專利名稱：一種多電極電阻抗斷層成像采集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電阻抗斷層成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于電阻抗斷層成像的采集裝置。
背景技術(shù)：
EIT(Electrical Impedance Tomography，電阻抗斷層成像)技術(shù)是ー種新型無(wú)損傷生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)與成像技術(shù)，它通過對(duì)生物體外加一定的安全激勵(lì)電流，測(cè)得生物體表面電壓信號(hào)來(lái)重構(gòu)生物體內(nèi)部阻抗分布和變化。其反應(yīng)了解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，更重要的是可以得到反映生物組織活性及生理狀態(tài)短時(shí)變化的功能圖像。由于采用外加安全電流激勵(lì)，是非侵入檢測(cè)技術(shù)，對(duì)生物體無(wú)傷害，因而在研究生物體生理功能方面具有重要的臨床價(jià)值。目前，在EIT系統(tǒng)的采集裝置中多采用32個(gè)電極或16個(gè)電極配置，使后續(xù)的成像精度和質(zhì)量不高。電極的數(shù)目越多，重構(gòu)圖像的空間分辨率和圖像質(zhì)量也就越高。但電極數(shù)目的增加對(duì)裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)也提出了更高的要求。采集裝置是EIT系統(tǒng)的重要組成單元，其采樣精度和采樣速度直接影像整個(gè)系統(tǒng)成像的分辨率和成像耗時(shí)。目前在EIT系統(tǒng)的采集裝置中，完成一次完整的采集往往需要很長(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)成像的精度也不理想，大大限制了 EIT系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種電阻抗斷層成像采集裝置。針對(duì)現(xiàn)有電阻抗斷層成像采集裝置會(huì)使后續(xù)成像精度不高的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了支持六十四個(gè)電極的電阻抗斷層成像采集裝置，能夠有效提高重構(gòu)圖像的空間分辨率和質(zhì)量。同時(shí)，為了提高測(cè)量速度，實(shí)現(xiàn)了八通道采集裝置，能夠縮短采集消耗的時(shí)間，進(jìn)而提高電阻抗斷層成像系統(tǒng)的成像速度。本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種多電極電阻抗斷層成像采集裝置，包括中央控制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電流生成裝置、電流輸出切換矩陣、六十四個(gè)電極、電壓輸入切換矩陣、 信號(hào)調(diào)理模塊、采集模塊。其中，中央控制模塊分別與數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電流生成裝置、電流輸出切換矩陣、電壓輸入切換矩陣、信號(hào)調(diào)理模塊以及采集模塊相連接。數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收中央控制模塊輸出的頻率控制信號(hào)，生成特定頻率的模擬信號(hào)，并以差分電壓的模式輸出到電流生成裝置。電流生成裝置接收中央控制模塊輸出的激勵(lì)幅度控制信號(hào)，并將從數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換成ー對(duì)差分電流信號(hào)送至電流輸出切換矩陣。電流輸出切換矩陣接收中央控制模塊按照設(shè)定的激勵(lì)測(cè)量方式輸出的電流切換控制信號(hào)，將ー對(duì)差分電流信號(hào)輸出至六十四個(gè)電極中的兩個(gè)電扱，稱所述兩個(gè)電極為激勵(lì)電極。電壓輸入切換矩陣的六十四個(gè)輸入通道分別連接六十四個(gè)電極的輸出通道，電壓輸入切換矩陣接收中央控制模塊按照設(shè)定的激勵(lì)測(cè)量方式輸出的電壓切換控制信號(hào)，每次選通除激勵(lì)電極外的六十ニ個(gè)電極中的十六個(gè)電極上的電壓信號(hào)，形成八對(duì)電壓信號(hào)輸出至信號(hào)調(diào)理模塊。