技术领域
[0001] 本
发明涉及一种新型无损伤
生物医学检测与成像技术,特别涉及一种多频
电阻抗成像系统。
背景技术
[0002] 近年来,电阻抗成像技术作为一种新型的成像检测技术,由于其无创无
辐射及成本低廉、信息丰富等特点,受到了国际学术界的广泛关注,并呈现出很好的应用前景。通过给被测物体周围的驱动
电极施加微小的激励
电流,然后测量目标周围分布的
电压信息,并据此重构出能反映物体生理及病理变化的阻抗图像。
[0003] 20世纪80年代初,英国Sheffield大学的Barber和Brown开始研究EIT技术,首次构建了一个完整的EIT
硬件系统。在这30多年来,相继有美国、英国、法国、俄罗斯、印度、日本等30多个国家的技术人员着
力于电阻抗成像技术的研究。研究也从最初的单一
频率成像,逐渐开展研发了一种多频的成像方式,其中多频成像方式又可分为两种类型:准静态成像和组织电阻抗特征参数成像。准静态成像方式基于
生物组织的电阻抗
频谱特性,不同频率点的阻抗信息也相应不同,在向被测试物体连续施加多种激励频率电流的情况下,提取多次不同的阻抗信息,进行图像重构。
[0004]
现有技术的难点主要表现在:多频电阻抗成像有多个频率的激励
信号,现在通常使用扫频方式,将多个频率
激励信号逐一注入系统,这种方式不仅测量速度慢,而且会产生动态误差;目前电阻抗测试系统一般全部采用硬件模
块实现,不便于频率的改变,组建系统不灵活。因此,亟需一种测量速度快、成像
质量高、灵活方便,并且能实时成像的系统。
发明内容
[0005] 为了克服现有技术中电阻抗成像过程中成像
分辨率不高、不能实时成像、成像存在伪影等
缺陷,本发明提供一种多频电阻抗成像系统,利用生物组织的电阻抗频谱特性,采用混率激励信号,采集不同频率下的电压信号,对多个频率信号加权相减后进行成像。采用虚拟仪器技术与硬件相结合的方式,进行数据的采集与分析处理,实现实时连续
数据采集和
波形实时显示,并且系统一体化,在上位机界面直接显示成像结果。充分发挥虚拟仪器技术在硬件处理模块
基础上
软件编程灵活的特点。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:本发明提供一种多频电阻抗成像系统,包括计算机、数据采集卡、电压转电流
电路、多路
开关电路、测量多路开关电路、信号放大电路以及N个电极片,其中,多路开关电路包括激励多路开关电路、测量多路开关电路,N个电极片顺序粘贴在待测物体上。
[0007] 计算机控制数据采集卡输出多个频率正弦信号
叠加的电压信号,该电压信号经电压转电流电路后转化为多频电流信号,作为激励信号;计算机通过数据采集卡控制激励多路开关电路依次选通N个电极片中每两个相邻的电极片,将激励信号通过这两个电极片注入被测物体,其中,激励多路开关电路每选通两个相邻的电极片时,计算机通过数据采集卡控制测量多路开关电路依次选通剩余N-2个电极片中每两个相邻的电极片,将被测物体的
输出电压传输至信号放大电路进行放大;数据采集卡将经信号放大电路放大后的电压
信号传输至计算机,计算机根据接收到的电压信号通过成像
算法进行图像重构,呈现相应的电阻抗分布图。
[0008] 作为本发明的进一步技术方案,N的取值为16或32。
[0009] 作为本发明的进一步技术方案,电压转电流电路为改进的Howland电压转电流电路,包括电源、第一至第六电阻、第一至第三电容和
运算放大器,其中,第一电阻R1的一端与电源连接,另一端分别连接
运算放大器的
反相输入端、第五电阻R4的一端、第二电容C2的一端,第五电阻R4的另一端分别连接第二电容C2的另一端、运算放大器的输出端、第二电阻R2A的一端,第二电阻R2A的另一端分别连接第三电阻R2B的一端、第六电阻RL的一端,第六电阻RL的另一端作为输出,第三电阻R2B的另一端分别连接第一电容C1的一端、第四电阻R3的一端、运算放大器的正相输入端,第一电容C1的另一端、第四电阻R3的另一端分别与数据采集卡的输出连接,第三电容C3的两端分别与运算放大器的正、负电源端连接。
[0010] 作为本发明的进一步技术方案,多路开关电路包括四片型号为MAX396的模拟多路变换器,其中,两片作为激励多路开关电路,两片作为测量多路开关电路。
[0011] 作为本发明的进一步技术方案,信号放大电路包括依次连接的电压跟随器、第一放大电路和第二放大电路,其中,电压跟随器包括两个运算放大器,第一放大电路为型号为AD624的仪器放大器,第二放大电路为型号为PGA207UA的可编程增益仪器放大器。
[0012] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:(1)激励信号采用混频方式,一次能输出多个频率信号,缩短测量时间;
(2)采用多频率激励信号,根据不同频率下生物组织电阻抗的差异进行成像,能较好的反应物体的
位置信息,有效地消除了
动态图像重构误差大的缺点,得到较高的成像质量和
对比度;
