技术领域
[0001] 本
发明属于生物医学
电阻抗成像技术领域，具体涉及一种用于生物电阻抗成像的数据采集装置。
背景技术
[0002] 生物电阻抗成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)是医学影像(Medical Imaging)技术的一个新方向，EIT是以生物体组织或器官的阻抗分布为成像目标，提取与生理和病理相关的生物医学信息，具有无侵入、无创、无
辐射、成本低廉等优势。同时，EIT技术最大的优势在于功能性成像，可以在
疾病的早期或者病变之前对其进行监测和检查。正因如此，自EIT技术问世以来就引起了国内外科研人员极大的兴趣和广泛的关注。目前，国内在EIT技术领域仍处于实验室研究阶段，主要的医疗设备依然依赖于进口。
[0003] EIT技术利用
生物组织、器官及细胞等在安全
电流激励下，其阻抗会发生变化这一特性，通过
电极阵列向生物体施加一定
频率的安全电流，测得目标区域的边界
电压，通过相应的图像重构
算法得到生物体的阻抗分布，并用于医学研究。由于生物体结构本身的复杂性以及十分微弱的电
信号对测量装置的
稳定性和
精度提出了更高的要求。在EIT系统中，
激励信号频率通常为10KHz～1MHz甚至更高，一方面要求信号源具有较高的输出频率和频率调节的特点，另一方面要求系统具有较高的响应速度和
数据处理能
力。因此，设计出一种具有高精度、高稳定性和快速数据数理能力的数据采集装置对EIT技术具有重要的意义。
[0004] 在EIT系统中，压控电流源(VCCS)普遍采用的是Howland电流源
电路，由于该电路中同时存在正
负反馈，当电流源为多频时将导致电路不稳定，并且随着信号源频率的增加，电路将受到集成器件本身的限制和杂散电容的影响。信号解调时常采用的方法是模拟解调，一方面模拟电路在调试时难度大，电路也将变得复杂；另一边面，模拟解调会受到信号源频率的限制，影响数据处理速度和精度。
发明内容
[0005] 为克服上述
现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高精度、高稳定性和快速响应的用于生物电阻抗成像的数据采集装置，该装置采用了基于DDS技术的信号发生器，具有幅值、频率可调，输出精度高(频率精度1μHz)的特点；应用第二代电流反馈
放大器AD844设计VCCS，解决以往信号源输出不稳定的问题。使用DSP芯片TMS320F28335进行数字解调，提高数据处理速度和解调精度。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：用于生物电阻抗成像的数据采集装置，包括控制单元，控制单元与信号发生器通过并行的方式相连，控制单元通过串口将数据发送给DSP模
块；信号发生器与压控电流源电路相连；压控电流源电路与多路
开关相连；多路开关与电极阵列以及信号调理模块相连；电压经信号调理模块送入DSP模块；DSP模块包括
模数转换和数字解调；DSP模块与上位机相连；
[0007] 所述的DSP模块主要完成对被测信号的模数转换与数字调解；
[0009] 所述的信号发生器采用DDS信号发生器，其包括ARM单片机，ARM单片机的通用输入输出口GPIOC和GPIOA分别与DDS芯片的数据和地址端口相连；DDS芯片通过低通
滤波器与
功率放大器相连，功率放大器进行正弦输出；ARM单片机的通用输入输出口GPIOD和GPIOE与TFT
液晶屏和按键相连；ARM单片机的通用输入输出口GPIOD与旋转
编码器相连；ARM单片机通过串口将数据发送给DSP模块的
数字信号处理器。
[0010] 所述的压控电流源电路，采用
运算放大器AD829作为输入
