一種用于電阻抗成像的高精度數據采集系統技術方案

本發明專利技術公開了一種新的用于電阻抗成像的高精度數據采集系統，該系統采用主控制模塊、可編程電流源、電極接口模塊、電壓測量模塊、電流檢測模塊、數字解調模塊、通訊接口模塊等構建，通過電流檢測模塊和可編程電流源實現成像目標區域激勵電流的準確調控、通過電極接口模塊中的電極選擇開關系統實現分布差數的有效抑制、電極接口模塊中的電極導線雙重屏蔽系統實現外界干擾的有效阻斷、通過數字解調模塊實現響應信號與激勵信號的相關解調?？梢杂行б种齐娮杩钩上駭祿杉到y中的分布參數與外界干擾的影響問題，降低測量結果的非線性誤差并提高測量數據的信噪比，破解電阻抗成像研究中數據采集精度難以進一步提高的關鍵性問題，有著重要的應用價值。

【技術實現步驟摘要】
一種用于電阻抗成像的高精度數據采集系統
本專利技術屬于電阻抗成像
，涉及電阻抗成像數據采集技術，特別是一種用于電阻抗成像的數據采集系統。該系統通過對激勵電流的反饋調控、電極接口的合理設計和被測阻抗信息的準確解調，實現電阻抗信息的準確采集，以滿足電阻抗成像要求。
技術介紹
電阻抗成像技術基于不同的生物組織具有不同的電阻率特性、病理生理功能的改變也會顯著改變組織電阻抗特性這一特點，通過貼放在體表的電極依次向人體注入弱的、對人體完全無創的交流電流，并測量各相關電極對上的響應電壓信號，再通過特定的圖像重構算法構建出能反應目標區域內組織電阻率分布情況的圖像的新型醫學成像技術。由于活體組織的電阻率與組織的功能狀態密切相關，因而電阻抗成像技術具有功能成像優勢，能夠實現相關疾病的超早期檢測。加之成像過程中不需要使用射線、核素等對人體有害的媒介，具有無創、低成本等優勢，能較好彌補現有醫學成像技術的不足，因而是當前相關領域的研究熱點。在電阻抗成像過程中，由于電流在體內的非線性分布特性，圖像重構過程具有嚴重的病態性，測量數據的微小擾動有可能導致較大的重構誤差，因而要求數據采集系統具有極高的測量精度。一般認為，對于用于胸腹部成像的系統，其測量精度應優于0.1％，而對于用于腦部的系統，其測量精度應優于0.01％。在電阻抗成像常用的頻率范圍內，如何達到如此高的測量精度是當前電阻抗成像
中的兩大關鍵難題之一。電阻抗成像數據采集系統一般主要由激勵源、電壓測量模塊和電極接口模塊等部分共同構成。其中激勵源依據需要產生所需頻率與幅度的激勵電流信號，并通過接口模塊，依次選擇所需的激勵電極注入成像目標內；隨后電壓測量電路通過接口模塊依次測量各測量電極對上的響應電壓差信號，并解調成相應的數字信號，傳給上位機中的圖像重構模塊進行圖像重構。在這一過程中，不僅激勵源與電壓測量模塊自身的性能會對系統的最終測量精度產生重要影響，電極接口模塊中的電子開關、電極引線等關鍵部件也會對測量系統產生重要影響，處理不好會顯著降低系統的性能。既往的研究表明，在激勵源和電壓測量模塊相對成熟的情況下，電極接口模塊中用于電子開關的輸入/輸出端等效電容、電極導線的分布參數是引入外界干擾、分流激勵電流、改變目標區域電流分布并加重非線性誤差，從而最終導致系統測量精度惡化的主要環節。如何降低這種影響是進一步提高電阻抗成像系統研發中的關鍵問題。為此，國外有研究采用有源電極技術建立并行化的數據采集系統，在各電極上均直接集成上激勵源與電壓測量模塊的前端電路，以期減少電子開關的使用，并消除電極導線的影響。但這種方法并不能完全避免電子開關的使用，而且并行化的結構不僅會導致成像系統結構變得極為復雜，增加系統造價，還會因各通道間的一致性問題引入新的誤差。電極導線的取消也會導致系統使用的便捷性大大降低，無法用于長時間的連續動態監護等應用場合。故而這種方法應用較少，也未取得較好的結果。針對分布參數的分流作用對激勵電流的影響問題，有研究提出在電流源的輸出端并聯負阻抗發生器，用以生成與這些分布參數大小相等、方向相反的負阻抗負載，中和分布參數影響的解決思路，但由于負阻抗發生器一方面存在只能針對固定的頻率進行中和，難以適應寬頻系統使用要求的問題，另一方面還存在著會嚴重影響系統的穩定性，易導致測量系統自激振蕩的問題，因而尚未被廣泛接受。因而圍繞電極接口環節對系統測量精度的影響，專利技術一種能夠有效改善接口模塊性能的系統化的綜合解決方案，從而顯著提高電阻抗信息采集的準確性與可靠性，在電阻抗成像等相關
