專利名稱：一種用于床旁圖像監(jiān)護(hù)的電阻抗斷層成像方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療器械或儀器，涉及一種可用于床旁圖像監(jiān)護(hù)的電阻抗斷層成像方法及其裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在臨床診斷和治療中有些發(fā)病率很高的疾病需要能用于床旁監(jiān)護(hù)的成像技術(shù)腦卒中、顱腦損傷亞急性病變、慢性顱內(nèi)出血，手術(shù)后腦部并發(fā)癥、新生兒顱內(nèi)出血、腹部臟器延遲性內(nèi)出血或局部缺血、器官移植等都需要床旁圖像監(jiān)護(hù)技術(shù)。
而現(xiàn)有的成像技術(shù)都不能用于床旁圖像監(jiān)護(hù)如現(xiàn)有的CT、MRI、PET、超聲等不僅需要龐大的設(shè)備和高昂的費(fèi)用，操作復(fù)雜，對(duì)人體有一定損害，而且都不可能做到床旁動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)圖像監(jiān)護(hù)。在臨床應(yīng)用領(lǐng)域，床旁圖像監(jiān)護(hù)仍是一個(gè)空白，致使不少病人在臨床診斷和治療中喪失最佳搶救時(shí)機(jī)。
電阻抗成像就是通過(guò)給人體施加安全電激勵(lì)、體外測(cè)量響應(yīng)信號(hào)，來(lái)重建人體內(nèi)部的電阻率或其變化分布的圖像。
該技術(shù)在床旁功能圖像監(jiān)護(hù)方面的優(yōu)勢(shì)首先對(duì)功能變化的敏感性，它提取的是與組織功能變化相關(guān)的電特性，對(duì)那些影響電特性的因素，如血液的流動(dòng)與分布，體液變化等非常敏感，形成的圖像是功能圖像，其次，不使用核素或射線，無(wú)毒無(wú)害，無(wú)損傷，能多次測(cè)量，重復(fù)使用，第三，設(shè)備小型，成本較低。
電阻抗成像技術(shù)是基于人體的不同組織有不同電阻抗這一物理原理，給人體施加安全的電流(電壓)，從體表測(cè)量電壓(電流)，利用體表測(cè)量信號(hào)重建出反映人體內(nèi)阻抗分布的圖像。在以人體阻抗分布的絕對(duì)值為成像目標(biāo)的靜態(tài)成像方面，由于對(duì)系統(tǒng)要求苛刻，目前僅處于實(shí)驗(yàn)室研究階段；在以人體阻抗分布的相對(duì)變化量為成像目標(biāo)的動(dòng)態(tài)成像方面，如今所報(bào)道的成像系統(tǒng)出自英國(guó)、美國(guó)、芬蘭、法國(guó)以及土耳其等國(guó)的幾十個(gè)研究組。他們?cè)谧杩钩上竦呐R床應(yīng)用研究方面進(jìn)行多方面的探索，在消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、腦、心臟、乳腺等功能成像有這對(duì)性地做了大量工作，但是由于阻抗圖像的分辨率還不夠高，不能達(dá)到目前CT、MRI的分辨率的水平，不能像CT、MRI一樣用做臨床病變得精確檢測(cè)，至今沒(méi)有取得突破。
國(guó)內(nèi)目前的阻抗成像技術(shù)研究是以申請(qǐng)人為主進(jìn)行的，此外還有天津大學(xué)、重慶大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)等，目前還都在基礎(chǔ)研究階段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，充分發(fā)揮申請(qǐng)人在阻抗成像在功能圖像監(jiān)護(hù)研究方面的優(yōu)勢(shì)，把阻抗成像技術(shù)的臨床應(yīng)用定位于其他成像技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的、臨床又很需要的功能圖像監(jiān)護(hù)。根據(jù)多年的研究結(jié)果，為臨床提供一種用于床旁圖像監(jiān)護(hù)的電阻抗斷層成像方法及其裝置，并提出了用于床旁監(jiān)護(hù)的阻抗成像的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像重構(gòu)算法以及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。
實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是用于床旁圖像監(jiān)護(hù)的電阻抗斷層成像方法，由整體的計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和重構(gòu)圖像的算法，提供界面，控制圖像監(jiān)護(hù)的過(guò)程；其特點(diǎn)是，至少包括以下步驟1)采用多對(duì)電極，將激勵(lì)電流加到人體，并將人體的信號(hào)傳到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；2)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供交流恒流激勵(lì)、高精度信號(hào)檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)測(cè)量模式程控設(shè)置功能；3)根據(jù)采集到的電壓信號(hào)，由計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)置的重構(gòu)圖像的算法計(jì)算體內(nèi)電阻率變化的分布，并顯示圖像。
上述交流恒流激勵(lì)、高精度信號(hào)檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)測(cè)量模式程控設(shè)置功能分別為交流恒流激勵(lì)功能
