一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极

一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极
【技术领域】
1.本发明涉及医疗电子仪器技术领域，具体涉及一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极。


背景技术：

2.传统的医学成像技术包括电子计算机断层扫描(computed tomography，ct)、超声、核磁共振等，普遍具有仪器设备体积大、使用成本高、长期使用对人体有害等问题。
3.生物电阻抗断层成像(electrical impedance tomography，eit)是一种新型医学功能成像技术，是利用生物组织与器官的特性(阻抗、导纳、介电常数等)及其变化提取人体生理、病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术。它根据人体内不同组织在不同的生理、病理状态下具有不同的电导率，采用各种方法给人体施加小的安全驱动电流，通过驱动电流在人体的测量响应信息，重建人体内部的电阻率分布或其变化的图像。
4.显然，电阻抗成像技术中，激励源起到了至关重要的作用，激励源的信号质量将直接影响测量电压的读取以及后续的电阻抗成像。
5.图1是现有用于电阻抗断层成像系统的电极结构示意图。如附图1(a)所示，目前的电阻抗成像系统多采用无源电极激励，激励源与电极分离，即激励信号由系统的激励源产生后，由导线传输至电极。电阻抗成像系统的激励信号一般为几毫安甚至几十微安的电流，这种小信号在导线传输的过程中，极易受到干扰，产生线缆传输失真，出现运动伪影，最终降低系统的成像质量和精度。而且电阻抗成像系统读取的被测人体的电压亦为模拟小信号，采用无源电极的电阻抗成像系统的处理方式为直接用导线传输，或将模拟信号进行放大、滤波后用导线传输，信号同样容易收到干扰，从而影响最终成像质量。
6.为了解决激励信号经过线缆传输后容易失真的问题，有学者提出了将激励电流生成模块置于前端电极，以消除传输失真。现有的有源电极总共分为两类：1、如附图1(b)所示，由yuwu等人提出的有源电极i，将激励电流生成模块置于前端电极，消除激励电流传输失真；但直接将测量电压传输至计算机及移动端，信号容易收到干扰，从而影响最终成像质量；2、如附图1(c)所示，由minseo kim等人提出的有源电极ii，在前述有源电极i的基础上，将测量电压经过模数转换模块，转换为数字信号传输至计算机及移动端，这样虽然一定程度上可以减少信号干扰，但系统在测量期间需要不间断地采集及传输数字电压，无形中增加了系统的整体功耗。
7.如何提高前端电极的性能，减少激励电流不必要的损耗，提高电压信号的精度以及降低电压传输损耗，从而提高系统成像的精度是目前生物电阻抗断层成像系统所面临的关键问题。
8.本发明针对前端电极提高电压信号精度、降低电压传输损耗的技术问题，对用于电阻抗断层成像系统的前端电极进行了技术改进。


