一种电阻抗成像装置
阅读：987发布：2020-05-13
专利汇可以提供一种电阻抗成像装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 电阻 抗成像 装置，包括由 信号 发生器、幅度 频率 调节 电路 、 电压 控制 电流 源、多路 开关 、 电极 片组、物理模型、信号放大电路、带通 滤波器 、相敏解调电路、A/D转换电路、 单片机 和上位机组成。本发明的优点：1）信号发生器不需外加滤波器就可产生较高 精度 的电压信号；2）电压信号通过幅度频率调节电路和电压控制电流源电路就可以产生稳定的、多频的、幅值可调的交流电流源信号；3）不锈 钢 材料作为电极片具有不易生锈 腐蚀 ，性能稳定可靠，并与 不锈钢 鳄鱼夹连接，便于拆卸和更换，具有良好的 导电性 ；4）在相敏解调电路中，采用正弦信号代替方波信号作为参考信号进行开关解调，比方波解调效果更佳。，下面是一种电阻抗成像装置专利的具体信息内容。
1.一种电阻抗成像装置，包括由信号发生器(1)，幅度频率调节电路(2)，电压控制电流源电路(3)，多路开关(4)，电极片组(5)和物理模型(6)，信号放大电路(7)，带通滤波器电路(8)，相敏解调电路(9)，A/D转换电路(10)，单片机(11)，上位机(12)组成；
其特征在于：
信号发生器(1)通过幅度频率调节电路(2)和电压控制电流源电路(3)，就可以产生稳定的、多频的、幅值可调的交流电流源信号；相敏解调电路(9)采用正弦信号代替方波信号作为参考信号进行开关解调；电极片组(5)为16个不锈钢电极片，其均匀分布在物理模型(6)的内壁，通过不锈钢鳄鱼夹连接至多路开关(4)，两组多路开关进行分时复用。
一种电阻抗成像装置
技术领域
背景技术
[0002] 电阻抗成像技术(Electrical Impedance Tomography，EIT)是利用生物体内的电阻率的分布为成像目标的一种新型医学成像技术。它根据生物体内不同的组织具有不同的阻抗特性，通过配置相应的电极系统获得生物体的体表电压信号，并采用特定的算法，最终重建出反应生物体内部电特性的图形，从而获得生物体包含的生理和病理信息。EIT技术具有广阔应用前景，在地球物理学、环境监测、无损探伤和医学检测等领域引起了极大的关注。1987年，英国Sheffield大学的Brown和Barber教授研制出了第一台完整的电阻抗数据测量系统。在世界各地，如美国、英国、德国、法国、瑞典、印度等三十多个研究小组都在进行EIT技术的研究工作。
[0003] 在国内，从事EIT方面研究小组有重庆大学、第四军医大学、中国医学科学院、北京航空航天大学、河北工业大学、天津大学、上海大学等。其中以第四军医大学的研究工作较为突出，目前第四军医大学和重庆大学已联合研制出较高精度的电阻抗成像技术试验平台，同时也在向临床应用继续深入的研究。
[0004] 现有技术的主要难点主要表现在：需要产生精准和较高输出阻抗的电流源；目前最大可实现的生理性阻抗变化只能引起测量电压10％的变动，为此要求电阻抗成像系统的测量精度要大于0.1％；当前EIT系统能采集的信息量少，虽然可以通过增加电极个数的方法来增加测量数据量，但这将会使硬件系统变得复杂，而电极数目的增加也是有限的；目前阻抗成像算法重建出的图像质量还不能令人满意，需要设计出成像质量更好、更精确的算法。
[0005] 相比于以前本人申请的“一种生物电阻抗成像装置”专利(201310545684.9)，本次装置做了改进。原有的DDS信号源会产生干扰噪声从而影响信号源的质量，现采用MAX038信号发生器替换原来的DDS信号源，不需外加滤波器就可产生较高精度的电压信号，有利于提高系统后级输出信号的采样精度；采用不锈钢电极代替原来的铜质电极，铜质电极容易生锈腐蚀，不利于进行长期稳定的测量，而不锈钢电极片具有不易生锈腐蚀，性能稳定可靠，并与不锈钢鳄鱼夹连接，便于拆卸和更换，具有良好的导电性；在相敏解调电路中，采用正弦信号代替方波信号作为参考信号进行开关解调，比方波解调效果更佳，克服了原来采用方波信号进行解调具有不稳定、有串扰的影响。因此，经过上述改进，该电阻抗成像装置具有更高的精度、更好的稳定性。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于克服现有电阻抗成像系统的不足，研制出一种改进的电阻抗成像装置。通过在物体表面配置电极片组并注入外部激励信号，然后获得生物体的体表电压信号，利用相敏解调技术得到物体内部的阻性信息和容性信息，并采用特定的算法，最终重建出反映生物体内部组织特性的电阻抗图像。本发明的方法不能够直接得出疾病的诊断结果或作为医生采取治疗措施的依据，因此采用本发明的方法只能获取中间结果信息。