信號(hào)調(diào)理模塊接收中央控制模塊輸出的增益控制信號(hào)對(duì)輸入的八對(duì)電壓信號(hào)分別進(jìn)行低通濾波和增益調(diào)整后，形成八路信號(hào)送至采集模塊。采集模塊對(duì)輸入的八路信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出八路數(shù)字信號(hào)至中央控制模塊，中央控制模塊將上述的八路數(shù)字信號(hào)輸出至成像裝置。作為本發(fā)明的進(jìn)ー步改進(jìn)①中央控制模塊中央控制模塊是可編程邏輯器件。②六十四個(gè)電極六十四個(gè)電極采用復(fù)合電極，以復(fù)合電極的面電極作為電流注入，即接收電流輸出切換矩陣的輸出，以復(fù)合電極的點(diǎn)電極獲取外部感應(yīng)電壓信號(hào)，即待測(cè)對(duì)象的感應(yīng)電壓信號(hào)。③信號(hào)調(diào)理模塊信號(hào)調(diào)理模塊包括依次串聯(lián)的阻抗匹配単元，低通濾波單元，可編程增益放大器。 用于完成對(duì)信號(hào)的匹配接收、高次諧波抑制、增益控制。為采集模塊提供高精度、低噪聲、低失調(diào)、低漂移的信號(hào)。如附圖3所示。④電流生成模塊電流生成裝置采用電壓控制電流源。本發(fā)明的有益效果是1)本裝置支持六十四個(gè)電扱，増加電極可以獲得更多的獨(dú)立觀測(cè)數(shù)據(jù)，從而可以提高重構(gòu)圖像空間分辨率和圖像質(zhì)量。2)切換矩陣分為電壓輸入切換矩陣和電流輸出切換矩陣，由中央控制模塊操控， 能夠完成快速、穩(wěn)定的信號(hào)切換，在施加電流激勵(lì)時(shí)能將激勵(lì)電流信號(hào)輸出到任意兩個(gè)電極上，在采集感應(yīng)電壓時(shí)能夠一次選通八對(duì)電壓信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理模塊。3)采集模塊采用八通道并行結(jié)構(gòu)，與單通道串行采集相比，能夠縮短采集模塊所需要的時(shí)間，從而提高EIT系統(tǒng)的成像速度。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是電壓輸入切換矩陣和電流輸出切換矩陣結(jié)構(gòu)框圖；圖3是信號(hào)調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)框圖；圖4中央控制模塊工作流程圖。具體實(shí)施方法下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明圖1是本發(fā)明的原理結(jié)構(gòu)框圖。如圖所示，一種多電極電阻抗斷層成像采集裝置包括六十四個(gè)電扱、電壓輸入切換矩陣、電流輸出切換矩陣、信號(hào)調(diào)理模塊、電流生成裝置、 采集模塊、中央控制模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。其中中央控制模塊分別與數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電流生成裝置、電流輸出切換矩陣、電壓輸入切換矩陣、信號(hào)調(diào)理模塊以及采集模塊相連接。數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收中央控制模塊輸出的頻率控制信號(hào)，生成特定頻率的模擬信號(hào)，并以差分電壓的模式輸出到電流生成裝置。電流生成裝置接收中央控制模塊輸出的激勵(lì)幅度控制信號(hào)，并將從數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換成ー對(duì)差分電流信號(hào)送至電流輸出切換矩陣。電流輸出切換矩陣接收中央控制模塊按照設(shè)定的激勵(lì)測(cè)量方式輸出的電流切換控制信號(hào)，將ー對(duì)差分電流信號(hào)送至六十四個(gè)電極中的任意兩個(gè)電扱，稱所述兩個(gè)電極為激勵(lì)電極。電壓輸入切換矩陣接收中央控制模塊按照設(shè)定的激勵(lì)測(cè)量方式輸出的電壓切換控制信號(hào)，每次選通除激勵(lì)電極外的六十ニ個(gè)電極中的十六個(gè)電極上的電壓信號(hào)，根據(jù)選定的激勵(lì)測(cè)量方法形成八對(duì)電壓信號(hào)輸出。信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)輸入的八對(duì)差分信號(hào)分別進(jìn)行增益校準(zhǔn)和低通濾波后， 形成八路信號(hào)送至采集模塊。