缓冲器，其输出端直接与电流反馈放大器AD844相连，AD844电压输出端通过电阻R7与运算放大器TL081相连构成直流反馈，电容C2接地，电容C1和电阻R2构成反馈回路，运算放大器TL081输出端经过电阻R1与输入缓冲器反向输入端相接；电流反馈放大器AD844电流输出端经过电容C3、精密电阻R3与电流检测电路相连，电阻R3与电阻R4
串联后与运放同向端相连，电阻R5与电阻R6与运放反向端相连，电阻R6与运放输出端相连，同时运放输出接入ARM单片机相接。
[0011] 所述的信号调理模块，信号调理模块包括差分放大电路，差分放大电路采用
差分放大器AD8138，差分放大电路包括SMA连接器P2和SMA连接器P3构成的差分输入端口，电阻R1和电阻R8为49.9欧姆的匹配电阻，用于消除
信号传输造成的误差；
差分信号分别经电容C3与电阻R4，电容C6与电阻R5相连到AD8138的输入端，精密电阻R3和电阻R7构成反馈回路与AD8138输出端相接，输出端经电阻R2、电容C4和电阻R6、电容C5输出与SMA连接器P1和SMA连接器P4输出端口相接。
[0012] 所述的DDS信号发生器采用ARM单片机通过并行的方式控制DDS芯片产生正弦信号，频率
分辨率可达1μHz，具有响应速度快，频率精度高的特点；增加了增量式
旋转编码器，可实现幅值、频率的连续调节；
[0013] 所述的DSP模块采用DSP芯片内部自带的ADC模块实现信号
采样，采用
正交序列解调算法对信号解调。
[0014] 所述的DDS信号发生器采用ARM单片机通过并行的方式控制DDS芯片产生正弦信号。
[0015] 所述的压控电流源电路采用第二代电流反馈放大器完成电压-电流转换；压控电流源电路中增加输入缓冲器和直流反馈。
[0016] 所述的DSP模块采用DSP内部自带的ADC实现信号采样，采用正交序列解调算法对信号解调。
[0017] 所述的DDS信号发生器，包括ARM单片机、DDS芯片、
低通滤波器、串口通信以及
人机交互五部分；通过对ARM单片机编程，控制DDS芯片产生幅值、频率可连续调节的两路正弦信号，一路作为激励信号，另一路作为解调时的参考信号，ARM单片机和DDS芯片之间采用并行的方式进行数据交互；人机交互部分由按键、旋转编码器、TFT液晶屏组成。由于DDS芯片输出电流极小，不能直接带载，所以需要外加功率放大器。
[0018] 所述的压控电流源电路用于将DDS信号发生产生的电压信号转换为电流信号；
[0019] 所述的差分放大电路，用于将电极两端的差分电压信号转化为单端电压信号输入到高精度
仪表放大器模块；所述的差分放大电路采用ADI公司专有的XFCB双极性工艺制造的AD8138差分放大器，改善了信号从差分到单端的
质量，电路设计中采用SMA
连接线提高信号的抗干扰能力。
[0020] 所述的压控电流源电路采用第二代电流反馈放大器完成电压-电流转换，具有较强的驱
动能力和更好的稳定性；压控电流源电路中增加输入缓冲器和直流反馈，输入缓冲可提高放大器的增益精度，减小误差，直流反馈有效消除
直流分量的影响。同时，在压控电流源电路中引入电流检测电路，实现电流的闭环控制，使信号源具有较高的稳定性。
[0021] 所述的恒流控制算法，根据当前实测值与设定值的偏差自动选择不同的调节量，当偏差满足一定条件后进入PID调节，压控电流源电路的电压输入在极小范围内
波动，电流输出具有较好的稳定性。
[0022] 所述的信号调理模块由差分放大电路、高精度放大电路和程控增益放大电路三部分组成；差分放大电路将差分电压信号转换为单端信号，高精度放大电路用于将差分放大后的微弱电压信号进一步放大，程控增益放大电路用于将电压信号放大到DSP芯片可处理的范围内，最后信号经低通滤波器滤除电路中的高频分量。
[0023] 所述的