[0007] 本发明采用的技术方案包括由信号发生器，幅度频率调节电路，电压控制电流源电路，多路开关，电极片组和物理模型，信号放大电路，带通滤波器电路，相敏解调电路，A/D转换电路，单片机，上位机组成。
[0008] 信号发生器产生电压信号，经过幅度频率调节电路，施加于电压控制电流源电路上，转换为恒流源；
[0009] 单片机控制多路开关选通电极片组中的一对电极将电流作为激励信号施加于物理模型上；
[0010] 物理模型产生的电压信号经过信号调理电路进行处理，然后通过单片机进行A/D转换和数据采集，再通过串口通信送入上位机。
[0011] 所述的电极片组可以是16个电极。
[0012] 所述的电极片组均匀分布在物理模型的内壁，通过不锈钢鳄鱼夹连接至多路开关，两组多路开关进行分时复用。
[0013] 本发明的优点：
[0014] 1)信号发生器不需外加滤波器就可产生较高精度的电压信号；
[0015] 2)电压信号通过幅度频率调节电路和电压控制电流源电路就可以产生稳定的、多频的、幅值可调的交流电流源信号；
[0016] 3)不锈钢材料作为电极片具有不易生锈腐蚀，性能稳定可靠，并与不锈钢鳄鱼夹连接，便于拆卸和更换，具有良好的导电性；
[0018] 图1是本发明的系统结构原理图。
[0019] 图2是本发明的信号发生器原理图。
[0020] 图3是本发明的幅度频率调节电路原理图。
[0021] 图4是本发明的多路开关测量原理图。
[0022] 图5是本发明的相敏解调原理图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图与具体实施方法对本发明作进一步详细描述。
[0024] 本发明基于单片机控制系统设计了一种电阻抗成像系统，该系统结构原理如图1所示。
[0025] 信号发生器(1)采用MAXIM公司的精密高频函数发生器专用芯片MAX038，MAX038是一种只需极少外围电路就能实现高频、高精度输出三角波、锯齿波、正弦波、方波和脉冲波。它的输出频率范围在0.1Hz到20MHz，通过设置2个TTL逻辑地址引脚合适的逻辑电平，就能设定正弦波，方波或三角波的输出。所有波形的输出都是峰-峰值为±2VP-P的信号，频率和占空比独立可调，低阻抗输出能力可以达到±20mA。
[0026] 输出信号的频率是由注入引脚IIN的电流大小，COSC引脚端接的电容CF大小以及引脚FADJ上的电压VFADJ决定的。当VFADJ引脚电压为0V时,基本输出频率FO由下列公式决定:
[0027] FO(MHz)＝IIN(μA)÷CF(pF) (1)
[0028] IIN(μA)＝VREF(V)÷RIN(KΩ) (2)
[0029] VREF(V)＝VIN(V)÷2 (3)
[0030] 其中：IIN为流入IIN引脚的电流(2μA～750μA)，CF为连接着COSC引脚和地的电容(20pF～100μF)，若设计的信号要获得最佳性能，最好选择IIN在10μA～400μA之间，CF电容的范围在20pF～100μF之间。
[0031] 我们设置波形选择方式A1A0＝10就可以产生正弦波，由于电阻抗成像激励信号的频率一般范围在1KHz～1MHz，为此我们选择四个典型的频率作为激励信号的频率，分别为1KHz、10KHz、50KHz和100KHz。同时利用拨码控制开关就可以简便的选择所需要的激励频率。RIN可变电阻为200K，选择电容100nF、10nF、2.2nF、1nF分别作为频率1KHz、10KHz、50KHz和100KHz的COSC引脚的接地电容。信号发生器的原理图如图2。
[0032] 幅度调节电路采用OP27精密运算放大器，OP27具有低失调电压、低漂移、高速、高带宽与低噪声特性，是精密仪器仪表应用的理想之选。通过选择两个可调电阻就可以实现信号幅值的调节。幅度频率调节电路的原理图如图3。
[0033] 电压控制电流源电路(3)采用改进的Howland电流源电路，改进的Howland电流源电路同样也采用OP27组成双运放电路，输出电流Io只与输入电压VI和电阻R5有关，通过改变电阻R5就可以改变输出电流的幅度，不会破坏电路的平衡条件。在输出负载为RL为1KΩ的情况下，输出电流源的稳定性可达至1MHz，具有较高的输出阻抗和较好的稳定性。
[0034] 多路开关(4)采用采用MAXIM公司的MAX306芯片，MAX306是精密的CMOS模拟多路开关，各通道的导通电阻小于100Ω，匹配误差小于5Ω，串扰小于-92dB，导通时对地泄露电流小于25nA，对地等效电容小于140pF，开关时间小于400ns，符合电阻抗成像系统的要求。它由A3A2A1A0和EN共同控制16选1的功能，因此使用4片就可以实现EIT系统对16个电极的控制要求，其中2片构成激励电流通道选通电路，2片构成电压测量通道选通电路。在单片机(11)的控制下，采用两片多路开关并连的方式就可以实现16选2任意的电流注入方式，而电压测量选通电路与电流注入选通电路相似，只是信号的流向相反，即对物理模型(6)的另一对测量电极上采集电压信号。
