CN108037156A - 基于参考测量的多频电阻抗层析成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于参考测量的多频电阻抗层析成像系统，包括激励电流源、参考电阻及测量选择模块、数据采集及处理模块，参考电阻及测量选择模块包含一个精密定值电阻和一个多路选择开关，用于将测量正负端按要求连于参考电阻两端或负载两端，定值电阻和负载串联，参考电阻和负载的两端均连在多路选择开关的选择输入端，FPGA给定测量端则信号，指示将参考电阻的两端或负载的两端与多路选择开关的输出端相连，进而交替实现参考测量与负载测量。
Description
技术领域
本发明属于电学层析成像技术领域，涉及一种基于参考测量的多频电阻抗层析成像系统。
背景技术
电学层析成像技术(Electrical Tomography，ET)是自上世纪80年代后期出现的一种新的基于电特性敏感机理的过程层析成像技术，它的物理基础是不同的媒质具有不同的电特性(电导率/介电系数/复导纳/磁导率)，通过判断敏感场内物体的电特性分布便可推知该场中媒质的分布情况。电学层析成像技术主要包括电阻层析成像(ElectricalResistance Tomography,ERT)、电容层析成像(ElectricalCapacitance Tomography,ECT)、电阻抗层析成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)和电磁层析成像(Electrical MagneticTomography,EMT)。电学层析成像在多相流及生物医学领域有广泛的应用前景，可以实现长期、持续监测。
多频电阻抗层析成像技术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。该技术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，从而可以提取人体生理、病态组织或器官的电特性。由于有效信号的幅值较小且易受干扰，高性能的多频电阻抗层析成像系统要求电流源具有较高的输出阻抗，且输出频率和幅值能根据对象的不同灵活调整。信号采集端要求具有可编程增益放大器，可对测得的信号进行线性处理使其处于ADC芯片的敏感区间内。
生物组织随激励频率变化而产生的电学特性变化主要体现在介电常数上。当激励电流通过非纯阻性负载后，会引起电压的相位变化，这部分相位信息是负载介电常数信息的重要体现。当下多频EIT系统对相位信息的处理主要分为两种：一种是不考虑相位信息，只采集较易获得的幅值信息，例如David Holder等人在2006年发表于《生理测量》(Physiological Measurement)第27卷，S199-S210页，题为《用于急性中风成像的便携式多频EIT系统的设计与校准》(Design and calibration of a compact multi-frequencyEIT system for acute stroke imaging)的文章以及David Holder等人在2007年发表于《生理测量》(Physiological Measurement)第28卷，S197-S215页，题为《多频EIT仪器误差评论》(A review of errors in multi-frequency EIT instrumentation)的综述文章；另一种是根据激励频率通过计算标定相位信息，例如Daniel Teichmann等人在2016年发表于《传感器》(Sensors)第16卷，第8期，第1158页，题为《基于FPGA的同时多频电阻抗层析成像系统的首次设计》(System description and first application of an FPGA-basedsimultaneous multi-frequency electrical impedance tomography)的文章。第一种方法放弃了重要的相位信息，在生物阻抗信息的采集中是不可取的。第二种方法只适用于标定ADC、DAC、滤波器等产生的相移，对于其他如杂散电容引入的相移并不适用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提出一种新的多频电阻抗层析成像系统。本发明引入参考测量电路，将参考电阻和负载串联，通过测量参考定值电阻上的电压信号追踪实际的电流信息。通过比较解调得到的参考电阻和负载上的相位信息，得到负载实际产生的调制相位差，可进一步得到负载的介电常数信息，满足生物电阻抗测量系统的要求。
本发明的技术方案如下：
一种基于参考测量的多频电阻抗层析成像系统，包括激励电流源、参考电阻及测量选择模块、数据采集及处理模块，其特征在于，
激励电流源包括DDS模块、幅值控制和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VCCS模块等。其中，DDS模块基于ISE内自带的DDS IP核，在FPGA内部构建，输出满足需要的数字波形；幅值控制和D/A转换模块由可实现输出可调的D/A变换，输出符合要求的模拟电流；差分放大模块将前级输出的模拟电流转换为模拟电压，经由低通滤波电路和VCCS电路输出高精度的激励电流；