模数转换器(ADC)对交流电压信号采样，并采用全波傅里叶算法(正交序列解调算法)实现信号的数字解调，充分发挥了DSP在数据处理方面的优势，在保证数据准确性的前提下提高了数据数理速度；最后通过通信串口将数据发送至上位机(电脑)用于阻抗图像重构。
[0024] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0025] 1)本发明的信号发生器设计采用ARM单片机和DDS芯片AD9854，ARM单片机通过并行的方式控制DDS芯片产生幅值、频率可调的两路正弦信号，提高了信号输出精度和响应速度，频率精度可达1μHz。按键、增量式旋转编码器和TFT液晶屏组成了人机交互模块。增量式旋转编码器可实现幅值和频率的连续调节，方便了使用。
[0026] 2)本发明的装置压控电流源电路设计采用了第二代电流反馈放大器AD844，内部集成了
电流镜具有较强的驱动能力和更好的稳定性，电路设计中采用AD829作为输入缓冲器，提高了放大器的增益精度，减小了误差。同时，压控电流源电路中加入了电流检测电路，在电流输出端串入精密电阻。通过单片机采集精密电阻两端的电压并结合经验法和PID控制算法实现电流的闭环控制，提高了电流响应速度和稳定性。
[0027] 3)本发明的装置差分放大模块采用ADI公司的AD8138差分放大器，该芯片采用ADI公司专有的XFCB双极性工艺制造使得该芯片在处理差分信号上具有更高的优势。电路设计时采用SMA连接器实现信号传输，提高了信号的抗干扰能力。
[0028] 4)本发明的装置DSP模块使用DSP芯片TMS320F28335实现信号的A/D采样，采用全波傅里叶算法实现数字解调，在保证采样稳定性的同时提高了数据精度。
附图说明
[0029] 图1为本发明的结构示意图。
[0030] 图2为本发明的DDS信号发生器工作原理图。
[0031] 图3为本发明的压控电流源电路原理图。
[0032] 图4为本发明的压控电流源电路的恒流控制算法
流程图。
[0033] 图5为本发明的差分放大电路原理图。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0035] 用于生物电阻抗成像的数据采集装置，其特征在于，包括控制单元1，控制单元1与信号发生器2通过并行的方式相连，控制单元1通过串口将数据发送给DSP模块8；信号发生器2与压控电流源电路4相连；压控电流源4电路与多路开关5相连；多路开关5与电极阵列6以及信号调理模块7相连；电压经信号调理模块7送入DSP模块8；DSP模块8分别完成模数转换9和数字解调10；DSP模块与上位机3相连；
[0036] 所述的DSP模块8主要完成模数转换9与数字调解10；
[0037] 所述的控制单元1采用ARM单片机。
[0038] 控制单元1通过串口将数据发送给DSP模块8；信号发生器2与压控电流源4相连；压控电流源4通过多路开关5将激励电流注入到电极阵列6，同时多路开关5采集电极阵列6上的电压；电压经信号调理模块7后送入DSP模块8；DSP模块8对电压进行模数转换9与数字解调10，最后DSP模块8将数据发送至上位机11用于图像重构。
[0039] ARM单片机控制DDS芯片产生频率、幅值可调的正弦信号，经低通滤波、功率放大、压控电流源、恒流控制输出激励电流作用于电极阵列，差分放大电路将信号从差分转换为单端，再经后级放大以及低通滤波后送入DSP模块进行A/D转换和数字解调；可实现信号源幅值、频率的连续调节、恒流控制满足EIT系统对于频率和信号源稳定性的要求；高精度的差分放大电路和数字解调在保证信号准确性的同时，提高了数据处理速度，满足系统对实时性和快速性的要求；可有效提高生物电阻抗数据采集的速度和精度，保证了图像重构的质量。