采用模擬振蕩、鎖相環(huán)及直接數(shù)字合成技術(shù)，包括產(chǎn)生頻率在50KHz左右的正弦信號(hào)并實(shí)現(xiàn)恒流輸出，和產(chǎn)生與激勵(lì)信號(hào)同步的解調(diào)控制信號(hào)及A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)控制信號(hào)；高精度信號(hào)檢測(cè)功能包括高精度信號(hào)放大、動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整、高精度解調(diào)及數(shù)據(jù)采集；驅(qū)動(dòng)及測(cè)量模式程控設(shè)置功能包括①按需要的驅(qū)動(dòng)模式將激勵(lì)信號(hào)加載到多對(duì)驅(qū)動(dòng)電極中的一對(duì)電極上；②按需要的測(cè)量模式將多對(duì)個(gè)測(cè)量電極中的一對(duì)電極上的信號(hào)加載到信號(hào)放大電路的輸入端。
所述重構(gòu)圖像的算法是采用動(dòng)態(tài)的等位線反投影法，該等位線反投影法基于對(duì)所成像目標(biāo)所作的如下假設(shè)①被成像目標(biāo)阻抗分布為二維；②區(qū)域邊界為圓；③電極在邊界上為等間隔分布；④目標(biāo)區(qū)域內(nèi)電阻抗分布的擾動(dòng)與阻抗分布的絕對(duì)值相比很小，從而使邊界電壓的擾動(dòng)與阻抗分布擾動(dòng)成近似線性關(guān)系；等電位線阻抗成像實(shí)際上是對(duì)目標(biāo)區(qū)域阻抗分布擾動(dòng)的成像若在阻抗分布為σ(x，y)的目標(biāo)區(qū)域周圍加載一組驅(qū)動(dòng)電流，得到一組響應(yīng)電壓為V0，阻抗分布發(fā)生一個(gè)較小變化(擾動(dòng))后，σ(x，y)→σ(x，y)+Δσ(x，y)，測(cè)得響應(yīng)電壓為V1，將兩組電壓差規(guī)則化后進(jìn)行反投影，即可得到阻抗分布的擾動(dòng)。
一種實(shí)現(xiàn)上述用于床旁圖像監(jiān)護(hù)的電阻抗斷層成像方法的裝置，包括一計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)和一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，其特征在于，計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)置有控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序和重構(gòu)圖像的算法，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還設(shè)置有多對(duì)將激勵(lì)電流加到人體采集人體的信號(hào)的電極系統(tǒng)(目前采用心電或腦電電極)；上述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括一激勵(lì)源模塊，用于產(chǎn)生頻率在50KHz左右的正弦信號(hào)并實(shí)現(xiàn)恒流輸出，和產(chǎn)生與激勵(lì)信號(hào)同步的解調(diào)控制信號(hào)及A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)控制信號(hào)；一信號(hào)檢測(cè)模塊，用于信號(hào)放大、動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整、高精度解調(diào)及數(shù)據(jù)采集；一D/A轉(zhuǎn)換模塊，用于D/A的選擇及波形發(fā)生電路的實(shí)現(xiàn)；一激勵(lì)模式設(shè)置模塊，用于按需要的驅(qū)動(dòng)模式將激勵(lì)信號(hào)加載到多對(duì)驅(qū)動(dòng)電極中的一對(duì)電極上；一測(cè)量模式設(shè)置模塊，用于按需要的測(cè)量模式將多對(duì)個(gè)測(cè)量電極中的一對(duì)電極上的信號(hào)加載到信號(hào)放大電路的輸入端。
上述所說(shuō)的電極為32個(gè)。


圖1是本發(fā)明的電阻抗斷層成像裝置的總體框圖，其中a)是框圖，b)是裝置示意圖；圖2是32電極數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖；圖3是激勵(lì)源框圖；圖4是三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的壓控電流源電路圖；圖5是同相并聯(lián)差動(dòng)放大器電路圖；圖6-1是32電極驅(qū)動(dòng)時(shí)的鄰近測(cè)量信號(hào)大小示意圖；圖6-2是16級(jí)增益大小示意圖；圖6-3是經(jīng)PGA后輸出信號(hào)大小示意圖，(Max/Min＝2.40)單位mV；圖6-4是16級(jí)增益時(shí)輸出對(duì)輸入的延遲時(shí)間(μs)示意圖，信號(hào)頻率47KHz；圖7是具有相位校正及動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整的信號(hào)檢測(cè)模塊框圖；圖8是具有相位補(bǔ)償和直流PGA的信號(hào)檢測(cè)模塊電路圖；圖9是32電極硬件系統(tǒng)中信號(hào)波形及時(shí)序示意圖；圖10是MAX306多路開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖；圖11是測(cè)量模式設(shè)置原理圖；
