一种用于生物电阻抗成像的激励电流源的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电阻抗成像技术领域，设及一种用于生物电阻抗成像的激励电流源。
【背景技术】
[0002] 电阻抗成像技术化lectrical Impedance Tomogra曲y，EIT)是一种新型的无损伤 成像检测技术，该技术具有功能成像，成本低廉，对人体无害等优点，因此在医学临床领域， 具有广泛的应用前景。电阻抗成像技术是通过在人体表面放置阵列电极，施加电流激励信 号，测试电压信号，从而可W提取人体生理、病态状态相关组织或器官的电特性。
[0003] 为了减少人体内部阻抗变化W及皮肤接触阻抗对激励电流源的影响，运就要求所 使用的激励电流源是恒流源，即要求激励电流源具有较高的输出阻抗，能够适应不同的负 载变化。在目前的EIT系统中，其系统的工作带宽在10 k Η Z~1Μ化的频带范围内，即可获得 1Μ化W下的生物阻抗分布信息，但是生物体组织在高频时同样携带了更加丰富的阻抗信 息，而且生物体组织的复阻抗虚部信息很微弱(大约是实部信息的十分之一），不易提取，且 随着频率的提高而增强，运就需要激励电流源能够实现更高的激励频率。但是由于频率的 不断增加，激励电流源将会受到集成器件本身性能的限制W及寄生电容和杂散电容的影 响，从而导致激励电流源的驱动能力和输出阻抗大幅度下降，运将会影响ΕΙΤ系统的精度， 影响我们获得准确的阻抗信息。因此，设计出更高输出阻抗的激励电流源W适应更高激励 频率是提高ΕΙΤ系统精度和稳定性的重要环节。
[0004] 在目前的ΕΙΤ系统中，很多种类的电流源已经得到使用，但是比较普遍的还是 化wland电流源，运是因为化wland电流源只需要一个运算放大器和几个电阻组成，结构相 对简单。但是由于化wland电路中同时存在正负反馈，在多频EIT系统将会导致不稳定，又由 于化wland电流源电路只有一个运算放大器组成，输出阻抗很难达到很大。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种用于生物电阻抗成像的激励电流源，克服W往激励电流 源输出阻抗低的问题，从而提高电阻抗成像系统的成像精度。本发明所采用的技术方案是，
[0006] 一种用于生物电阻抗成像的激励电流源，包括DDS模块、幅值控制模块、D/A转换模 块、差分放大模块、低通滤波模块、电压控制电流源模块、通用阻抗转换模块，其中，
[0007] 所述的DDS模块，通过硬件语言在FPGA内部构造，产生的正弦数字信号输入到D/A 转换模块的数据输入端；
[000引所述的幅值控制模块，用于接收FPGA输出的数字量，为D/A转换模块提供参考电 压，能够调节激励电流源的幅值，W满足EIT系统对安全电流的要求；
[0009] 所述的D/A转换模块，能够将DDS模块输入的正弦数字信号转换为模拟差分电流信 号I0UTA和I0UTB输入到差分放大模块；
[0010] 所述的差分放大模块，用于将D/A转换模块输入的差分电流信号I0UTA和I0UTB转 换为差分电压信号V0UTA和V0UTB，并通过运算放大器将差分电压信号V0UTA和V0UTB转换为 单端电压信号VOUTA输入到低通滤波模块；
[0011] 所述的低通滤波模块，由己特沃兹二阶有源低通滤波器组成，滤去差分放大模块 输入的高频噪声，并将滤波后的电压信号输入到电压控制电流源模块；
[0012] 所述的电压控制电流源模块，用于将低通滤波模块输入的电压信号转换为电流信 号I。输出；
[0013] 所述的通用阻抗转换模块，包括多路模拟开关（16)和多路通用阻抗转换器，模拟 开关(16)中的每一路的一端与电压控制电流源模块的电流输出端相连，另一端与多路通用 阻抗转换器其中的一个相连到地，其各个控制信号与FPGA的I/O端口相连，通过FPGA控制其 通断，用于选通与激励频率相匹配的通用阻抗转换器;各路通用阻抗转换器能够分别适用 于0~100曲Z，100~500曲Z，500~800曲Z，800曲Z~IMHz四个频率范围，且每个频率范围具 有不同的等效电感值；