[0040] 所述的信号发生器2采用DDS信号发生器，其包括ARM单片机12，ARM单片机12的通用输入输出口GPIOC和GPIOA分别与DDS芯片13的数据和地址端口相连；DDS芯片13通过低通滤波器17与功率放大器11相连，功率放大器19进行正弦输出；ARM单片机12的通用输入输出口GPIOD和GPIOE与TFT液晶屏18和按键14相连；ARM单片机12的通用输入输出口GPIOD与旋转编码器15相连；ARM单片机12通过串口16将数据发送给DSP模块8的数字
信号处理器。
[0041] 所述的压控电流源电路4，采用运算放大器AD829作为输入缓冲器，其输出端直接与电流反馈放大器AD844相连，AD844电压输出端通过电阻R7与运算放大器TL081相连构成直流反馈，电容C2接地，电容C1和电阻R2构成反馈回路，运算放大器TL081输出端经过电阻R1与输入缓冲器反向输入端相接；电流反馈放大器AD844电流输出端经过电容C3、精密电阻R3与电流检测电路相连，电阻R3与电阻R4串联后与运放同向端相连，电阻R5与电阻R6与运放反向端相连，电阻R6与运放输出端相连，同时运放输出接入ARM单片机12相接。
[0042] 所述的信号调理模块7，信号调理模块7包括差分放大电路，差分放大电路采用差分放大器AD8138作为差分放大器，差分放大电路包括SMA连接器P2和P3构成的差分输入端口，电阻R1和电阻R8为49.9欧姆的匹配电阻，用于消除信号传输造成的误差；差分信号分别经电容C3与电阻R4，电容C6与电阻R5相连到AD8138的输入端，精密电阻R3和电阻R7构成反馈回路与AD8138输出端相接，输出端经电阻R2、电容C4和电阻R6、电容C5输出与SMA连接器P1和P4输出端口相接。
[0043] 所述的DDS信号发生器采用ARM单片机通过并行的方式控制DDS芯片产生正弦信号。
[0044] 所述的压控电流源电路采用第二代电流反馈放大器完成电压-电流转换；压控电流源电路中增加输入缓冲器和直流反馈。
[0045] 所述的DSP模块采用DSP内部自带的ADC实现信号采样，采用正交序列解调算法对信号解调。
[0046] 如图1所示，用于生物电阻抗成像的数据采集装置，包括控制单元1与信号发生器2通过并行的方式相连，控制单元1通过串口将数据发送给DSP模块8；信号发生器3与压控电流源4相连；压控电流源4通过多路开关5将激励电流注入到电极阵列6，同时多路开关5采集电极阵列6上的电压；电压经信号调理模块7后送入DSP模块8；DSP模块8对电压信号进行模数转换9和数字解调10，最后DSP模块8将数据发送至上位机11用于图像重构。
[0047] 所述的DSP模块8主要完成模数转换9数字调解10。
[0048] 所述的控制单元1由ARM单片机12组成。
[0049] 如图2所示，为本发明的DDS信号发生器工作原理图，DDS信号发生器3包括ARM单片机12，ARM单片机12的通用输入输出口GPIOC和GPIOA分别与DDS芯片13的数据和地址端口相连；DDS芯片16通过低通滤波器17与功率放大器18相连，功率放大器15进行正弦输出；ARM单片机12的通用输入输出口GPIOD和GPIOE与TFT液晶屏13和按键14相连；ARM单片机12的通用输入输出口GPIOD与旋转编码器15相连；ARM单片机12通过串口16将数据发送给DSP
数字信号处理器8。
[0050] 包含按键与TFT液晶显示、增量式旋转编码器、串口通信、DDS芯片、低通滤波器和功率放大器。信号发生器中的旋转编码器可实现幅值、频率等参数的连续调节，方便使用。信号源的参数可存储在片外Flash中，具有掉电不丢失的功能，同时参数可通过通信串口发送至DSP模块，作为数字解调时的依据。低通滤波器主要用来滤除模数转换器
输出信号中的高频分量，功率放大器则提高信号源的带负载能力。