圖12是實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)電極分布示意圖；圖13是反投影區(qū)示意圖，其中D1為等效電偶極子，陰影部分為反投影區(qū)，P為投影區(qū)內(nèi)一像素；圖14是反投影權(quán)值的求取圖示；圖15是反投影過(guò)程示意圖；圖16是成像系統(tǒng)工作流程圖；圖17是軟件系統(tǒng)基本功能圖；圖18是軟件的初始化流程圖；圖19是軟件的參考數(shù)據(jù)幀采集流程圖；圖20是軟件的成像數(shù)據(jù)幀采集流程圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和發(fā)明人依本技術(shù)方案完成的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
1、總體結(jié)構(gòu)本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中a)是框圖，b)是裝置示意圖。
整體的計(jì)算機(jī)控制控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和重構(gòu)圖像的算法，給使用者提供界面，使工作人員能夠控制圖像監(jiān)護(hù)的過(guò)程。
電極采用心電電極或腦電電極，將激勵(lì)電流加到人體，并將人體的信號(hào)傳到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供交流恒流激勵(lì)、高精度信號(hào)檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)測(cè)量模式程控設(shè)置等功能。
圖像重構(gòu)的算法根據(jù)采集到的電壓信號(hào)，計(jì)算體內(nèi)電阻率變化的分布，并顯示圖像。
2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及整體的計(jì)算機(jī)控制2.1.1激勵(lì)源模塊(圖2中1)
一個(gè)完整的采用DDS技術(shù)的激勵(lì)源模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
1)本模塊完成的功能a)產(chǎn)生頻率在50KHz左右的正弦信號(hào)；b)實(shí)現(xiàn)恒流輸出；c)產(chǎn)生與激勵(lì)信號(hào)同步的解調(diào)控制信號(hào)及A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)控制信號(hào)；2)電路結(jié)構(gòu)選取a)正弦波形發(fā)生電路產(chǎn)生頻率已知的正弦信號(hào)，在電路上可以采用模擬振蕩、鎖相環(huán)及直接數(shù)字合成(DDS)等技術(shù)。首選DDS技術(shù)。為減小DDS電路輸出波形的諧波分量，EPROM中每周期波形點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)為128點(diǎn)，理論計(jì)算表明每周期128點(diǎn)正弦數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到的階梯正弦波形中，2次諧波分量為0.52％，3次諧波分量為0.29％。為進(jìn)一步減小輸出信號(hào)諧波分量，在D/A輸出之后設(shè)計(jì)一級(jí)帶通濾波器，將其輸出作為恒流電路的輸入信號(hào)。
b)恒流電路其輸入信號(hào)是交流電壓信號(hào)，輸出信號(hào)是交流恒流信號(hào)，因此選用三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的壓控電流源電路(VCCS)，如圖4所示。
c)控制信號(hào)產(chǎn)生電路選用高速譯碼電路，對(duì)DDS中正弦信號(hào)的特定時(shí)序進(jìn)行譯碼，以產(chǎn)生與激勵(lì)信號(hào)精確同步的解調(diào)控制信號(hào)和A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。
3)主要器件的選擇及功能電路實(shí)現(xiàn)a)D/A的選擇及波形發(fā)生電路的實(shí)現(xiàn)選用12位D/A。按設(shè)計(jì)要求，激勵(lì)頻率在50KHz附近，因每周期中有128點(diǎn)數(shù)據(jù)要經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，所以其轉(zhuǎn)換速率應(yīng)大于50KHz×128＝6.4MHz，即D/A的轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)小于160ns。考慮到將來(lái)激勵(lì)頻率可能會(huì)更高，選擇了AD模擬器件公司的高精度12位AD9713為DDS中的D/A，其轉(zhuǎn)換時(shí)間小于30ns，滿足目前激勵(lì)頻率的需要。
在電路實(shí)現(xiàn)中，選用12MHz晶振作為時(shí)鐘，經(jīng)2分頻后頻率為6MHz，由其控制循環(huán)讀取EPROM中的128點(diǎn)正弦數(shù)據(jù)，經(jīng)AD9713D/A轉(zhuǎn)換后，輸出信號(hào)的實(shí)際頻率為6000/128≈47KHz，周期為21.33μs。
圖9中A、B、C分別為時(shí)鐘、D/A輸出波形、經(jīng)中心頻率47KHz的帶通濾波器后的輸出波形。
對(duì)激勵(lì)電流大小的控制，采用段址譯碼的方法讀出EPROM中不同段址處預(yù)先存放的數(shù)據(jù)，使D/A輸出不同幅值的正弦電壓信號(hào)，經(jīng)壓控電流源后產(chǎn)生幅值不同的恒流激勵(lì)信號(hào)。