采集模塊對(duì)輸入的八路信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出八路數(shù)字信號(hào)至中央控制模塊，中央控制模塊將上述的數(shù)字信號(hào)輸出。圖2是電壓輸入切換矩陣和電流輸出切換矩陣結(jié)構(gòu)框圖。如圖所示，電壓輸入切換矩陣位于圖2的右側(cè)，包括六十四個(gè)緩沖器，兩個(gè)32*16的交叉點(diǎn)開關(guān)，以及八路差分運(yùn)算放大器。其中六十四個(gè)緩沖器由寬帶JFET放大器構(gòu)成，具有極高的輸入阻杭，可以有效降低電壓輸入切換矩陣對(duì)激勵(lì)電流信號(hào)的分流和影響；兩個(gè)32*16交叉點(diǎn)開關(guān)內(nèi)部所有的輸出經(jīng)過緩沖處理，用以增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力；八路差分運(yùn)算放大器，具有良好的抗噪聲性能和諧波抑制能力。每個(gè)電極上的電壓信號(hào)都會(huì)經(jīng)過緩沖器的驅(qū)動(dòng)進(jìn)入交叉點(diǎn)開關(guān)，兩個(gè) 32*16交叉點(diǎn)開關(guān)的通斷由中央控制模塊控制，按照設(shè)定的激勵(lì)測(cè)量方式一次選通八對(duì)電極的電壓信號(hào)送至八路差分運(yùn)算放大器。電流輸出切換矩陣位于圖2的左側(cè)，包括兩級(jí)模擬交叉點(diǎn)開關(guān)，第一級(jí)包括兩個(gè)1*8交叉點(diǎn)開關(guān)，第二級(jí)包括了六個(gè)2*12交叉點(diǎn)開關(guān)。第一級(jí)兩個(gè)1*8交叉點(diǎn)開關(guān)負(fù)責(zé)將ー對(duì)差分電流信號(hào)分別輸出至任意一個(gè)位于第二級(jí)的交叉點(diǎn)開關(guān)，六個(gè)第二級(jí)交叉點(diǎn)開關(guān)與六十四個(gè)電極連接，由中央控制模塊控制，按照設(shè)定的激勵(lì)測(cè)量方式將電流信號(hào)輸出至任意兩個(gè)電極上。其中電流輸出切換矩陣包括兩級(jí)模擬交叉點(diǎn)開關(guān)，第一級(jí)包括兩個(gè)1*8的交叉點(diǎn)開關(guān)，選用兩片ADG1208實(shí)現(xiàn)。第二級(jí)包括六個(gè)2*12交叉點(diǎn)開關(guān)，選用六片ADG2U8實(shí)現(xiàn)， 設(shè)由第一片到第六片ADG2U8構(gòu)成。六十四個(gè)電極的編號(hào)為1 64號(hào)。其中一片ADG1208 的輸入連接電流生成裝置的同向輸出I+，從其八個(gè)輸出中選取前六個(gè)輸出分別接入六片 ADG2U8兩個(gè)輸入端的中的ー個(gè)；另一片ADG1208的輸入連接電流生成裝置的反向輸出1_， 從其八個(gè)輸出中選取前六個(gè)輸出分別接入六片ADG2U8兩個(gè)輸入端的另ー個(gè)。從第一片 ADG2U8的十二個(gè)輸出中選取前十個(gè)輸出與六十四個(gè)電極的1 10號(hào)的輸入連接，從第二、 三、四、五片ADG2128的十二個(gè)輸出中選取前i^一個(gè)輸出依次與六十四個(gè)電極的11 21， 22 32，33 43，44 M號(hào)的輸入連接。從第六片ADG2128的十二個(gè)輸出中選取前十個(gè)輸出依次與六十四個(gè)電極的55 64號(hào)的輸入連接。電壓切換矩陣包括六十四個(gè)緩沖器， 兩個(gè)32*16的交叉點(diǎn)開關(guān)，以及八路差分運(yùn)算放大器。其中六十四個(gè)緩沖器選用0PA653， 六十四個(gè)緩沖器的編號(hào)為1 64號(hào)；兩個(gè)32*16交叉點(diǎn)開關(guān)選用MAX4357，八路差分運(yùn)算放大器選用AD8099。其中六十四個(gè)緩沖器的輸入依次與六十四個(gè)電極的輸出連接。1 32號(hào)緩沖器的輸出依次與第一片MAX4357的三十ニ個(gè)輸入連接，33 64號(hào)緩沖器的輸出依次與第二片MAX4357的三十ニ個(gè)輸入連接。第一片MAX4357的一號(hào)和二號(hào)輸出與第一片 AD8099的同向和反向輸入端連接，三號(hào)和四號(hào)輸出與第二片AD8099的同向和反向輸入端連接，依次類推，十五號(hào)和十六號(hào)輸出與第八片AD8099的同向和反向輸入端連接。第二片 MAX4357的輸出端連接方式和第一片MAX4357—致。