直流信号隔离器104，激励信号产生单元102与主控芯片110连接，直流信号隔离器104与前端测量采集板2连接。第二通信模块包括相连接的通信单元105和第二差分信号转换单元106，通信单元105与主控芯片110连接，通信单元105采用CAN总线，第二差分信号转换单元106与前端测量采集板2连接。同步信号产生模块包括相连接的时钟信号产生单元108和第三差分信号转换单元109，时钟信号产生单元108与主控芯片110连接，第三差分信号转换单元109与前端测量采集板2连接。
[0051] 如图2所示，前端测量采集板2包括：激励开关选择模块201，与电极4连接，用于选择本前端测量采集板2的激励状态，导通或关闭激励源；数据采集模块，分别与电极4和激励开关选择模块201连接，用于根据主控板1发出的时钟同步信号测量被测对象反馈的信号；第三通信模块206，用于与主控板1通信，采用CAN总线；第二握手信号模块207，用于获取本前端测量采集板2与其余前端测量采集板2的工作状态，并反馈至主控板1；测量控制器208，用于控制激励开关选择模块201的工作状态，将数据采集模块测量的信号处理成电压幅值和相位信息，并通过第三通信模块206和第二握手信号模块207与主控板1通信；接口模块
209，分别连接数据采集模块和测量控制器208，接口模块209内设有将主控板1发送的通信信号和时钟同步信号的差分信号变换为单端信号的电路，以匹配控制器和数据采集模块的有效电平范围。接口模块209还包含信号接
插件，用于数据传输。
[0052] 数据采集模块包括依次连接的信号调理单元202、隔离变压器203、数据采集单元204和时钟接收单元205，信号调理单元202与电极4连接，数据采集单元204与测量控制器
208连接，时钟接收单元205与主控板1连接。信号调理单元202包括电流采样放大电路和测量电压放大电路，放大电路放大倍数可调，对测量到的微弱信号进行滤波放大；隔离变压器
203实施模拟信号隔离，实现被测对象浮地、以保护被测对象安全；数据采集单元204将模拟信号转换为数字信号；时钟接收单元205保证各个前端测量采集板同步并行采集，以减小相位误差。
[0053] 第二握手信号模块207包括用于监测本前端测量采集板2工作状态的集电极开路门电路401和用于监测其余前端测量采集板2工作状态的施密特触发器402，集电极开路门电路401和施密特触发器402均与第一握手信号模块107连接。
[0054] 第二握手信号模块207的握手信号采用线与逻辑，如图4所示，前端测量采集板在测量状态时，
控制信号触发集电极开路门电路401导通，握手信号的总线状态为逻辑“0”。当一个前端板采集完成后，通过控制信号关断集电极开路门电路401，同时通过施密特触发器402监控总线状态，当总线状态由逻辑“0”变成逻辑“1”时，表示所有前端板都完成测量，主控板的施密特反相器404产生反向跳变，主控板控
制芯片捕捉跳变，并准备进入下组测量。
同时前端测量采集板上的施密特触发器产生正向跳变，前端测量采集板控制器捕捉跳变，等待主控板发出同步信号开始下组测量。
[0055] 如图3所示，主控板1和前端测量采集板2通过一条柔性信号带301相连，柔性信号带301上设有多个等间距的接插口302，主控板1和前端测量采集板2分别对应插接于一个接插口302中。至少一个前端测量采集板2以主控板1为中心设置于柔性信号带301上，前端测量采集板2就近电极4设置。
[0056] 本测量系统是一种分布式、可扩展的系统，前端测量采集板靠近电极布置，以减小电极电缆寄生电容的影响。每个前端测量采集板都可以独立进行数据采集和数据处理，数据采集由主控板分配的同步信号触发，以保证采集的同步性。前端测量采集板上的控制器对采集的数字信号进行数字解调处理，降低了主控板处理器的数据处理负荷。数字解调方式也使数据处理
算法的优化可以直接通过软件升级实现，比模拟解调更灵活，可以有效提高系统灵活性。