b)電壓電流變換電路的實(shí)現(xiàn)優(yōu)選低噪聲、高開(kāi)環(huán)增益運(yùn)算放大器AD829作為恒流輸出放大器，并精密匹配外圍電阻，使匹配誤差小于0.01％；2.1.2信號(hào)檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(圖2中4)1)本模塊的主要功能因此為滿足高精度測(cè)量的需要，本模塊主要功能有如下三個(gè)a)高精度信號(hào)放大；b)動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整；c)高精度解調(diào)及數(shù)據(jù)采集；2)放大電路能滿足高精度、高共模抑制比要求的電壓放大器主要有兩類由三運(yùn)放組成的同相并聯(lián)差動(dòng)放大器(如圖5所示)和單片儀表放大器(Instrumentation Amplifier，IA)。
因此，選擇儀表放大器作為測(cè)量模塊的前置放大器，以高精度的為考慮的主要依據(jù)，選擇低噪聲、低失調(diào)及低失調(diào)漂移的AD624作為前置放大器。
3)動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為了既能調(diào)整信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，又不給信號(hào)附加相移，在進(jìn)一步分析本模塊信號(hào)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示的信號(hào)檢測(cè)模塊。
設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)方法如下a)前置固定增益放大對(duì)測(cè)量電極上的信號(hào)，先進(jìn)行固定增益高精度放大，放大器選用AD624，其內(nèi)部固定增益設(shè)為100，它對(duì)f＝47KHz的被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生1.76μs的延遲。
b)帶通濾波及相移補(bǔ)償為補(bǔ)償前置放大器固定增益對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的固定延遲，并進(jìn)一步提高信噪比，在前置放大器后面設(shè)置了中心頻率為47KHz、Q＝4的二階無(wú)限增益帶通濾波器。利用該濾波器的移相特性，補(bǔ)償前置放大器對(duì)輸入信號(hào)的延遲。
c)同步解調(diào)濾波器輸出信號(hào)經(jīng)同步解調(diào)電路后，其輸出為直流信號(hào)。
d)直流程控增益放大對(duì)解調(diào)電路輸出的直流信號(hào)，采用直流程控增益放大器調(diào)整信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)程控增益放大器的要求是單端輸入、低噪、低輸出漂移、低線性誤差及較高的直流精度。選用AD526 PGA，由程序依信號(hào)大小輸出不同的控制字，設(shè)置其增益為1、2、4、8或16，從而能將輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍從40dB降低到16dB。
這種電路結(jié)構(gòu)形式，既降低了信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，又消除了放大器對(duì)信號(hào)相移的影響。實(shí)驗(yàn)證明這是阻抗成像硬件系統(tǒng)中性能全面、精度較高的信號(hào)放大及處理模塊。其電路原理圖如圖8所示。
4)解調(diào)電路及數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)a)解調(diào)電路的實(shí)現(xiàn)表1 相移及解調(diào)脈寬不同時(shí)，采樣時(shí)刻與保持時(shí)刻的信號(hào)變化(mV)s(2Vp-p周期為21.3μs的正弦信號(hào)) 從圖9E，F(xiàn)及表1都可看出，解調(diào)輸出中的瞬變峰值與解調(diào)脈寬及信號(hào)的相移都有關(guān)系，相移在
區(qū)間上時(shí)，瞬變峰值隨相移增大而增大；相移一定時(shí)，瞬變峰值隨解調(diào)脈寬增大而增大。因此，除了采用上面的相移補(bǔ)償電路外，還應(yīng)當(dāng)選擇窄脈寬解調(diào)電路。選擇了AD模擬器件公司的高精度、高速度采樣保持器AD783。它的特性如下精度達(dá)到滿量程0.01％時(shí)捕捉時(shí)間為250ns，0.02μV/μS的低泄放率，孔徑抖動(dòng)時(shí)間50ps，非線性誤差為滿量程的±0.005％，內(nèi)部設(shè)置保持電容。另外它還采用自校準(zhǔn)專利工藝，以精確保持采?？刂泼}沖下降沿時(shí)刻的輸入信號(hào)值，并減小溫度對(duì)保持值的影響。解調(diào)控制脈沖由激勵(lì)源DDS電路中對(duì)輸出信號(hào)的峰值時(shí)刻同步譯碼、整形、脈寬微調(diào)及光耦隔離后得到，目前脈寬取600ns，解調(diào)輸出信號(hào)中的保持時(shí)刻到采樣時(shí)刻的瞬變峰值小于50mV。
b)數(shù)據(jù)采集方法解調(diào)出的直流信號(hào)經(jīng)直流程控增益放大器調(diào)整動(dòng)態(tài)范圍后，由12位信號(hào)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為防止A/D偶然將信號(hào)中的瞬變尖峰采集到，采用DMA外觸發(fā)方式，對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確定時(shí)同步采樣。圖9G為啟動(dòng)A/D采樣的控制脈沖，它與解調(diào)控制脈沖間固定延遲為5μs，使A/D轉(zhuǎn)換始終在解調(diào)電路的保持穩(wěn)定期內(nèi)進(jìn)行，有效避免了解調(diào)輸出中采樣、保持時(shí)刻的瞬變尖峰對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響，提高了測(cè)量精度。