[0014] 每个通用阻抗转换器(17)，包括第一和第二运算放大器A4和A5,依次相连的第一、 第二和第Ξ固定电阻R4、R5、R6，固定电容C3 W及可调电阻R7;可调电阻R7的的一端与地相 连，另一端与e点相连；电容C3-端和e点相连，另一端与d点相连;第Ξ固定电阻R6-端与d 点相连，另一端与C点相连;第二固定电阻R5-端与C点相连，另一端与b点相连;第一固定电 阻R4-端与b点相连，另一端与a点相连;第一运算放大器A4的同相输入端与a点相连，反向 输入端与C点相连，输出端与d点相连;第二运算放大器A5的同相输入端与e点相连，反向输 入端与d点相连，输出端与b点相连；可调电阻R7用于调节通用阻抗转换器等效电感L的大 小。
[0015] 其中，四路通用阻抗转换器的设计方法为:根据预先设定的包括100曲z，500kHz， 800k化和IMHz在内的四个频率点的等效电感的估计值，计算和匹配四个通用阻抗转换器中 每个通用阻抗转换器的电阻和电容值，使四个通用阻抗转换器能够分别适用于0~100曲Z， 100~500曲z，500~800曲z，800曲Z~IMHz四个频率范围，且每个频率范围具有不同的等效 电感值，调节幅度的变化范围在± 50% ;根据激励频率，首先确定该激励频率属于0~ 100曲Z，100~500曲Z，500~800曲Z，800kHz~IMHz四个频率的哪个频率范围，最后调节可 调电阻R7使其输出阻抗达到最大。
[0016] D/A转换模块能够接收幅值控制模块输入的参考电压，从而实现激励电流通过 FPGA硬件语言编程进行调节，参考电压调节范围为0~1.2V且可做到256级可调，W满足EIT 系统对激励电流安全性的要求。
[0017] 本发明的用于生物电阻抗成像的激励电流源，基于FPGA和AD844镜像电流源，加入 通用阻抗转换模块，通过FPGA控制四路模拟开关的通断W便于选择适应于不同频率下的通 用阻抗转换器，通过调节可调电阻使输出阻抗在该频率下达到最大。有益效果是：
[0018] 1)加入幅值控制模块，能够调节激励电流源的幅值，W满足EIT系统对安全电流的 要求。
[0019] 2)加入通用阻抗转换模块，能够提高激励电流源输出阻抗，克服激励电流源输出 阻抗较小的特点，通过设计四种不同的阻抗转换器，适应不同的激励频率，加入可调电位 计，方便调节激励电流源的输出阻抗，使其输出阻抗在特定频率下达到最大。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明的结构框图。
[0021] 图2是本发明的电压控制电流源模块和通用阻抗转换模块原理图。
[0022] 图3是本发明通用阻抗转换器原理图。
【具体实施方式】
[0023 ]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0024] 图1是本发明的结构框图。如图所示，一种用于生物电阻抗成像的激励电流源，包 括DDS模块，幅值控制模块，D/A转换模块，差分放大模块，低通滤波模块，电压控制电流源模 块，通用阻抗转换模块。DDS模块是在FPGA内部构造，通过硬件语言编程实现，通过设置DDS IP核内部参数，可改变DDS输出位数，并且可实现单频和多频激励。DDS模块产生的14位正弦 数字信号输入到D/A转换模块的14位数据输入端，通过D/A转换模块进而将其转换为模拟差 分电流输出。幅值控制模块能够接受FPGA输出的8位数字量，并将其转换成模拟参考电压输 出，D/A转换模块能够接受幅值控制模块输入的参考电压，从而实现激励电流可通过FPGA硬 件语言编程进行调节，参考电压调节范围为0~1.2V且可做到256级可调，W满足EIT系统对 激励电流安全性的要求。差分放大模块与D/A转换模块的差分电流I0UTA和I0UTB相连接，通 过两个标称电阻(一般取25 Ω或50 Ω )将D/A转换模块输出的差分电流信号I0UTA和I0UTB转 换为差分电压信号V0UTA和V0UTB，并通过运算放大器将差分电压信号转换为单端电压信号 V0UT输出。低通滤波模块将从差分放大模块输入的电压信号V0UT中滤去高频噪声后输入到 电压控制电流源模块。电压控制电流源模块能够将低通滤波模块输入的电压信号转换为电 流驱动信号输入到EIT系统。通用阻抗转换模块与电压控制电流源的电流输出端相连接，通 过FPGA控制四路模拟开关进而选择不同的通用阻抗转换器，从而可W适应不同的频率，克 服因频率改变而造成的通用阻抗转换器不匹配的现象，通过调节可调电阻进而可W增加激 励电流源的输出阻抗。
[0025] 如图2,为本发明的电压控制电流源模块和通用阻抗转换模块原理图。其中电压控 制电流源模块(VCCS)由输入缓冲，电压-电流转换和直