采集模塊由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9252構(gòu)成， 其內(nèi)部采用三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，各級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間留有足夠的信號(hào)重疊部分，以用來(lái)對(duì)前級(jí)可能出現(xiàn)的誤碼進(jìn)行校準(zhǔn)。ー個(gè)AD9252內(nèi)部包含了八路高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，最高采樣率為50MSps，采樣精度為14位。它具有快速的數(shù)字誤差校正和自校準(zhǔn)功能，還可以提供良
5好的動(dòng)態(tài)性能和噪聲系數(shù)。經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過八對(duì)LVDS (Low-Voltage Differential Signaling，低壓差分信號(hào))以雙邊沿傳輸?shù)姆绞剿偷街醒肟刂颇K。六十四電極采用復(fù)合電極，以復(fù)合電極的面電極作為電流注入，即接收電流輸出切換矩陣的輸出，以復(fù)合電極的點(diǎn)電極獲取外部感應(yīng)電壓信號(hào)。電極貼放在待測(cè)對(duì)象表面，本發(fā)明能夠在注入電流激勵(lì)的同時(shí)進(jìn)行電壓采集，具有較大的電流注入面積，同時(shí)減小了接觸阻杭，避免了電極加寬而偏離圖像重建算法中點(diǎn)電極的假設(shè)。圖3是信號(hào)調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)框圖。如圖所示，信號(hào)調(diào)理模塊包括依次串聯(lián)的阻抗匹配単元，低通濾波單元，可編程增益放大器，可編程增益放大器接收中央控制模塊輸出的增益控制信號(hào)，信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)輸入的八對(duì)電壓信號(hào)分別進(jìn)行低通濾波和增益調(diào)整后，送至采集模塊。為采集模塊提供高精度、低噪聲、低失調(diào)、低漂移的信號(hào)。圖4中央控制模塊工作流程圖。如圖所示，中央控制模塊首先接收成像系統(tǒng)發(fā)送的頻率控制參數(shù)和幅度控制參數(shù)，輸出的頻率控制信息到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，生成特定頻率的模擬信號(hào)。輸出激勵(lì)幅度控制信息到電流生成裝置，生成特定幅度的電流激勵(lì)信號(hào)。按照設(shè)定的激勵(lì)測(cè)量方式輸出電流切換控制信號(hào)到電流輸出切換矩陣將激勵(lì)信號(hào)送至六十四個(gè)電極中的任意兩個(gè)電扱。按照設(shè)定的激勵(lì)測(cè)量方式輸出電壓切換控制信號(hào)到電壓輸入切換矩陣，依次選取除電流注入選用的兩個(gè)電極以外的其它三十一對(duì)電極接入信號(hào)調(diào)理模塊， 接收采集模塊輸出的數(shù)字信號(hào)。改變電流輸出切換矩陣選擇兩個(gè)還未遍歷的電極，并重新獲取其它三十一對(duì)電極上的電位信號(hào)。依次完成對(duì)所有電極的遍歷。其中設(shè)定的激勵(lì)測(cè)量方式，可采用相鄰電極法、相對(duì)電極法或交叉電極法等，詳細(xì)內(nèi)容參見機(jī)械エ業(yè)出版社《生物醫(yī)學(xué)電阻抗成像技木》，作者徐桂芝、李穎等，2010年6月出版。中央控制模塊選用FPGA (Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列) 芯片)(C6SLX116構(gòu)成，它完成對(duì)電流輸出切換矩陣模塊、電壓輸入切換矩陣，電流生成裝置和信號(hào)調(diào)理模塊的控制。對(duì)采集模塊輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行緩存和處理。