2.1.3激勵(lì)及測(cè)量模式設(shè)置模塊參見(jiàn)圖2中2(1)、2(2)。模塊主要實(shí)現(xiàn)如下兩個(gè)功能1)按需要的驅(qū)動(dòng)模式將激勵(lì)信號(hào)加載到32個(gè)驅(qū)動(dòng)電極中的一對(duì)電極上，見(jiàn)圖2中2(1)；2)按需要的測(cè)量模式將32個(gè)測(cè)量電極中的一對(duì)電極上的信號(hào)加載到信號(hào)放大電路的輸入端，見(jiàn)圖2中2(2)。
無(wú)論是激勵(lì)還是測(cè)量模式，該模塊加載的信號(hào)均為交流低電流(小于10mA)信號(hào)，因此考慮采用多路高速電子開(kāi)關(guān)器件。選擇了MAXIM公司的MAX306 16選1 CMOS多路開(kāi)關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。它作為DG406、DG407、DG506A和DG507A等16選1多路開(kāi)關(guān)的升級(jí)產(chǎn)品，其導(dǎo)通電阻小于100Ω，通道間匹配誤差小于5Ω，通道串?dāng)_小于-92dB，COM端泄漏電流小于20nA，開(kāi)關(guān)時(shí)間小于400nS。其性能滿足的設(shè)計(jì)要求。
圖11為設(shè)計(jì)的32選2任意測(cè)量模式設(shè)置模塊原理圖，利用MAX306的EN控制端，將兩片MAX306級(jí)聯(lián)，組成一個(gè)32選1的多路開(kāi)關(guān)，如圖11中的SW1(1-16)和SW1(17-32)所示。兩組32選1的開(kāi)關(guān)并聯(lián)便實(shí)現(xiàn)了32選2任意模式設(shè)置功能。驅(qū)動(dòng)模式設(shè)置模塊的原理圖與圖11相似，它們間的區(qū)別是信號(hào)流程相反。
3、實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集接口要求及實(shí)現(xiàn)3.1概述申請(qǐng)人提出了一種通過(guò)編寫(xiě)Windows95虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(VirtualDevice Driver，VxD)完成對(duì)硬件操作的方法，從而解決了實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的問(wèn)題。
3.1.1基于32位Windows平臺(tái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集接口(圖2中5)在成像系統(tǒng)的ADC采用12位AC1220數(shù)據(jù)采集卡，采樣頻率200kHz。為滿足實(shí)時(shí)成像數(shù)據(jù)采集速度的要求，AD可以工作在中斷方式或DMA方式，但出于對(duì)系統(tǒng)并行化及可擴(kuò)展性考慮，采用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
盡管DMA控制器是PC的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之一，32位的Windows也為其提供了虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，但由于目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)AD板都不是32位Windows的PnP(即插即用)器件，因而操作系統(tǒng)提供的DMA虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序并不能針對(duì)現(xiàn)有的AD板使用，而必須編寫(xiě)自己的ADDMA虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
為AC1220編寫(xiě)32位Windows虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序另一個(gè)技術(shù)障礙是DMA的內(nèi)存映射(Mapping)，也就是說(shuō)為了完成直接內(nèi)存存取，需要在主內(nèi)存中保留一段物理地址上連續(xù)的內(nèi)存區(qū)，并將其地址寫(xiě)入AD板上的地址寄存器，以便將采樣結(jié)果順序存入這段主內(nèi)存中，進(jìn)而完成后續(xù)處理。由于應(yīng)用程序能訪問(wèn)的地址為線性地址，而硬件設(shè)備能識(shí)別的只能是物理地址，因而必須在申請(qǐng)內(nèi)存之后分別將物理地址和線性地址傳遞給AD板和應(yīng)用程序。這里采用DDK提供的_PageAllocate功能調(diào)用(匯編或C格式)申請(qǐng)主內(nèi)存中一段物理地址連續(xù)的內(nèi)存區(qū)，并用_MapPhysToLinear調(diào)用(匯編格式)將物理地址轉(zhuǎn)換為線性地址，保存在回調(diào)函數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。由于AC1220地址寄存器只支持24位尋址——即最大物理地址為16M，因而在申請(qǐng)DMA映射區(qū)時(shí)必須將其限制在16M以下。
