技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
电阻抗成像(EIT，Electrical Impedance Tomography)系统的设计方案，特别是涉及一种EIT系统电极的改进系统。
背景技术
[0002] 电阻抗成像技术通过配置于被测对象表面的电极系统，提取与其内部电特性分布相关的边界信息，给出反映被测对象内部物质或者阻抗分布及其变化的图像结果。该技术具有无损，无
辐射，低成本和成像速度快等优点，是近来研究的热点。电阻抗成像技术已经获得很多领域的关注，例如医学成像，工业
多相流检测，化学工程和
生物科技等其他相关领域。
[0003] 电阻抗成像系统通过电极阵列组成的
传感器与待测场域边界
接触，并控制待测
信号通过待测电极流入待测场域。如在医学检测领域，电阻抗成像技术实现人体组织成像的基本原理是通过测试人体的不同组织的
电阻率，通过稳定的
电流源在人体
皮肤施加安全低频交流信号，测试响应的
电压信号，然后解决逆问题来重建体内组织和器官的阻抗变化图像。目前，电阻成像层析技术针对医学检测的主要应用有人体脑部
疾病的早期诊断，
腹腔出血，
肺部呼吸情况检测以及膀胱尿量检测。
[0004] 目前在电阻抗
层析成像技术在医学领域的应用研究中，大部分都采用普通的金属圆盘电极或者Ag/AgCl电极心电电极作为激励和测试电极。2011年董秀珍课题组和英国帝国理工学院的研究者在《生物医学工程年报》(Annals of Biomedical Engineering)第39期第7卷，第2059-2067页发表的《五种Ag/AgCl生物电极在脑电阻抗
断层成像中的性能评价》(Performance evaluation of five types of Ag/AgCl bio-electrodes for cerebral electrical impedance tomography)介绍了他们合作开展对5种比较常见并可以应用于脑部EIT的Ag/AgCl电极的接触阻抗、均匀性、
信噪比、
稳定性进行了性能比较，Ag/AgCl粉末电极表现出最佳的使用性能。2014年印度理工学院的研究人员Tushar K B等在《测试》(Measurement)第47期第264-287页发表的在《电阻抗层析成像中基于
薄膜的柔性金电极阵列的研究》(Studies on thin film based flexible gold electrode arraysfor resistivity imaging in electrical impedance tomography)介绍了一种用金电极来取代Ag/AgCl电极的方案，在他们测试实验中，金电极可以获得更好的信噪比，更稳定的数据，通过金电极采集到的数据重建的图像也更好。2016年中山大学周伟等在其博士后研究工作报告《基于生物电阻抗技术的电极系统设计制造及性能研究》中提出一种机械结构用于
定位电极，并系统的测试了Ag/AgCl在长时间交流的阻抗特性，以及提出利用化学
刻蚀加工和激光加工等新型未加工方法来获得具有稳定的表面微结构的金属体表电极。
[0005] 生物医用电极作为连接EIT
数据采集和处理平台与人体的关键传感器件，通常需要多个电极来激励和测试生物
电信号。然而，多个电极的使用会涉及电极如何分布的问题，以及如何克服测试过程中运动产生的干扰问题，即确保电极与皮肤的高度贴合并在运动过程中不会发生松动，以及电极的相对
位置不会改变，这些都是实现长期连续测试所需要解决的问题。上述总结的EIT电极的制备方法都是围绕在稳态环境下
对电极的优化，未能考虑在实际应用中电极与生物体表面的接触状态的变化而对测试结果带来的影响。
专利“一种电极-皮肤间接触阻抗的测试装置及方法”(专利号：CN201610993529.7)中提出一种基于平均方法的电极与生物体表面的接触阻抗的测试方法。其利用不同电极间的测试阻抗的均值作为基准，判断个别电极的接触阻抗的异常，进而判断阻抗的接触异常。该方法基于统计学原理，依赖的先决假设条件较多，如：需要有足够多的电极数对统计的样本进行保证、电极接触异常导致的阻抗异常发生在极其少数的几个电极上。因此，其应用受到了一定的限制。
发明内容
[0006] 为解决上述技术问题，本发明设计了一套基于
纤维压阻电极的EIT系统，引入了新型纤维压阻材料对电极进行改进，用于监测现行的EIT技术中的测试电极与待测场域边界的接触状态，融合EIT的电学测试信息与对压阻材料的动态监测信息，以改善成像的准确度，便于移植、可靠性较高、可用于运动状态。