技术实现要素：

9.本发明的目的是，提供一种用于电阻抗断层成像系统，电压信号精度高、电压传输损耗低的的有源电极。
10.为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极，包括电流激励模块、电压读取模块和数字处理模块；所述电流激励模块用于根据调幅/调频指令生成幅度可调和频率可调的激励电流施加给被测人体，所述电流激励模块和电极短距离接触传输；所述电压读取模块用于通过电极采集处理激励电流在人体的响应电压、并将响应电压转换为数字电压信号；所述数字处理模块用于将数字电压信号与激励电流信号共同进行离散傅里叶变换操作，重建人体内部电阻抗的幅度和相位，用于后续电阻抗断层成像处理。
11.优选地，所述电流激励模块包括直接数字式频率合成器、数模转换器、运算放大器、以及v/i转换器；所述直接数字式频率合成器用于输出幅度可调和频率可调的激励电压信号，所述数模转换器用于将激励电压信号转变成模拟激励电压信号，所述运算放大器用于对模拟激励电压信号进行放大及电压抬升，所述v/i转换器用于将模拟激励电压信号进一步转换为激励电流。
12.优选地，所述电压读取模块包括电压电流放大器、可编程增益放大器、滤波器、以及模数转换器；所述电压电流放大器用于将采集的响应电压进行电压抬升及放大、以提高检测精度，所述可编程增益放大器用于将电压抬升及放大后的响应电压根据倍数指令放大数倍，所述滤波器用于滤波，所述模数转换器用于将滤波后的响应电压模数转换为数字响应电压信号、以便后续进行电阻抗计算。
13.优选地，所述数字处理模块包括离散傅里叶变换器、实部寄存器、以及虚部寄存器；所述离散傅里叶变换器用于将经过电压读取模块获取的数字响应电压信号、和直接数字式频率合成器生成的激励电压信号一同进行离散傅里叶变换计算其中，x为数字响应电压信号在激励电压信号频率下的能量、是n个激励电压信号频率和对应的数字响应电压信号样本乘积值的累加，w(n)为电压读取模块输出的数字响应电压信号，cos(n)与sin(n)为直接数字式频率合成器输出的激励电压信号频率下的采样测试矢量；所述实部寄存器用于存储x的实部，所述虚部寄存器用于存储x的虚部。
14.优选地，所述运算放大器输出的模拟激励电压信号为峰峰值等于3vpp、直流偏置等于2.24v的交流电压；所述v/i转换器输出的激励电流通过调整可变电阻在1至5000ua的范围内变化，所述激励电流频率设置为1至100khz之间的任意频率点。
15.优选地，所述电压电流放大器通过设置相应电阻进行调整，放大倍数设置为输入电压的2倍，抬升电压设置为2.5v。
16.优选地，所述x是1024个激励电压信号频率和对应的数字响应电压信号样本乘积值的累加，所述实部寄存器和虚部寄存器是16位寄存器。
17.优选地，所述的一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极，还包括数据传输接口；所述数据传输接口通过通用总线和计算机进行数据通信。
18.优选地，所述通用总线使用iic协议通信，包括电极公用的scl信号和电极独有的sda信号。
19.优选地，所述数据通信包括数字处理模块获得的人体内部电阻抗、电流激励模块
的调幅/调频指令、以及可编程增益放大器的倍数指令。
20.本发明一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极有如下有益效果：可根据指令生成可调激励电流，后续直接注入被测人体，消除了线缆传输失真；并将测量到的电压信号转换成电阻值，通过通用总线传输至计算机成像，提高了成像精度，并减少了系统不间断传输电压的无形损耗；该电极不仅可以单独作为阻抗仪使用，也可以迁移到其他的生物电阻抗成像系统。
【附图说明】
21.图1是现有用于电阻抗断层成像系统的电极结构示意图，其中，(a)是传统无源电极结构示意图，(b)是现有有源电极i结构示意图，(c)是现有有源电极ii结构示意图。
22.图2是一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极结构示意图。
23.图3是一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极电流激励模块结构示意图。
24.图4是一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极电压读取模块结构示意图。
25.图5是一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极数字处理模块结构示意图。
【具体实施方式】
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.实施例1
28.本实施例实现一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极。
29.图2是一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极结构示意图。如附图2所示，本实施例一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极，包括电流激励模块、电压读取模块和数字处理模块。所述电流激励模块可以根据计算机指令生成幅度可调和频率可调的激励电流，并直接向被测对象注入；所述电压读取模块对电压信号进行采集，并将电压进行相关处理，转为数字信号；所述的数字处理模块对经过处理的数字信号与激励信号共同进行离散傅里叶变换(discrete fourier transform，dft)等操作，可以得到阻抗的幅度和相位，减少传统模拟电压的传输损耗，不仅可以单独作为阻抗仪使用，还可以与计算机或手机等移动端通信，将得到的数据进行后续处理及成像。
30.进一步，所述有源电极还包括稳压模块，为有源电极稳定供电，保证有源电极的工作性能。
31.进一步，所述有源电极还包括功能选择模块，电极可以通过单刀多掷开关进行状态的控制切换，其中，控制信号由控制器通过导联线传送到每个电极上，各个电极单独工作，互不干扰。
32.进一步，所述有源电极拥有独立的通信接口，用以将数字处理模块处理后的数据流经通用串行总线输入计算机，所述计算机对数据进行处理。
33.图3是一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极电流激励模块结构示意图。如附图3所示，本实施例一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极，所述电流激励模块包括：直
接数字式频率合成器(direct digital synthesizer，dds)、数模转换器(digital to analog converter，dac)、运算放大器、以及v/i转换器。其中，直接数字式频率合成器可以根据用户指令以特定的频率提供输出激励信号，经过数模转换器后变成模拟信号，经过运算放大器进行放大及电压抬升，在本实施例中，运算放大器输出电压v
out
为峰峰值等于3vpp、直流偏置等于2.24v的交流电压。由于电阻抗成像系统需要的是电流激励，运算放大器输出电压v
out
信号继续传输至通用的v/i转换器，进一步转换为电流激励，在本实施例中，该电流激励输出的电流幅值可以通过调整v/i转换器中的可变电阻，在1至5000ua的范围内变化，频率可设置为1至100khz之间的任意频率点。转换完毕后，安全电流将直接从电极注入被测人体，消除了传统电阻抗成像系统的激励线缆传输失真。
34.图4是一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极电压读取模块结构示意图。如附图4所示，本实施例一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极，所述电压读取模块包括：电压电流放大器、可编程增益放大器(pga)、滤波器(lpf)、以及模数转换器(analog to digital converter，adc)。由于激励电流较小，所以测量电压将首先通过电压电流放大器进行电压抬升及放大，以提高检测精度，抬升电压及放大倍数可以通过设置相应电阻进行调整，在本实施例中，放大倍数设置为输入电压的2倍，将抬升电压设置为2.5v。随后测量电压将通过可编程增益放大器(pga)，放大倍数由计算机指令进行控制。经过滤波器滤波后，由模数转换器进行模数转换，转换后的数字信号将输入后续的数字处理模块进行电阻计算。
35.图5是一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极数字处理模块结构示意图。如附图5所示，本实施例一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极，所述数字处理模块包括：离散傅里叶变换器(dft)、以及存储模块等。经过电压读取模块后的数字信号，将与直接数字式频率合成器(dds)生成的激励电压一同进行dft计算，算法如下：
[0036][0037]
其中，x为信号在激励频率下的能量，w(n)为电压读取模块的输出，cos(n)与sin(n)为dds输出的激励频率下的采样测试矢量。将激励频率下的1024个样本对应的乘积值进行累加，并将结果存储在两个16位寄存器中，代表结果的实部和虚部，以进行后续的幅值和相位计算，将幅值除以增益系数，即可得到测量阻抗，将测量值传输至计算机或移动端后，进行后续处理及成像。
[0038]
本实施例一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极，可以通过通用总线与计算机进行数据传输，在一个具体实施例中，选择使用iic协议通信，需要说明的是，iic协议仅是一种数据传输的举例说明，其他任何通用总线如spi\axi\ahb等都可以用于实现本实施例的数据通信。iic协议由2个重要的信号组成：scl和sda，为保证有源电极同步，所有的电极公用一个scl信号，值得强调的一点是，在一个具体实施例中，每个电极都独有一个sda信号，这保证每个有源电极都可以单独与计算机进行数据传输；同时，由于每个电极的sda信号互不干扰，所有有源电极也可以同时进行数据传输，这样可以大大减少成像的延时。
[0039]
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读
存储介质中，其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0040]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。