3.1.2 ADDMA.VxD描述虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序ADDMA.VxD提供了4個(gè)功能調(diào)用①DMA數(shù)據(jù)采樣；②AD狀態(tài)查詢；③DMA狀態(tài)查詢；④DMA緩沖區(qū)釋放。功能①主要完成申請(qǐng)DMA緩沖區(qū)、DMA控制器設(shè)置、AD端口設(shè)置等功能。DMA緩沖區(qū)為一連續(xù)內(nèi)存塊，在得到這一緩沖區(qū)的同時(shí)必須為VxD返回緩沖區(qū)的物理地址，為應(yīng)用程序返回其線性地址，其中物理地址用于寫(xiě)DMA控制器地址寄存器，線性地址用于讀取所采集數(shù)據(jù)。功能②及③主要控制DMA及AD的結(jié)束；功能④釋放DMA緩沖區(qū)。
虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以通過(guò)靜態(tài)加載，也可以通過(guò)Win95 SDK提供的CreateFile()函數(shù)動(dòng)態(tài)加載。在實(shí)時(shí)成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用動(dòng)態(tài)加載，VxD的各個(gè)功能調(diào)用通過(guò)DeviceIoControl()函數(shù)實(shí)現(xiàn)，有關(guān)CreateFile()和DeviceIoControl()兩函數(shù)的調(diào)用詳細(xì)介紹請(qǐng)參閱Microsoft提供的Win32SDK有關(guān)API文檔。
采樣參數(shù)通過(guò)如下結(jié)構(gòu)由應(yīng)用程序傳遞給虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序typedef struct DmaParameters{USHORT uAdTime；//采樣間隔USHORT uAdLength；//采樣長(zhǎng)度DWORD lpDmaAdr；//DMA緩沖區(qū)物理地址USHORT uAdChEnd；//AD結(jié)束通道號(hào)USHORT uDmaCh；//DMA通道號(hào)USHORT uTriger；//采樣啟動(dòng)觸發(fā)標(biāo)志}AdDmaIoP；具體調(diào)用過(guò)程的實(shí)現(xiàn)通過(guò)DeviceIoControl()函數(shù)完成。
源程序由 Masm6.11、Visual C++(5.0)、Win95 DDK共同編譯、鏈接生成VxD。
4、實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)阻抗重構(gòu)成像算法由于從邊界電壓、電流關(guān)系計(jì)算目標(biāo)電阻抗分布是一個(gè)典型的偏微分方程逆問(wèn)題，采用解析法求解這一問(wèn)題非常困難，在實(shí)際應(yīng)用中阻抗重構(gòu)主要采用迭代和近似線性化方法，由于靜態(tài)的迭代算法(如N-R重構(gòu)算法)占用時(shí)間較長(zhǎng)，目前不適合用于實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，因而的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)中，采用了動(dòng)態(tài)的等位線反投影法。
等位線反投影法基于對(duì)所成像目標(biāo)所作的如下假設(shè)①被成像目標(biāo)阻抗分布為二維；②區(qū)域邊界為圓；③電極在邊界上為等間隔分布；④目標(biāo)區(qū)域內(nèi)電阻抗分布的擾動(dòng)與阻抗分布的絕對(duì)值相比很小，從而使邊界電壓的擾動(dòng)與阻抗分布擾動(dòng)成近似線性關(guān)系；等電位線阻抗成像實(shí)際上是對(duì)目標(biāo)區(qū)域阻抗分布擾動(dòng)的成像若在阻抗分布為σ(x，y)的目標(biāo)區(qū)域周圍加載一組驅(qū)動(dòng)電流，得到一組響應(yīng)電壓為v0，阻抗分布發(fā)生一個(gè)較小變化(擾動(dòng))后，σ(x，y)→σ(x，y)+Δσ(x，y)，測(cè)得響應(yīng)電壓為V1，將兩組電壓差規(guī)則化后進(jìn)行反投影，即可得到阻抗分布的擾動(dòng)。
4.1反投影等電位線法是一種近似線性化的阻抗重構(gòu)方法，其主要思想來(lái)源于早期的X線CT成像技術(shù)。每一對(duì)驅(qū)動(dòng)電極加載驅(qū)動(dòng)電流后在目標(biāo)區(qū)域形成一個(gè)特定的電場(chǎng)分布，將兩驅(qū)動(dòng)電極形成的這樣一個(gè)電場(chǎng)等效為一個(gè)電偶極子產(chǎn)生的電場(chǎng)，電偶極子位于兩電極中心，這樣由電偶極子到各測(cè)量電極存在一系列等電位線，相鄰等電位線之間的區(qū)域即為反投影區(qū)，將阻抗擾動(dòng)前后測(cè)得的電壓差迭加到這個(gè)區(qū)域即可，將所有投影的電壓差反投影回對(duì)應(yīng)投影區(qū)后，便得到了區(qū)域電阻抗分布的擾動(dòng)(變化)。圖13描述了反投影過(guò)程。
反投影區(qū)的計(jì)算是一個(gè)電場(chǎng)計(jì)算的正向問(wèn)題，采用有限元法(FiniteElement Method，F(xiàn)EM)計(jì)算電位分布，得到反投影區(qū)。
4.2加權(quán)電阻抗成像中由于測(cè)量和驅(qū)動(dòng)都是在目標(biāo)區(qū)域邊界進(jìn)行，因而造成了得到的信息對(duì)邊界區(qū)域電阻抗變化敏感，而對(duì)中心區(qū)域的變化不敏感，這種差別會(huì)帶來(lái)成像中的誤差。為此在反投影時(shí)位于中心區(qū)域和邊緣區(qū)域的像素點(diǎn)應(yīng)該有大小不同的權(quán)重。采用如下方法求取反投影的權(quán)值。
如圖14所示P為一像素，與圓心距離為d，與等效驅(qū)動(dòng)電偶極子距離為r，則P點(diǎn)的權(quán)值為