参考电阻及测量选择模块包含一个精密定值电阻和一个多路选择开关，用于将测量正负端按要求连于参考电阻两端或负载两端，定值电阻和负载串联，参考电阻和负载的两端均连在多路选择开关的选择输入端，FPGA给定测量端则信号，指示将参考电阻的两端或负载的两端与多路选择开关的输出端相连，进而交替实现参考测量与负载测量。
本发明通过加入参考测量，将参考测量值与负载测量值直接进行比较，避免了测量结果受到电路中杂散电路的影响，得到完全由实际负载引起的幅值变化和相位差。与现今存在的计算标定等方法相比，本发明无疑可获得更接近实际的负载的容性信息，对电阻抗层析成像在生物体测量中的应用具有重大意义。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明激励源的结构框图；
图3为本发明VCCS的硬件连接图；
图4为本发明的参考电阻及测量选择电路的原理图；
图5为本发明的测量选择电路的硬件连接图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的一种基于参考测量的多频电阻抗层析成像系统进行详细说明。
图1所示为本发明的结构框图。如图所示，应用FPGA内部的DDS IP核构建输出的数字正弦波，通过接口程序转化为DAC芯片可识别的原码数据流，经D/A电路、低通滤波电路、VCCS电路后转化为幅值可调、频率可控的激励电流；参考电阻和负载在电路中为串联的形式，多路开关用于选定激励和测量的电极；参考电阻和负载上的电压经选择开关同时只能有一个进入数据采集处理模块；接受的电压信号经差分放大电路、可编程增益放大器、ADC芯片后转换为数字信号进入FPGA内部；数字信号在FPGA内部进行数字相敏解调，解调得到的幅值和相位信息储存在FIFO中，一个测量周期满后将一组数据通过USB传输到上位机进行图像重建与显示。整个过程由FPGA内部构造的PICOBLAZE微处理器软核控制。
图2所示是本发明激励源的结构框图。激励电流源包括FPGA内部的波形生成模块、幅值控制模块、D/A转换模块、差分放大模块、低通滤波模块、VCCS模块等。DDS模块在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，将其转换为模拟参考电压输出，D/A转换模块能够接收此参考电压，实现电流输出。此输出电流经由差分放大电路可转换为模拟电压，经低通滤波电路可将电压中的高频噪声滤除，再经压控电流源(VCCS)电路转换为电流驱动信号作为多频EIT系统的激励信号。
图3所示为VCCS电路硬件连接图。本电路为传统电流镜电路和差分结构的组合拓扑电路。AD844芯片的电压输出中的直流分量被反馈回电压输入端，通过此负反馈结构去除输出中的直流成分，防止对容性负载充电。差分结构为反相放大器与电压跟随器的组合，使得负载两端的电压值互为相反数，相比较传统EIT系统中将过负载电流接地的方式，本方法可有效提高电流源的输出阻抗，并减小共模干扰。
图4所示为参考选择电路的原理图。在一个测量周期内，对参考电阻的压降测量一次，作为实际电流值的标定值，此标定值与负载的实测值均通过数字正交解调获得相应的幅值和相位信息。比较两者的幅值和相位信息可获得实际负载的电导率和介电常数信息。图5所示为这部分的硬件连接图。选用多路数字开关芯片DG413DY实现测量通道选择功能。FPGA输出的控制字指令(0或1)可选择测量端接参考电阻或负载。其中，实际由负载引起的电压的幅值变化和相位差可由下式表示：
式中，Ux和Ur分别为解调得到的负载和参考电阻上的幅值，φx和φr分别为解调得到的负载和参考电阻上的相位值，A和分别为负载引起的电压线性变换倍数和相位差。
以上所述为本发明的主体结构和若干典型电路，本发明不局限于附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都在本发明保护的范围。
Claims (1)
1.一种基于参考测量的多频电阻抗层析成像系统，包括激励电流源、参考电阻及测量选择模块、数据采集及处理模块，其特征在于，
激励电流源包括DDS模块、幅值控制和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VCCS模块等。其中，DDS模块基于ISE内自带的DDS IP核，在FPGA内部构建，输出满足需要的数字波形；幅值控制和D/A转换模块由可实现输出可调的D/A变换，输出符合要求的模拟电流；差分放大模块将前级输出的模拟电流转换为模拟电压，经由低通滤波电路和VCCS电路输出高精度的激励电流；
参考电阻及测量选择模块包含一个精密定值电阻和一个多路选择开关，用于将测量正负端按要求连于参考电阻两端或负载两端，定值电阻和负载串联，参考电阻和负载的两端均连在多路选择开关的选择输入端，FPGA给定测量端则信号，指示将参考电阻的两端或负载的两端与多路选择开关的输出端相连，进而交替实现参考测量与负载测量。
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