本發(fā)明涉及一種新型無損傷生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)與成像技術(shù)，特別涉及一種多頻電阻抗成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，電阻抗成像技術(shù)作為一種新型的成像檢測(cè)技術(shù)，由于其無創(chuàng)無輻射及成本低廉、信息豐富等特點(diǎn)，受到了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并呈現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。通過給被測(cè)物體周圍的驅(qū)動(dòng)電極施加微小的激勵(lì)電流，然后測(cè)量目標(biāo)周圍分布的電壓信息,并據(jù)此重構(gòu)出能反映物體生理及病理變化的阻抗圖像。

20世紀(jì)80年代初，英國(guó)sheffield大學(xué)的barber和brown開始研究eit技術(shù)，首次構(gòu)建了一個(gè)完整的eit硬件系統(tǒng)。在這30多年來，相繼有美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、印度、日本等30多個(gè)國(guó)家的技術(shù)人員著力于電阻抗成像技術(shù)的研究。研究也從最初的單一頻率成像，逐漸開展研發(fā)了一種多頻的成像方式，其中多頻成像方式又可分為兩種類型：準(zhǔn)靜態(tài)成像和組織電阻抗特征參數(shù)成像。準(zhǔn)靜態(tài)成像方式基于生物組織的電阻抗頻譜特性，不同頻率點(diǎn)的阻抗信息也相應(yīng)不同，在向被測(cè)試物體連續(xù)施加多種激勵(lì)頻率電流的情況下，提取多次不同的阻抗信息，進(jìn)行圖像重構(gòu)。

現(xiàn)有技術(shù)的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在：多頻電阻抗成像有多個(gè)頻率的激勵(lì)信號(hào)，現(xiàn)在通常使用掃頻方式，將多個(gè)頻率激勵(lì)信號(hào)逐一注入系統(tǒng)，這種方式不僅測(cè)量速度慢，而且會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差；目前電阻抗測(cè)試系統(tǒng)一般全部采用硬件模塊實(shí)現(xiàn)，不便于頻率的改變，組建系統(tǒng)不靈活。因此，亟需一種測(cè)量速度快、成像質(zhì)量高、靈活方便，并且能實(shí)時(shí)成像的系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中電阻抗成像過程中成像分辨率不高、不能實(shí)時(shí)成像、成像存在偽影等缺陷，本發(fā)明提供一種多頻電阻抗成像系統(tǒng)，利用生物組織的電阻抗頻譜特性，采用混率激勵(lì)信號(hào)，采集不同頻率下的電壓信號(hào)，對(duì)多個(gè)頻率信號(hào)加權(quán)相減后進(jìn)行成像。采用虛擬儀器技術(shù)與硬件相結(jié)合的方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與分析處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)數(shù)據(jù)采集和波形實(shí)時(shí)顯示，并且系統(tǒng)一體化，在上位機(jī)界面直接顯示成像結(jié)果。充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)在硬件處理模塊基礎(chǔ)上軟件編程靈活的特點(diǎn)。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種多頻電阻抗成像系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、電壓轉(zhuǎn)電流電路、多路開關(guān)電路、測(cè)量多路開關(guān)電路、信號(hào)放大電路以及n個(gè)電極片，其中，多路開關(guān)電路包括激勵(lì)多路開關(guān)電路、測(cè)量多路開關(guān)電路，n個(gè)電極片順序粘貼在待測(cè)物體上。

計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡輸出多個(gè)頻率正弦信號(hào)疊加的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)電壓轉(zhuǎn)電流電路后轉(zhuǎn)化為多頻電流信號(hào)，作為激勵(lì)信號(hào)；計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡控制激勵(lì)多路開關(guān)電路依次選通n個(gè)電極片中每?jī)蓚€(gè)相鄰的電極片，將激勵(lì)信號(hào)通過這兩個(gè)電極片注入被測(cè)物體，其中，激勵(lì)多路開關(guān)電路每選通兩個(gè)相鄰的電極片時(shí)，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡控制測(cè)量多路開關(guān)電路依次選通剩余n-2個(gè)電極片中每?jī)蓚€(gè)相鄰的電極片，將被測(cè)物體的輸出電壓傳輸至信號(hào)放大電路進(jìn)行放大；數(shù)據(jù)采集卡將經(jīng)信號(hào)放大電路放大后的電壓信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)接收到的電壓信號(hào)通過成像算法進(jìn)行圖像重構(gòu)，呈現(xiàn)相應(yīng)的電阻抗分布圖。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，n的取值為16或32。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，電壓轉(zhuǎn)電流電路為改進(jìn)的howland電壓轉(zhuǎn)電流電路，包括電源、第一至第六電阻、第一至第三電容和運(yùn)算放大器，其中，第一電阻r1的一端與電源連接，另一端分別連接運(yùn)算放大器的反相輸入端、第五電阻r4的一端、第二電容c2的一端，第五電阻r4的另一端分別連接第二電容c2的另一端、運(yùn)算放大器的輸出端、第二電阻r2a的一端，第二電阻r2a的另一端分別連接第三電阻r2b的一端、第六電阻rl的一端，第六電阻rl的另一端作為輸出，第三電阻r2b的另一端分別連接第一電容c1的一端、第四電阻r3的一端、運(yùn)算放大器的正相輸入端，第一電容c1的另一端、第四電阻r3的另一端分別與數(shù)據(jù)采集卡的輸出連接，第三電容c3的兩端分別與運(yùn)算放大器的正、負(fù)電源端連接。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，多路開關(guān)電路包括四片型號(hào)為max396的模擬多路變換器，其中，兩片作為激勵(lì)多路開關(guān)電路，兩片作為測(cè)量多路開關(guān)電路。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案，信號(hào)放大電路包括依次連接的電壓跟隨器、第一放大電路和第二放大電路，其中，電壓跟隨器包括兩個(gè)運(yùn)算放大器，第一放大電路為型號(hào)為ad624的儀器放大器，第二放大電路為型號(hào)為pga207ua的可編程增益儀器放大器。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