[0035] 本装置采用相邻驱动方式，则每完成一次相邻电极的电流驱动，就需要在其余相邻电极上完成13次电压测量。例如：电流从1、2电极注入，此时第一个开关的地址码是A3A2A1A0＝0000，第二个开关的地址码是A3A2A1A0＝0001，从3(A3A2A1A0＝0010)、4(A3A2A1A0＝0011)电极开始测量电压，再测量4(A3A2A1A0＝0011)、5(A3A2A1A0＝0100)的电压，依次测量至15(A3A2A1A0＝1110)、16(A3A2A1A0＝1111)电极的电压。这样就完成了一个周期的测量，接着再向2、3电极注入电流进行测量，以此类推。直至完成全部的测量，获得208个电压数据。多路开关测量原理图如图4。
[0036] 由于注入电极的电流信号很小，峰峰值一般只有1mA～5mA左右，所以从电极上测得的电压信号也很小，一般电压峰峰值几十毫伏左右，因此需利用信号放大器将信号进行放大，信号放大器采用AD620仪表放大器。AD620是高精度仪表放大器，仅需一个外部电阻来设置增益，增益范围为1～10000，具有较高的共模抑制比(CMRR)，足够的带宽，较高的输入阻抗和较小的输入偏置电流，能减少测量模块对待测物体内部电流分布的影响。
[0037] 带通滤波器采用MAXIM公司的集成有源滤波器芯片MAX275，MAX275无需时钟电路，比开关电容具有更低的噪声、动态性能更好的优点，广泛使用于各种精密测试设备和数据采集系统。中心频率高达300KHZ，只需简单的配置四个电阻就可以实现较好的滤波效果。通过MAX275滤除采集信号中的无用信号和干扰噪声，使波形更加纯净。
[0038] 生物组织器官内阻性部分与容性部分都包含了丰富的生理信息，需要利用相敏解调技术得到生物组织内部的阻性部分与容性部分。在EIT系统中，施加的激励为电流源，所以在测量电极上采集得到的是交变电压信号，其包含实部信息与虚部信息，因此需要运用相敏解调技术得到测得电压信号的实部信息和虚部信息。相敏解调电路(9)采用AD公司的高精度平衡调制器芯片AD630，并由经过激光晶圆调整的薄膜电阻提供出色的精度和温度稳定性。
[0039] 本装置采用开关解调技术，开关解调是将与参考信号频率和相位都相同的信号进行半波整流，然后通过一个低通滤波器滤除不需要的信号分量。以往利用开关解调技术都采用方波信号作为参考信号进行解调，在实际应用中方波信号具有不稳定、有毛刺，会产生脉冲和尖峰，利用方波信号进行解调会恶化原始信号，不利于实验数据的准确获取。为此，在仿真的基础下并实际证明，采用正弦波信号代替方波信号作为参考信号进行相敏解调，解调出的波形比方波效果更好，具有更少的噪声，符合电阻抗成像系统的要求。相敏解调的原理图如图5。
[0040] A/D转换电路(10)是将模拟的信号转换成数字信号输出至单片机(11)。测得数据通过串口发送给上位机(12)，然后上位机(12)通过相关算法得到待测物体的电阻抗分布图像。
[0041] 物理模型(6)使用一个圆柱形的水槽来作为人体组织的物理模型，该水槽高10cm，直径25cm，在水槽的内壁同一高度沿着圆周等距安放16个不锈钢电极片，不锈钢电极片长4cm，宽2cm。不锈钢电极片通过不锈钢鳄鱼夹连接至多路开关(4)，便于拆卸和更换，具有良好的导电性，有利于获取准确的实验数据。水槽中盛放溶度为0.9％NaCI溶液(即盐水)，作为电阻抗成像的物理模型(6)。
[0042] 本发明上电后按如下流程工作：
[0043] 1、开启供电电源，将单片机(11)上电复位，通过频率控制开关、幅度调节电路来控制信号发生器(1)产生正弦波电压信号，电压信号通过电压控制电流源电路(3)转换成恒定幅值的交流电流源信号；
[0044] 2、单片机(11)通过IO口控制多路开关(4)，使其程序控制多路开关(4)对注入电极和测量电极进行选通，恒流源信号注入电极，然后从电极中获取相应的电压信号；
[0045] 3、从电极上测量的电压信号由信号放大电路(7)进行放大，通过带通滤波器电路(8)进行滤波，然后通过相敏解调电路(9)解调出信号的实部信息。
[0046] 4、将解调出的实部信息经过低通滤波电路滤除噪声后由A/D转换电路(10)转换为数字信号。
[0047] 5、A/D转换电路(10)将测得的数字信号输出至单片机(11)，单片机(11)通过串口通信将数据送入上位机(12)。
[0048] 6、上位机(12)通过相应的算法绘出待测物体的电阻抗成像图。
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