一种便携式电阻抗成像硬件采集系统

1.本发明属于生物医学信息检测领域，涉及一种测量装置在医学仪器仪表中的应用。特别涉及一种便携性、高精度和高成像帧率的电阻抗成像设备。


背景技术：

2.电阻抗成像技术是利用电磁检测理论测量人体组织的功能状态以及健康状况，也是一种无创的，能实现医学图像实时监护的功能成像技术，如肺功能疾病，脑出血，脑水肿的实时监测。电阻抗成像技术对组织或器官的功能变化比较敏感，能够监测到组织在发生器质性病变之前的功能状态。同时，电阻抗成像系统价格低廉，系统便携性较高。因此，电阻抗成像技术可为实现肿瘤的早期筛查提供新的技术手段。
3.近年来电阻抗成像已经开始应用在疾病治疗过程中的实时监护中，如检测和长期监护人体肺通气，肺灌注和脑损伤，在治疗肺栓塞和脑损伤等疾病的过程中发挥重要的作用，在新出生婴儿肺部监护中，可以降低新生儿死亡率。然而电阻抗成像设备通常有较大的体积，且功耗较大，无法满足一些需要移动的场景，在社区家庭使用方面存在困难。
4.张昕等
1.提出了“电阻抗成像设备”，提供一种电阻抗成像设备。总体上由传感模块，数据采集模块、通讯模块、数据处理模块、成像显示模块和电源模块组成。利用体内电极对待测生物体组织进行同时多频激励和测量，利用测量到的复电压信号进行三维图像重建，可同时且实时显示通气和灌注图像，从而提高采集数据的数量，提高数据采集的速度，提高测量信号对体内组织电导率的敏感度，有利于图像分析对比、疾病检测和诊断。王伟等
2.提出一种基于生物医学电阻抗成像技术的检测设备及其健康风险评估系统，包括：若干电极和数采舱。数采仓内设置数采电路板，数采电路板上设有模拟信号输入电路、模数转换芯片和数字信号输出电路。模拟信号输入电路依次设有多路转换开关、放大器、同步解调器和若干路模拟信号输入线。以上两种设备所述设备设计方式都无法完成便携式的要求，无法满足需要便携性要求的场合。为了解决此问题，提出了一种便携式电阻抗成像硬件采集系统，在较小电路板上即可集成电阻抗所需硬件，完成高精度高帧率的电阻抗成像。
5.[1]张昕，王谊冰，张可，于洋.电阻抗成像设备[p].北京市：cn209847158u，2019
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12
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27.
[0006]
[2]王伟.一种基于生物医学电阻抗成像技术的检测设备及其健康风险评估系统[p].北京市：cn111789593a，2020
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10
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20.


技术实现要素：

[0007]
本发明提供了一种便携式电阻抗成像硬件采集系统，在传统电阻抗成像装置的基础上，改进了激励信号源电路和电压采集电路，所述自适应激励信号源可以根据实时激励电流大小，通过fpga芯片控制将电流激励大小调整至所需值。所述同步采集电路，具有多个同步采集通道，对于多电极电阻抗系统，可以更快的采集得到电压信息，从而使电阻抗成像系统具有更高的成像帧率，详见下文描述：
[0008]
一种便携式电阻抗硬件采集系统，包括主控电路、激励电路、测量电路、数据传输与电源模块。
[0009]
本发明采用如下技术方案：
[0010]
电极阵列包括16
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64金属电极，根据成像区域的面积选择电极的个数，选择交叉电流激励模式和相邻电压测量模式。
[0011]
进一步地，所述激励电路可以自适应产生激励信号，16位dac产生自适应激励信号，产生的信号可以根据实际情况自动调整大小，产生的正弦波激励信号的频率能达到1mhz以上。
[0012]
进一步地，所述差动恒流源采用差动输出的howland电流源电路形式，保证电流源电路具有足够高的输出阻抗和信噪比。
[0013]
进一步地，所述测量电路包含电流监测电路。监测电路用于测量电压信号的放大和信号滤波，设计信号放大电路将微弱信号进行放大，设计低通滤波电路滤出高频信号。
[0014]
进一步地，所述同步采集电路采用同步adc设计，型号为ltc2325，内部集成4个adc，可以同时对4通道进行电压采集，配合多路复用器，可以完成对若干电极的电压采集，因此相比传统电阻抗系统具有4倍的采集速度。
[0015]
进一步地，所述fpga处理器，用于控制dac产生激励信号源，控制adc进行电压信号的采集，最后进行数据的处理及传输。
[0016]
进一步地，所述便携式电阻抗成像硬件采集系统采用锂电池电源模块，用于给各部分电路模块供电，增加了电阻抗成像装置的便携性，降低干扰的影响。
附图说明
[0017]
图1为本发明一种便携式电阻抗成像硬件采集系统的总体结构示意图；
具体实施方式
[0018]
为使本发明的工作流程、技术方案更加清晰明了，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0019]
如图1所示，一种便携式电阻抗成像硬件采集系统，包括激励电路与采集电路，激励电路产生1khz
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1mhz的正弦激励电流，通过一对电极注入至被测物体，采集电路通过其他电极将正弦电压信号采集至fpga处理后通过无线wifi上传到上位机，所述硬件系统可由充电式锂电池供电，系统体积小便于移动。所述激励电路包括高速dac与差动电流源。所述采集电路包括电压缓冲器、模拟开关、可编程增益放大器、同步采集adc、采样电阻与高速差分adc。
[0020]
具体地，实现16通道电阻抗信号的采集，每次测量选一对电极将电流激励注入至被测物体，16个电极同时作为电压测量电极，这样的方式可以增加物体的阻抗信息获取量，有利于上位机成像精度。同步采样adc进行电压采集，采用两个同步采样adc可以加速电压采集过程，使系统达到更高的帧率。
[0021]
进一步地，所述同步采样adc包括4通道，系统总共包含8个同步采样通道，在每次激励采集过程中都能一次完成所有电极对的电压测量，之后由模拟开关完成电极的切换，再次重复激励采集过程，相比于传统电阻抗硬件设备，电压采集的时间大幅缩短，可以使上
位机成像帧率大幅提升。
[0022]
进一步地，所述模拟开关选用缓冲模拟交叉点开关，采用8
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8输入输出通道，可以灵活配置电极，相邻电极之间可以在不改变电路结构情况下反复测量。
[0023]
进一步地，所述采用电压缓冲，放置在电极阵列与模拟开关之间，隔离被测物体与后续采集电路，减少不同通道间的干扰，提高系统的信噪比。
[0024]
进一步地，所述激励电路采用直接数字频率合成加差分电流源的形式，采用ad9747芯片，内部集成了2个dac，主dac为16位负责产生正弦电压信号，辅助10位dac负责控制正弦信号幅值，这样的双dac结构在可以灵活调整激励信号幅值的同时且不会降低信号的精度。
[0025]
进一步地，正弦电压信号通过差分电流源转换成正弦电流信号，在其中一条路径上，固定有采样电阻，用以监测激励电流信号。
[0026]
进一步地，所述差分adc通过采集取样电阻两端电压，将数据送至fpga芯片进行处理，通过数字解调运算，可以得到实时流过采样电阻的电流幅值与相位，由于采样电阻与被测物体是串联连接方式，因此可以实现对被测物体注入电流的监测。
[0027]
以上仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明并不代表本发明的应用范围，实际应用更加广泛。任何以本发明为基础，解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。