[0007] 本发明完整的技术方案包括：
[0008] 一种基于压阻电极的电阻抗成像系统，包括测试电极模
块、信号选通器、测试信号发生与采集器与信息处理器，所述的测试电极模块包括
支撑带、滑轨和电极，其中所述支撑带为一种弹
力带，所述滑轨连接在支撑带上，所述的电极可在滑轨内移动，滑轨根据支撑带所要包围的待测场域的边界形状、大小，将电极沿待测场域均匀分布，其中电极采用压阻材料制备，优选的为一种纤维压阻材料。
[0009] 在一些实施方式中，所述电极有多个，每个电极上分别连接有施加激励的测量信号通道A、数据采集通道B和接通参考信号通道C，其中施加激励的测量信号通道、数据采集通道接线的面为相对于支撑带的面，接通参考信号通道所连接的面为背离支撑带，即与待测场域边界接触的面。
[0010] 在一些实施方式中，所述测试电极模块通过测试数据线连接信号选通器；信号选通器通过测试总线连接测试信号发生与采集器，并将总线信号分配到电极测试模块，测试信号发生与采集器分时采集压阻数据和阻抗数据，并传送到信息处理器，信息处理器融合电极接触状态的成像
算法进行成像。
[0011] 在一些实施方式中，各个电极上的三个通道分别接入信号选通器中，所述信号选通器包括三个多路选通器，各电极的施加激励的测量信号通道A接入第一多路选通器A，数据采集通道B接入第二多路选通器B，接通参考信号通道C接入第三多路选通器C；第一多路选通器A连接第一信号线A，第二多路选通器B连接两根第二信号线B1和B2，第三多路选通器C连接第三信号线C；第一多路选通器A和第三多路选通器C由可编程
控制器的CtrAC信号控制,第二多路选通器B由可编程控制器的CtrB信号控制，各信号线和CtrAC总线，CtrB总线共同构成信号测试总线，并接入测试信号发生与采集器；其中第一信号线A和第三信号线C接入电源选通器，两根第二信号线B1和B2接入采集选通器，CtrAC总线与CtrB总线接入可编程控制器，电源选通器与采集选通器均受到可编程控制器控制。
[0012] 在一些实施方式中，所述弹力带的弹性系数可选范围在0-100N/mm。
[0013] 采用上述的电阻抗成像系统进行成像的方法，包括如下步骤：
[0014] (1)针对待测场域边界的情况，将支撑带包围待测场域，并将电极调整，使其均匀分布在待测场域一周；
[0015] (2)在一个压阻测试周期中，可编程控制器通过CtrAC控制多路选通器A，选通压阻
测试电压源与电极通道1A，CtrAC同时控制多路选通器C，将电极通道2C至电极通道NC(N表示测试电极数目)与地选通；控制器通过CtrB控制多路选通器B依次选通电极通道2B到电极通道NB与信号线B1，通过采集选通器将测试信号输入到压阻信号采集系统中，如此在一个压阻测试周期中，完成了1号电极的压阻测试，其中，没有提到的电极通道悬空；
[0016] 通过同样的方法完成其余电极的压阻测试，CtrAC控制多路选通器A，依次选通压阻测试电压源与电极通道2至电极通道NA，其中，当进行第n号电极的压阻测试的过程中，CtrAC同时控制多路选通器C，将除去电极通道nC的电极通道1C到电极通道NC与地选通，其中CtrB控制多路选通器B依次将除去电极通道nB的电极通道1B到电极通道NB与B1选通，完成第n号电极的压阻测试；
[0017] (3)在完成所有电极的压阻测试后，进入EIT测试周期，控制器通过CtrAC控制多路选通器A，选通EIT测试电流源与电极通道1A，CtrAC同时控制多路选通器C，将电极通道2C与地选通；控制器通过CtrB控制多路选通器B依次选通电极通道3B、电极通道4B与B1、B2，通过采集选通器，将测试信号输入到EIT测试信号采集系统中，如此完成一次的EIT的阻抗信息采集，之后依次选通电极通道4B、电极通道5B与B1、B2，电极通道(n-1)B、电极通道nB与B1、B2，直到n＝通道数N，至此在一个EIT测试周期内，完成了1号电极与2号电极激励的阻抗测试；
[0018] 随后依次在每个EIT测试周期中进行(n-3)号电极与(n-2)号电极激励的阻抗测试，直到n＝N，其中在一个EIT测试周期中，控制器通过CtrB控制多路选通器B从选通电极通道(n-1)B、电极通道nB与B1、B2开始，依次选通电极通道(n+1)B、电极通道(n+2)B与B1、B2，直到(n+2)＝等于通道数N，通过采集选通器，将测试信号输入到EIT测试信号采集系统中，完成对阻抗信息的测量；