中有著重要的應用價值，并將對電阻抗成像技術的進一步研究與應用產生積極的推進作用。
技術實現思路
針對現有電阻抗成像技術對高精度電阻抗信息采集的需求，以及現有數據采集技術中存在的問題，本專利技術的目的在于，提供一種新的電阻抗成像數據采集系統的實現技術與方法，以達到對激勵電流的精準控制和對外界干擾的有效抑制，從而進一步提高電阻抗信息采集準確性與可靠性。為了實現上述任務，本專利技術采取如下的技術解決方案予以實現：一種用于電阻抗成像的高精度數據采集系統，其特征在于，該系統的主要部件包括：一系列粘貼于被測目標表面的電極，用于采集目標區域的電阻抗信息；一個可編程電流源，用以產生所需頻率與幅度的激勵電流信號；一個電極接口模塊，用于選擇激勵與測量電極；一個電壓測量模塊，用于測量選定電極對間的響應電壓差信號；一個電流檢測模塊，用于檢測實際注入目標區域的電流強度；一個數字解調模塊，用于計算被測電阻抗信息；一個通訊接口模塊，用于與上位機進行通訊并上傳采集到的電阻抗信息；一個主控制模塊，該主控制模塊分別連接可編程電流源、數字解調模塊、電極接口模塊、通訊接口模塊，用于對系統工作狀態與采集過程進行控制，該主控制模塊依據上位機的指令對依據所建立的數據采集系統工作狀態進行配置并對數據采集過程進行管理；在數據采集過程中，主控制模塊實時監測激勵電流的實際強度，當實際電流強度與預期值偏離達到一定程度時，自動調節可編程電流源的輸出幅值，以確保成像目標區域實際注入的電流滿足要求。在上述的用于電阻抗成像的高精度數據采集系統中，所述的可編程電流源由可編程信號發生器和電壓電流轉換器共同構成，其中：所述的可編程信號發生器的輸出信號幅度可控，幅度調控分辨率不低于12位，且在輸出幅度調整過程中，輸出信號的相對諧波失真量不發生顯著改變；所述電壓電流轉換器可將輸入電壓按特定比例轉換成電流信號輸出，且輸出電流可通過公共的參考地電平返回。在上述的用于電阻抗成像的高精度數據采集系統中，所述的電極接口模塊由電極導線雙重屏蔽系統和電極選擇開關系統共同組成，其中；所述的電極導線雙重屏蔽系統由電極導線和針對每根電極的屏蔽驅動單元共同構成；所述的電極導線由多根同軸電纜和包裹于這些同軸電纜外圍的總屏蔽層共同構成；各電纜的芯線分別與1個電極相連，屏蔽層與上述的屏蔽驅動單元相連；總屏蔽層與地電平相連；所述的屏蔽驅動單元由1個具有高輸入阻抗特性的電極電壓緩沖器級聯1個具有高輸出負載能力的屏蔽驅動器共同構成。在上述的用于電阻抗成像的高精度數據采集系統中，所述的屏蔽驅動單元中的電極電壓緩沖器的輸入端與上述同軸電纜的芯線直接相連用于檢測電極電位，其增益為1，其對地等效電容與上述的電極選擇開關的分布電容之和應不超過5pF，輸入阻抗不小于10MΩ；所述的屏蔽驅動器的輸出端與同軸電纜的屏蔽層相連，其增益為1并具備驅動0.1uF以上的容性負載能力。在上述的用于電阻抗成像的高精度數據采集系統中，所述的電極接口模塊中的電極選擇開關系統為上述的可編程電流源分配1個“一選多”電子開關以選擇激勵電流注入電極；為各電極分別分配1個單刀雙擲電子開關用以確定是將電極連接到電流源選擇電子開關還是電流檢測模塊；其中：所述的單刀雙擲電子開關的分布電容與上述電極電壓緩沖器的對地等效電容之和應不超過5pF，導通電阻應滿足如下公式：在上述的用于電阻抗成像的高精度數據采集系統中，所述的電壓測量模塊主要由差分放大器和程控增益放大器構成，可以采用以下模式之一組成：1)串行測量模式：由1個差分放大器、1個程控增益放大器和1個“多選二”電子開關共同構成：“多選二”電子開關用于通過上述的多個電極電壓緩沖器選擇1對待測電極上的電位信號，并本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于電阻抗成像的高精度數據采集系統，其特征在于，該系統的主要部件包括：一系列粘貼于被測目標表面的電極，用于采集目標