(3)信号激励、信号采集和开关控制均由数据采集卡实现,输出的信号和采集的信号更加精确;
(4)基于虚拟仪器的控制,充分利用数据采集卡的功能,方便用户自定义调节,结构紧凑,易于系统集成,灵活组态。
附图说明
[0013] 图1为本发明系统结构原理图。
[0014] 图2为本发明电压转电流电路原理图。
[0015] 图3为多路开关电路原理图。
[0016] 图4为信号放大电路原理图。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:本发明公开了一种多频电阻抗成像系统,主要是根据多种频率下生物组织显现电阻抗不同进行成像。如图1所示该系统包括数据采集卡、电压转电流电路、多路开关电路、信号放大电路和计算机。该系统采用虚拟仪器结构,由LabVIEW平台结合数据采集卡及外围
硬件实现,利用高
精度的数据采集卡,提高系统测试精度和
稳定性,充分发挥虚拟仪器技术组建系统灵活方便的特点,便于系统扩展。激励信号采用多个频率正弦信号叠加的混频信号,多频信号一次注入到物理模型中,测得的电压信号经处理后,得到各个频率下的电压信息,从而提高系统成像速度。多路开关电路由计算机软件控制数据采集卡输出
数字信号进行切换选通。
[0018] 计算机控制数据采集卡输出多个频率正弦信号叠加的电压信号,该电压信号经电压转电流电路后转化为多频电流信号,作为激励信号。计算机通过数据采集卡控制激励多路开关电路依次选通N个电极片中每两个相邻的电极片,将激励信号通过这两个电极片注入被测物体,其中,激励多路开关电路每选通两个相邻的电极片时,计算机通过数据采集卡控制测量多路开关电路依次选通剩余N-2个电极片中每两个相邻的电极片,将被测物体的输出电压传输至信号放大电路进行放大。数据采集卡将经信号放大电路放大后的电压信号传输至计算机,计算机对接收到的电压信号进行处理和成像,呈现相应的电阻抗分布图。
[0019] 下面通过具体
实施例对本发明的技术方案作进一步阐述:如图2所示,本实施例中待测物体为圆柱形
水槽,在水槽内壁相同的高度粘贴16个大小材质相同的长方形不锈
钢电极片。每个电极使用鳄鱼夹后接
导线与多路开关进行连接,
导电性好,便于获得准确的实验数据。水槽当中需要盛放浓度为0.1%的盐水,高度没过电极片
2至3厘米。
[0020] 如图2所示,电压转电流电路采用改进的Howland电压转电流电路。该电路的输出电流只与电路
输入信号电压值和R3的值有关,只要保持输入信号与R3的值不变,输出电流恒定不变。R2A、R2B解决输入阻抗匹配影响;C1、C2、C3作为补偿电容保证获得高输出阻抗高精度的电流。
[0021] 如图3所示,多路开关电路包括四片MAX396,其中,激励多路开关电路和测量多路开关电路中各包括两片MAX396。该芯片是一个16通道,高精度的CMOS模拟多路复用器,开关切换速度快
泄漏电流小。将两片开关并联即可完成16选2的功能,其中两片为激励电流通道控制开关,两片为电压测量通道控制开关。该部分的开关均由计算机控制,在本系统当中采用相邻激励的方式,例如:若选择电极1、2作为激励输入端,则需要测量其余13组相邻电极3、4,4、5,……,15、16的电压差,从而完成一个周期的测量,以此类推,继续选择电极2、3作为激励输入端,则需要测量其余13组相邻电极4、5,5、6,……,15、16,16、1的电压差,……,直至选择电极16、1作为激励输入端,则需要测量其余13组相邻电极2、3,3、4,……,14、15的电压差,从而完成所有测量。
[0022] 如图4所示的信号放大电路,本发明中为保证前后电路不互相影响,选用两个OP27精密运算放大器做电压跟随器,以隔离两部分电路。由于采集到的电压信号混有一定的
直流分量和噪声,因此选用高通滤波电路进行滤波处理。因为采集到的电压信号非常微小,在几十毫伏左右,所以需要进行放大。本实施例中,信号放大电路中的电压放大包括两个部分:第一部分使用AD624仪器放大器完成对电压信号的首次放大,该芯片具有低噪声、高增益精度、低增益
温度系数和高线性度,其放大倍数由外加可变电阻控制,增益范围1至1000;第二部分由
可编程芯片PGA207UA完成第二次放大,其放大倍数由计算机
输出信号至A0、A1控制放大倍数。本实施例中,采用两次放大有利于获得更加准确的信号。
[0023] 本实施例的具体工作流程如下:1、计算机控制数据采集卡输出多种频率的正弦激励信号,经电压转电流电路将信号转化为电流信号,再经过激励多路开关注入待测物体;
2、由测量多路开关控制将被测物体的输出电压信号送至放大电路,再由数据采集卡送至计算机;
3、计算机接收到的电压信号经过滤波、谱分析后得到各个频率电压信号的幅度和
相位,再经过成像算法进行图像重构,呈现相应电阻抗分布图。
[0024] 以上所述,仅为本发明中的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内,可理解想到的变换或替换,都应涵盖在本发明的包含范围之内,因此,本发明的保护范围应该以
权利要求书的保护范围为准。