[0019] (4)在完成所有电极的压阻测试与阻抗测试与采集后，发出总周期结束信号；并进入下一个测试总周期；
[0020] (5)在控制器发出测试周期结束信号后，信息处理器开始接收控制器一个周期的压阻数据与EIT测试数据；
[0021] (6)经过设置的多个周期后，信息处理器通过对各个电极的压阻数据与预置的电极压阻数据的处理，结合成像融合算法进行成像。
[0022] 其中测试信号发生与采集器将采集到的阻抗数据和压阻数据传送给
信号处理器，信号处理器通过压阻测试信号数据计算电极接触状态的归一化权重向量q，并结合预制的成像灵敏度矩阵S和EIT测试信息矩阵λ，共同生成成像结果的灰度矩阵g。
[0024] 一般的EIT技术的电极采用的是功能单一的良导体材料(如各类
合金片、Ag-AgCl等材料)，本发明考虑采用一种压阻材料作为电极的制备材料。压阻材料除了具有一般导体的
导电性的特性之外，其不同方向上的导电性还能够随着对其的压力或者扭力变化而改变，监测其导电性的变化可以通过监测其电阻值的变化，从而获取压阻材料制备的电极所受到的压力变化情况，以此得到作为EIT系统的电极的压阻材料与待测场域的贴合状态的信息。因此本发明设计的电极的制备材料为压阻材料，其特点是易于制备、导电性较好、适应压力的灵敏度较高。在测试中监测其压力变化，即电极与待测场域的压力变化，据此判断在这种非
固化的机械连接状态下的电极与待测场域边界的接触状态变化。
[0025] 本发明同时考虑一种便于移植的EIT系统，其应当能够快捷的与待测场域边界建立稳定的接触与和确定的导通状态，同时考虑在不便于快速建立或难以建立固化的机械连接的应用前景下(如利用于人体的检测或待测对象的不易于加工)，如何建立确定的接触和导通状态。基于此，本发明设计了一套用于支撑电极固定带，用于将电极与待测场域快速固定，并与待测场域边界产生一定垂直于电极与边界的压力用于确保电极与待测场域的贴合。本发明设计的固定带支撑的电极之间的距离应当可以调整的，是为了适应待测场域的具体形状与尺寸大小，以使得电极所处的位置测得的数据为适合EIT成像技术相应的算法规则的。
[0026] 本发明同时设计了一套时序测试流程，用于实现EIT技术所需要的待测场域阻抗信息的采集与电极压力状态的采集。这个需求在以往的EIT系统上是不存在的，因为传统的系统只涉及到待测场域信号的采集，而不涉及到压阻信号的采集，这里的采集必须考虑两个信号之间的相互影响。通过设计时间序列流程避免相互的影响。
[0027] 本发明同时提出了一套基于加权算法的电极接触状态信息的融合EIT成像算法，用于将测试到的压阻材料的接触信息与EIT的场域信息进行融合，提高成像
质量。
附图说明：
[0028] 图1为基于压阻式电极的电阻抗成像系统结构图；
[0029] 图2为支撑带与电极的图；
[0030] 图3为电极结构图；
[0031] 图4为信号选通器、测试信号发生与采集器与信息处理器示意图；
[0032] 图5为信息处理器的功能结构图。
具体实施方式
[0033] 以下结合实例对本发明做进一步阐述，但本发明并不局限于具体
实施例。
[0034] 如图1所示，本发明的EIT系统包括测试电极模块、信号选通器、测试信号发生与采集器与信息处理器，其中测试电极模块通过测试数据线连接信号选通器；信号选通器通过测试总线连接测试信号发生与采集器，并将总线信号分配到电极测试模块，测试信号发生与采集器分时采集压阻数据和阻抗数据，并传送到信息处理器，信息处理器融合电极接触状态的成像算法进行成像。下面就各个模块进行详细说明。
[0035] 测试电极模块的结构如图2-3所示，包括支撑带1、滑轨2和电极3，其中支撑带为一种弹力带，其弹性系数可选范围在0-100N/mm，所述滑轨2连接在支撑带上，并可用于电极移动，滑轨2根据实际的支撑带所要包围的待测场域的边界形状、大小，将电极均匀的分布待测场域一圈，其中电极3采用压阻材料制备，优选的为一种纤维压阻材料。
[0036] 电极上的接线图如图3所示，其中每个电极上有三根线：1A，1B，1C，其中数字1表示1号电极的测试线，A，B，C表示测试需要的三个通道。A通道用于施加激励的测试信号，B通道用于进行数据采集，C通道用于接通参考信号(即接地)。对于电极的位置，其中A、B通道接线的面为相对于支撑带的面，C通道所连接的面为背离支撑带，与待测场域边界接触的面。