區域的電阻抗信息；一個可編程電流源，用以產生所需頻率與幅度的激勵電流信號；一個電極接口模塊，用于選擇激勵電極與測量電極；一個電壓測量模塊，用于測量選定電極對間的響應電壓差信號；一個電流檢測模塊，用于檢測實際注入目標區域的電流強度；一個數字解調模塊，用于計算被測電阻抗信息；一個通訊接口模塊，用于與上位機進行通訊并上傳采集到的電阻抗信息；一個主控制模塊，該主控制模塊分別連接可編程電流源、數字解調模塊、電極接口模塊、通訊接口模塊，用于對系統工作狀態與采集過程進行控制，該主控制模塊依據上位機的指令對依據所建立的數據采集系統工作狀態進行配置并對數據采集過程進行管理；在數據采集過程中，主控制模塊實時監測激勵電流的實際強度，當實際電流強度與預期值偏離達到一定程度時，自動調節可編程電流源的輸出幅值，以確保成像目標區域實際注入的電流滿足要求。

【技術特征摘要】
1.一種用于電阻抗成像的高精度數據采集系統，其特征在于，該系統的主要部件包括：一系列粘貼于被測目標表面的電極，用于采集目標區域的電阻抗信息；一個可編程電流源，用以產生所需頻率與幅度的激勵電流信號；一個電極接口模塊，用于選擇激勵電極與測量電極；一個電壓測量模塊，用于測量選定電極對間的響應電壓差信號；一個電流檢測模塊，用于檢測實際注入目標區域的電流強度；一個數字解調模塊，用于計算被測電阻抗信息；一個通訊接口模塊，用于與上位機進行通訊并上傳采集到的電阻抗信息；一個主控制模塊，該主控制模塊分別連接可編程電流源、數字解調模塊、電極接口模塊、通訊接口模塊，用于對系統工作狀態與采集過程進行控制，該主控制模塊依據上位機的指令對依據所建立的數據采集系統工作狀態進行配置并對數據采集過程進行管理；在數據采集過程中，主控制模塊實時監測激勵電流的實際強度，當實際電流強度與預期值偏離達到一定程度時，自動調節可編程電流源的輸出幅值，以確保成像目標區域實際注入的電流滿足要求；針對每個所述電極，分別設置1個單獨的電流檢測器；各所述電流檢測器與電極之間通過電極接口模塊中的單刀雙擲開關控制；所述電流檢測器包括相并聯的運算放大器和反饋電阻R，應用運算放大器的虛短效應使電流檢測輸入端達到虛地效果；工作時，所述主控制器將電流返回端電極與相應的電流檢測器連通，電流檢測器將該電流轉換成與之成正比例關系的電壓信號，并通過“多選一”電子開關傳給所述數字解調模塊，進行電流幅度的解調運算。2.如權利要求1所述的用于電阻抗成像的高精度數據采集系統，其特征在于，所述的可編程電流源由可編程信號發生器和電壓電流轉換器共同構成，其中：所述的可編程信號發生器的輸出信號幅度可控，幅度調控分辨率不低于12位，且在輸出幅度調整過程中，輸出信號的相對諧波失真量不發生顯著改變；所述電壓電流轉換器可將輸入電壓按特定比例轉換成電流信號輸出，且輸出電流可通過公共的參考地電平返回。3.如權利要求1所述的用于電阻抗成像的高精度數據采集系統，其特征在于，所述的電極接口模塊由電極導線雙重屏蔽系統和電極選擇開關系統共同組成，其中：所述的電極導線雙重屏蔽系統由電極導線和針對每根電極的屏蔽驅動單元共同構成；所述的電極導線由多根同軸電纜和包裹于這些同軸電纜外圍的總屏蔽層共同構成；各電纜的芯線分別與1個電極相連，屏蔽層與上述的屏蔽驅動單元相連；總屏蔽層與地電平相連；所述的屏蔽驅動單元由1個具有高輸入阻抗特性的電極電壓緩沖器級聯1個具有高輸出負載能力的屏蔽驅動器共同構成。4.如權利要求3所述的用于電阻抗成像的高精度數據采集系統，其特征在于，所述的屏蔽驅動單元中的電極電壓緩沖器的輸入端與上述同軸電纜的芯線直接相連用于檢測電極電位，其增益為1，其對地等效電容與上述的電極選擇開關的分布電容之和應不超過5pF，輸入阻抗不小于10MΩ；所述的屏蔽驅動器的輸出端與同軸電纜的屏蔽層相連，其增益為1并具...

【專利技術屬性】
技術研發人員：史學濤，董秀珍，尤富生，季振宇，付峰，劉銳崗，徐燦華，楊濱，代萌，李靖，
申請(專利權)人：中國人民解放軍第四軍醫大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61