輸出頻率控制信號(hào)到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用以產(chǎn)生設(shè)定頻率的激勵(lì)信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種多電極電阻抗斷層并行采集裝置，包括中央控制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電流生成裝置、電流輸出切換矩陣、六十四個(gè)電極、電壓輸入切換矩陣、信號(hào)調(diào)理模塊、采集模塊，其特征在于中央控制模塊分別與數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電流生成裝置、電流輸出切換矩陣、電壓輸入切換矩陣、信號(hào)調(diào)理模塊以及采集模塊相連接；數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收中央控制模塊輸出的頻率控制信號(hào)，生成特定頻率的模擬信號(hào)，并以差分電壓的模式輸出到電流生成裝置；電流生成裝置接收中央控制模塊輸出的激勵(lì)幅度控制信號(hào)，并將從數(shù)模轉(zhuǎn)換器接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換成ー對(duì)差分電流信號(hào)送至電流輸出切換矩陣；電流輸出切換矩陣接收中央控制模塊按照設(shè)定的激勵(lì)測(cè)量方式輸出的電流切換控制信號(hào)，將ー對(duì)差分電流信號(hào)輸出至六十四個(gè)電極中的兩個(gè)電扱，稱所述兩個(gè)電極為激勵(lì)電極；電壓輸入切換矩陣的六十四個(gè)輸入通道分別連接六十四個(gè)電極的輸出通道，電壓輸入切換矩陣接收中央控制模塊按照設(shè)定的激勵(lì)測(cè)量方式輸出的電壓切換控制信號(hào)，每次選通除激勵(lì)電極外的六十ニ個(gè)電極中的十六個(gè)電極上的電壓信號(hào)，形成八對(duì)電壓信號(hào)輸出至信號(hào)調(diào)理模塊；信號(hào)調(diào)理模塊接收中央控制模塊輸出的増益控制信號(hào)對(duì)輸入的八對(duì)電壓信號(hào)分別進(jìn)行低通濾波和增益調(diào)整后，形成八路信號(hào)送至采集模塊；采集模塊對(duì)輸入的八路信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出八路數(shù)字信號(hào)至中央控制模塊，中央控制模塊將上述的數(shù)字信號(hào)輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電極電阻抗斷層并行采集裝置，其特征在干，中央控制模塊采用可編程邏輯器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多電極電阻抗斷層并行采集裝置，其特征在干，六十四個(gè)電極采用復(fù)合電扱，以復(fù)合電極的面電極作為電流注入，即接收電流輸出切換矩陣的輸出，以復(fù)合電極的點(diǎn)電極獲取外部感應(yīng)電壓信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多電極電阻抗斷層并行采集裝置，其特征在干，信號(hào)調(diào)理模塊包括依次串聯(lián)的阻抗匹配単元，低通濾波單元，可編程增益放大器，可編程增益放大器接收中央控制模塊輸出的增益控制信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的多電極電阻抗斷層并行采集裝置，其特征在干，電流生成模塊是電壓控制電流源。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種電阻抗斷層成像采集裝置。技術(shù)方案包括中央控制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電流生成裝置、電流輸出切換矩陣、六十四個(gè)電極、電壓輸入切換矩陣、信號(hào)調(diào)理模塊、采集模塊。其中，中央控制模塊按照設(shè)定的激勵(lì)測(cè)量方式輸出電壓切換控制信號(hào)到電壓輸入切換矩陣，依次選取除激勵(lì)電極以外的其它六十二個(gè)電極中的任意八對(duì)電極接入信號(hào)調(diào)理模塊，接收采集模塊輸出的數(shù)字信號(hào)。本裝置實(shí)現(xiàn)了支持六十四個(gè)電極的電阻抗斷層成像，能夠有效提高重構(gòu)圖像的空間分辨率和質(zhì)量。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了八通道采集，能夠縮短采集消耗的時(shí)間，進(jìn)而提高電阻抗斷層成像系統(tǒng)的成像速度。
文檔編號(hào)A61B5/053GK102551713SQ20121000793
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者于紅旗, 劉海軍, 孫兆林, 徐暉, 李楠, 王義楠 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)