[0037] 信号选通器、测试信号发生与采集器与信息处理器如图4所示，本实施方式以8电极的EIT系统为例，各个电极上的三个通道分别介入信号选通器中，信号选通器包括多路选通器A，多路选通器B和多路选通器C，其中各电极的A通道，即用于施加激励的测试信号通道接入多路选通器A，各电极的B通道，即用于数据采集的通道接入多路选通器B，各电极的C通道，即用于接通参考信号通道接入多路选通器C，信号选通器被可编程控制器的CtrAC以及CtrB指令信号控制，信号线A，B1，B2，C，CtrAC总线，CtrB总线共同构成信号测试总线。测试总线接入测试信号发生器与采集器。测试信号发生器与采集器包括电源选通器，可编程控制器和采集选通器，电源选通器连接压阻测试电压源和EIT测试电流源，采集选通器连接压阻信号采集器和ETI测试信号采集器。其中A，C接入电源选通器，B1，B2接入采集选通器，CtrAC总线与CtrB总线上的信号来自于可编程控制器。电源选通器与采集选通器均受到可编程控制器控制。对阻抗数据和压阻数据进行采集。
[0038] 采用本发明公开的EIT系统进行成像的具体步骤为：
[0039] (1)针对待测场域边界的情况，将支撑带包围待测场域，并将电极调整，使其均匀分布在待测场域一周。
[0040] (2)在一个测试周期中，控制器选通压阻测试电源与压阻信号采集单元，依次对各个电极选通，对各个电极的压阻情况进行监测与采集。
[0041] (3)在一个测试周期中，完成了对各个电极的压阻状况采集后。由控制器按照传统的EIT的测试顺序依次对各个电极进行EIT测试信号的采集。
[0042] (4)在一个测试周期中，控制器完成对压阻信号与EIT测试信号采集后，发出周期结束信号。并进入下一个测试周期。
[0043] (5)在控制器发出测试周期结束信号后，信息处理器开始接收控制器下一个周期的压阻数据与EIT测试数据。
[0044] (6)经过设置的k个周期后，信息处理器通过对各个电极的压阻数据与预置的电极压阻数据的处理，结合前述的成像融合算法进行成像。并监测电极脱落失效信号，对相应的电极序号发出警示信息。
[0045] 本发明的信息处理器利用压阻信号和EIT测试信号进行成像的方法为：如图5所示，测试信号发生与采集器将采集到的阻抗数据和压阻数据传送给信号处理器，信号处理器通过压阻测试信号数据计算电极接触状态的归一化权重向量q，并结合预制的成像灵敏度矩阵S和EIT测试信息矩阵λ，共同生成成像结果的灰度矩阵g，其中g为大小为N(N＝a*b)的的灰度成像矩阵。
[0046] λ为表示EIT系统M阶电压测试信号组成的一维向量(M是一个测试周期所测试的电极组合的总数)，由每次的EIT的测试信号的测试结果不断更新。
[0047] S为预置的标准场域的归一化灵敏度矩阵，本发明中，灵敏度矩阵是利用有限元仿真方法生成，所得到的灵敏度矩阵与电极的位置的有直接的关系，其大小为(M*N)。S的计算公式为：
[0048]
[0049] 式中，i,j表示
测量电极序号，x,y表示成像的图片的
像素点的位置，Si,j(x,y)表示i,j测量电极信息对成像点x,y的映射，p表示成像形状的关于像素点位置x,y函数，E表示在电极测到的电压，I表示在电极的激励电流。
[0050] q为表征由压阻信息得到的加权M阶向量，其得到的计算方式如下：压阻信号采集器每个测试周期采集得到num维压阻信号向量β(num为测试电极的个数)，经过k个测试周期后计算其均值向量Meanβ与方差向量Varβ，有：
[0051]
[0052] αi为与均值向量Meanβ与方差向量Varβ同维的向量，其中i代表电极序号。
[0053] 得到Q为num*num的矩阵，
[0054]
[0055] 则q1*m＝{(ξ-Qij)/ξ}，其中i,j为所有
选定的电极测试组合,ξ为根据具体测试环境设定的
阈值参数，一般的ξ取值为2-10。
[0056] 其中如果(ξ-Qij)/ξ出现为负的数，在后续计算中修正为0，并且作为电极脱落失效的判定标志，发出提示信号。
[0057] 令M维向量Ψ为：
[0058] Ψi＝(λi*qi)
[0059] G＝S-1*Ψ
[0060] 最后根据设定的a*b的成像规模，将G转换成二维灰度值矩阵g。
[0061] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明
说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