w=1-d2r2]]>在實(shí)際成像中，先計(jì)算好各反投影區(qū)內(nèi)各像素或FEM單元的權(quán)值，在反投影時(shí)先將測(cè)得的電壓擾動(dòng)與該像素或單元的權(quán)值相乘再反投影回該像素或單元。
4.3算法的程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了成像系統(tǒng)軟件，該軟件基于32位的Windows(Windows95/Windows 98/Windows NT)平臺(tái)，編程采用Visual C++，代碼具有較好的可移植性和可擴(kuò)展性。該系統(tǒng)使用方便靈活，從而為EIT系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究提供了一個(gè)很好的軟件環(huán)境。
5.工作過(guò)程5.1成像系統(tǒng)工作流程參見(jiàn)圖16，開(kāi)機(jī)后，計(jì)算機(jī)開(kāi)始運(yùn)行圖像監(jiān)護(hù)軟件系統(tǒng)，此時(shí)安放電極系統(tǒng)，待系統(tǒng)初始化、定標(biāo)后，就可以調(diào)用圖像監(jiān)護(hù)用戶界面，還可以選擇連續(xù)成像或單幀成像，進(jìn)行文檔操作或管理；無(wú)論是選擇單幀成像還是選擇連續(xù)成像，計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量參考數(shù)據(jù)幀、測(cè)量成像數(shù)據(jù)幀、圖像重構(gòu)、圖像顯示、處理，直至成像完成。
5.2軟件系統(tǒng)基本功能參見(jiàn)圖17，頁(yè)面顯示的軟件系統(tǒng)基本功能包括程序流程、系統(tǒng)初始化、硬件系統(tǒng)檢測(cè)、軟件環(huán)境檢測(cè)、用戶界面、選擇成像模式、輸入相關(guān)信息、采集參考數(shù)據(jù)幀、采集成像數(shù)據(jù)幀、重構(gòu)圖像、圖像后處理、圖像顯示、打印、存儲(chǔ)、監(jiān)護(hù)狀態(tài)提示、報(bào)告等。
5.3硬件系統(tǒng)工作流程5.3.1初始化參見(jiàn)圖18，初始化的主要目的是進(jìn)行電流設(shè)置、頻率設(shè)置、增益設(shè)置、DAQ設(shè)置、系統(tǒng)定標(biāo)及其電極狀態(tài)檢測(cè)，完成上述各項(xiàng)后，即可開(kāi)始測(cè)量。
5.3.2參考數(shù)據(jù)幀采集參見(jiàn)圖19，參考數(shù)據(jù)幀采集時(shí)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電極設(shè)置，經(jīng)延時(shí)后進(jìn)行測(cè)量電極設(shè)置，再延時(shí)，隨后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，若當(dāng)前激勵(lì)下的測(cè)量結(jié)束，則返回，若繼續(xù)測(cè)量，返回至測(cè)量電極設(shè)置；回到驅(qū)動(dòng)電極設(shè)置。
5.3.3成像數(shù)據(jù)幀采集參見(jiàn)圖20，成像數(shù)據(jù)幀采集流程與參考數(shù)據(jù)幀采集類似。
權(quán)利要求
1.一種用于床旁圖像監(jiān)護(hù)的電阻抗斷層成像方法，由整體的計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和重構(gòu)圖像的算法，提供界面，控制圖像監(jiān)護(hù)的過(guò)程；其特征在于，至少包括以下步驟1)采用多對(duì)電極放在人體需要監(jiān)護(hù)的部位的外周，將激勵(lì)電流加到人體，并將人體的信號(hào)傳到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；2)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供交流恒流激勵(lì)、高精度信號(hào)檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)測(cè)量模式程控設(shè)置功能；3)根據(jù)采集到的電壓信號(hào)，由計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)置的重構(gòu)圖像的算法計(jì)算體內(nèi)電阻率變化的分布，并顯示圖像。
2.如權(quán)利要求所述的用于床旁圖像監(jiān)護(hù)的電阻抗斷層成像方法，其特征在于，所述交流恒流激勵(lì)、高精度信號(hào)檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)測(cè)量模式程控設(shè)置功能分別為交流恒流激勵(lì)功能采用模擬振蕩、鎖相環(huán)及直接數(shù)字合成技術(shù)，包括產(chǎn)生頻率在50KHz左右的正弦信號(hào)并實(shí)現(xiàn)恒流輸出，和產(chǎn)生與激勵(lì)信號(hào)同步的解調(diào)控制信號(hào)及A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)控制信號(hào)；高精度信號(hào)檢測(cè)功能包括高精度信號(hào)放大、動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整、高精度解調(diào)及數(shù)據(jù)采集；驅(qū)動(dòng)及測(cè)量模式程控設(shè)置功能包括①按需要的驅(qū)動(dòng)模式將激勵(lì)信號(hào)加載到多對(duì)電極中的一對(duì)驅(qū)動(dòng)電極上；②按需要的測(cè)量模式將多對(duì)測(cè)量電極中的一對(duì)電極上的信號(hào)加載到信號(hào)放大電路的輸入端。