[0057] 每个前端测量采集板和主控板可以灵活插接在任何一个预设接口位置，以适应不同用途、不同电极数目的应用需要。通常，主控板插在中心插槽，以取得最短信号传输路径。通过分布式系统的设计，系统可以实现分模块升级，有效减小产品研发周期，提高系统更新换代的灵活性。
[0058] 上述基于高精度多频率分布式医用电阻抗成像测量系统中，主控板1具体实施的工作模式是：
[0059] 上电后，主控板1进行初始化，然后进入等待状态，当收到上位机3下达测量命令后，主控板1上的主控芯片110控制激励信号产生单元102产生所需频率与幅值的正弦波激励信号，并配置时钟信号产生单元108准备产生固定个数和频率的方波信号。准备完成后，主控芯片110通过与前端测量采集板之间的通信单元105广播测量命令并要求前端测量采集板2进行相应配置，收到所有前端测量采集板2配置完成准备就绪的握手信号后，时钟信号产生单元108通过第三差分信号转换单元109输出差分信号，前端测量采集板2开始测量。每次输出同步信号后，等待第一握手信号模块107的握手信号的到来，收到握手信号后输出下一组同步信号，直至激励信号历遍所有电极或者完成上位机要求的测量
帧数。测量完成后，主控板1通过通信单元105以广播方式向前端测量采集板2请求数据，收到全部数据后主控板1通过第一通信模块101将数据上载给上位机3，进入新的测量等待状态。
[0060] 前端测量采集板2具体实施的工作模式是：
[0061] 上电后，前端测量采集板2进行初始化，具体包括关闭激励开关选择模块201、定义本板地址，然后进入等待状态。当从第三通信模块206收到测量命令后，测量控制器208根据激励源位置配置本板模拟开关是否开启，如果开启，将选通差分激励信号的一个通道，板上采样电路开始监控激励电流大小，如果由于故障导致激励电流超过安全电流，测量控制器立刻关断激励开关并通过通信总线向主控板报警。如果激励电流没有超过安全电流，测量控制器将打开中断、等待检测时钟信号并计数，当计数到的检测时钟信号达到预设数目后，测量控制器响应中断并关闭中断，完成一次数据采集。测量控制器进而切换激励开关的状态等待下次同步信号的到来，并输出控制信号控制集电极开路门电路401输出高电平，并监控总线的状态。当检测到总线施密特触发器402出现正脉冲，表明所有前端测量采集板都完成采集过程，准备接收下一组同步信号。在所有数据采集完成后将采集到的大量数字信号通过数字解调处理为少量的幅值和相位信息，等待主控板索要数据的指令。当收到主控板的数据请求命令后，按照地址顺序，前端测量采集板依次将测量到的幅值和相位信息上传，然后进入等待状态，等待下一个测量周期的测量指令。
[0062] 根据上述描述，上述基于高精度多频率分布式医用电阻抗成像测量系统的测量方法可包括以下步骤：
[0063] 1)上位机向主控芯片发送测量命令；
[0064] 2)主控芯片将测量命令发送给测量控制器，并根据测量命令控制激励信号产生模块的差分激励信号的频率和幅值，控制同步信号产生模块发出时钟同步信号；
[0065] 3)测量控制器接收到测量命令，控制激励开关选择模块选通差分激励信号的一个通道，同时通过数据采集模块判断激励电流是否超过安全电流，若是，则执行步骤4)，若否，则执行步骤5)；
[0066] 4)测量控制器控制激励开关选择模块关断，并向主控芯片报警，退出；
[0067] 5)数据采集模块测量被测对象反馈的信号，同时判断接收到的时钟同步信号是否达到预设数目，若是，则完成一次数据采集，关断激励开关选择模块，等待下次时钟同步信号的到来，执行步骤6)，若否，则返回步骤5)；
[0068] 6)测量控制器通过第二握手信号模块向主控芯片发送数据采集完成信号，同时监测其余前端测量采集板的工作状态并发送给主控芯片；
[0069] 7)主控芯片判断是否接收到所有前端测量采集板的数据采集完成信号，若是，则返回步骤2)进行下一组数据采集，直至完成测量命令，执行步骤8)，若否，则返回步骤7)；
[0070] 8)主控芯片以广播方式向前端测量采集板请求数据，前端测量采集板将处理获得的电压幅值和相位信息按照地址顺序传输给主控芯片，主控芯片再将全部数据上传至上位机。