[0051] 如图3所示，为本发明的压控电流源电路原理图，电路主要包括四分部：输入缓冲、恒流输出、直流反馈以及电流检测。输入缓冲器采用低噪声、高速运算放大器AD829，输入缓冲器可以提高运算放大器的增益精度，减小误差。采用AD844芯片实现电压-电流转换，AD844内部集成了电流镜，基本不受增益带宽积的限制，相比三运放Howland电流源在电流输出稳定性上有很大的提升。直流反馈采用高压摆率JFET(结型场效应管)输入运算放大器TL081，可以消除电路中直流分量的影响。为了使压控电流源输出更加稳定，在电流输出端传入一个精密电阻，经同向放大后送入ARM单片机10并采用经验法和PID控制算法实现电流的闭环控制。采用AD829作为输入缓冲器，输出端直接与AD844相连，AD844电压输出端通过R7与运算放大器TL081相连构成直流反馈，电容C2接地，电容C1和电阻R2构成反馈回路，TL081输出端经过电阻R1与输入缓冲器反向输入端相接。AD844电流输出端经过电容C3、精密电阻R3与电流检测电路相连，电阻R3与电阻R4串联后与运放同向端相连，电阻R5与电阻R6与运放反向端相连，电阻R6与运放输出端相连，同时运放输出接入ARM单片机12相接。
[0052] 如图4所示，为本发明的压控电流源电路的恒流控制算法流程图，恒流控制算法采用经验法和PID控制算法相结合。根据当前电压输出值和预期值的偏差选择不同的调节量，实现快速调节的目的。首先读取上一时刻的电压值并与当前电压值求差值得出当前偏差，根据偏差值的大小选择不同的调节量，当偏差值小于
阈值3时则进入PID控制，输出调节值。
[0053] 如图5所示，为本发明的差分放大电路原理图，采用AD8138差分放大器设计差分电路，外围电路接单，高带宽和快速建立时间能够满足EIT系统对于频率和响应速度的要求，信号传输采用SMA连接器有效提高信号抗干扰能。其差分电路包括SMA连接器P2和P3构成的差分输入端口，电阻R1和电阻R8为49.9欧姆的匹配电阻，用于消除信号传输造成的误差。差分信号分别经电容C3与电阻R4，电容C6与电阻R5相连到AD8138的输入端，电阻R3和电阻R7构成反馈回路与AD8138输出端相接，输出端经电阻R2、电容C4和电阻R6、电容C5输出与SMA连接器P1和P4输出端口相接。
[0054] 在本发明装置中，采用正交序列解调，解调时将余弦序列和正弦序列分别作为参考信号和参考正交信号，将参考信号和被解调信号的离散采样值进行数值运算就可得到
实部和
虚部。
[0055] 正交序列解调应遵循以下步骤：
[0056] 第一步：根据
采样频率选取一个周波的采样点数；
[0057] 第二部：根据公式(1)
[0058]
[0059] 计算出信号的余弦系数；
[0060] 第三部：根据公式(2)
[0061]
[0062] 计算信号正弦系数；
[0063] 第四步：由正弦系数和余弦系数，根据公式计算出信号的幅值；
[0064]
[0065] 第五步：由公式(4)计算出信号的相
角；
[0066]
[0067] 其中定义同相参考信号X1(n)，正交参考信号X2(n)以及被解调信号r(n)，N为每个周期的采样点数，θ为相角。
[0068] 本发明的用于生物电阻抗成像的数据采集装置，采用ARM单片机编程实现DDS信号发生器，具有输出精度高、稳定性好以及可移植特性；采用增量式旋转编码器可实现参数的连续调节，方便使用；压控电流源电路中引入电流反馈，采用单片机实现电流输出的闭环控制，提高了电流源的稳定性，采用数字解调提高了信号解调精度，能够为图像重构提供更精准的数据。
[0069] 所述的信号调理模块由差分放大电路、高精度放大电路和程控增益放大电路三部分组成，本发明未公开的电路均采用已知的现有技术。