3.如權(quán)利要求所述的用于床旁圖像監(jiān)護(hù)的電阻抗斷層成像方法，其特征在于，所述重構(gòu)圖像的算法是采用動(dòng)態(tài)的等位線反投影法，該等位線反投影法基于對(duì)所成像目標(biāo)所作的如下假設(shè)①被成像目標(biāo)阻抗分布為二維；②區(qū)域邊界為圓；③電極在邊界上為等間隔分布；④目標(biāo)區(qū)域內(nèi)電阻抗分布的擾動(dòng)與阻抗分布的絕對(duì)值相比很小，從而使邊界電壓的擾動(dòng)與阻抗分布擾動(dòng)成近似線性關(guān)系；等電位線阻抗成像實(shí)際上是對(duì)目標(biāo)區(qū)域阻抗分布擾動(dòng)的成像若在阻抗分布為σ(x，y)的目標(biāo)區(qū)域周圍加載一組驅(qū)動(dòng)電流，得到一組響應(yīng)電壓為V0，阻抗分布發(fā)生一個(gè)較小變化(擾動(dòng))后，σ(x，y)→σ(x，y)+Δσ(x，y)，測(cè)得響應(yīng)電壓為V1，將兩組電壓差規(guī)則化后進(jìn)行反投影，即可得到阻抗分布的擾動(dòng)。
4.一種用于床旁圖像監(jiān)護(hù)的電阻抗斷層成像裝置，包括一計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)和一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，其特征在于，計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)置有控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序和重構(gòu)圖像的算法，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還設(shè)置將激勵(lì)電流加到人體采集人體的信號(hào)的電極的控制模塊；上述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括一激勵(lì)源模塊1，用于產(chǎn)生頻率在50KHz左右的正弦信號(hào)并實(shí)現(xiàn)恒流輸出，和產(chǎn)生與激勵(lì)信號(hào)同步的解調(diào)控制信號(hào)及A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)控制信號(hào)；一信號(hào)檢測(cè)模塊4，用于信號(hào)放大、動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整、高精度解調(diào)及數(shù)據(jù)采集；一D/A轉(zhuǎn)換模塊5，用于D/A的選擇及波形發(fā)生電路的實(shí)現(xiàn)；一激勵(lì)模式設(shè)置模塊2(1)，用于按需要的驅(qū)動(dòng)模式將激勵(lì)信號(hào)加載到多對(duì)驅(qū)動(dòng)電極中的一對(duì)電極上；一測(cè)量模式設(shè)置模塊2(2)，用于按需要的測(cè)量模式將多對(duì)個(gè)測(cè)量電極中的一對(duì)電極上的信號(hào)加載到信號(hào)放大電路的輸入端。
5.如權(quán)利要求4所述的用于床旁圖像監(jiān)護(hù)的電阻抗斷層成像裝置，其特征在于，所述的多對(duì)電極為16對(duì)，共32個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于床旁圖像監(jiān)護(hù)的電阻抗斷層成像方法及其裝置，由整體的計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和重構(gòu)圖像的算法，提供界面，控制圖像監(jiān)護(hù)的過(guò)程；裝置包括一計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)和一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)置有控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序和重構(gòu)圖像的算法，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還設(shè)置將激勵(lì)電流加到人體采集人體的信號(hào)的電極的控制模塊；本發(fā)明的突出的特點(diǎn)是，1)采用多對(duì)電極放在人體需要監(jiān)護(hù)的部位的外周，將激勵(lì)電流加到人體，并將人體的信號(hào)傳到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；2)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供交流恒流激勵(lì)、高精度信號(hào)檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)測(cè)量模式程控設(shè)置功能；3)根據(jù)采集到的電壓信號(hào)，由計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)置的重構(gòu)圖像的算法計(jì)算體內(nèi)電阻率變化的分布，并顯示圖像。
文檔編號(hào)A61B5/053GK1526358SQ03134598
公開(kāi)日2004年9月8日 申請(qǐng)日期2003年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月23日
發(fā)明者董秀珍, 付峰, 尤富生, 劉銳崗, 史學(xué)濤 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)