（1）激勵(lì)信號(hào)采用混頻方式，一次能輸出多個(gè)頻率信號(hào)，縮短測(cè)量時(shí)間；

（2）采用多頻率激勵(lì)信號(hào)，根據(jù)不同頻率下生物組織電阻抗的差異進(jìn)行成像，能較好的反應(yīng)物體的位置信息，有效地消除了動(dòng)態(tài)圖像重構(gòu)誤差大的缺點(diǎn)，得到較高的成像質(zhì)量和對(duì)比度；

（3）信號(hào)激勵(lì)、信號(hào)采集和開關(guān)控制均由數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)，輸出的信號(hào)和采集的信號(hào)更加精確；

（4）基于虛擬儀器的控制，充分利用數(shù)據(jù)采集卡的功能，方便用戶自定義調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊，易于系統(tǒng)集成，靈活組態(tài)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2為本發(fā)明電壓轉(zhuǎn)電流電路原理圖。

圖3為多路開關(guān)電路原理圖。

圖4為信號(hào)放大電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

本發(fā)明公開了一種多頻電阻抗成像系統(tǒng)，主要是根據(jù)多種頻率下生物組織顯現(xiàn)電阻抗不同進(jìn)行成像。如圖1所示該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集卡、電壓轉(zhuǎn)電流電路、多路開關(guān)電路、信號(hào)放大電路和計(jì)算機(jī)。該系統(tǒng)采用虛擬儀器結(jié)構(gòu)，由labview平臺(tái)結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡及外圍硬件實(shí)現(xiàn)，利用高精度的數(shù)據(jù)采集卡，提高系統(tǒng)測(cè)試精度和穩(wěn)定性，充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)組建系統(tǒng)靈活方便的特點(diǎn)，便于系統(tǒng)擴(kuò)展。激勵(lì)信號(hào)采用多個(gè)頻率正弦信號(hào)疊加的混頻信號(hào)，多頻信號(hào)一次注入到物理模型中，測(cè)得的電壓信號(hào)經(jīng)處理后，得到各個(gè)頻率下的電壓信息，從而提高系統(tǒng)成像速度。多路開關(guān)電路由計(jì)算機(jī)軟件控制數(shù)據(jù)采集卡輸出數(shù)字信號(hào)進(jìn)行切換選通。

計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡輸出多個(gè)頻率正弦信號(hào)疊加的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)電壓轉(zhuǎn)電流電路后轉(zhuǎn)化為多頻電流信號(hào)，作為激勵(lì)信號(hào)。計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡控制激勵(lì)多路開關(guān)電路依次選通n個(gè)電極片中每?jī)蓚€(gè)相鄰的電極片，將激勵(lì)信號(hào)通過這兩個(gè)電極片注入被測(cè)物體，其中，激勵(lì)多路開關(guān)電路每選通兩個(gè)相鄰的電極片時(shí)，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡控制測(cè)量多路開關(guān)電路依次選通剩余n-2個(gè)電極片中每?jī)蓚€(gè)相鄰的電極片，將被測(cè)物體的輸出電壓傳輸至信號(hào)放大電路進(jìn)行放大。數(shù)據(jù)采集卡將經(jīng)信號(hào)放大電路放大后的電壓信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的電壓信號(hào)進(jìn)行處理和成像，呈現(xiàn)相應(yīng)的電阻抗分布圖。

下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步闡述：

如圖2所示，本實(shí)施例中待測(cè)物體為圓柱形水槽，在水槽內(nèi)壁相同的高度粘貼16個(gè)大小材質(zhì)相同的長(zhǎng)方形不銹鋼電極片。每個(gè)電極使用鱷魚夾后接導(dǎo)線與多路開關(guān)進(jìn)行連接，導(dǎo)電性好，便于獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。水槽當(dāng)中需要盛放濃度為0.1%的鹽水，高度沒過電極片2至3厘米。

如圖2所示，電壓轉(zhuǎn)電流電路采用改進(jìn)的howland電壓轉(zhuǎn)電流電路。該電路的輸出電流只與電路輸入信號(hào)電壓值和r3的值有關(guān)，只要保持輸入信號(hào)與r3的值不變，輸出電流恒定不變。r2a、r2b解決輸入阻抗匹配影響；c1、c2、c3作為補(bǔ)償電容保證獲得高輸出阻抗高精度的電流。

如圖3所示，多路開關(guān)電路包括四片max396，其中，激勵(lì)多路開關(guān)電路和測(cè)量多路開關(guān)電路中各包括兩片max396。該芯片是一個(gè)16通道，高精度的cmos模擬多路復(fù)用器，開關(guān)切換速度快泄漏電流小。將兩片開關(guān)并聯(lián)即可完成16選2的功能，其中兩片為激勵(lì)電流通道控制開關(guān)，兩片為電壓測(cè)量通道控制開關(guān)。該部分的開關(guān)均由計(jì)算機(jī)控制，在本系統(tǒng)當(dāng)中采用相鄰激勵(lì)的方式，例如：若選擇電極1、2作為激勵(lì)輸入端，則需要測(cè)量其余13組相鄰電極3、4，4、5，……，15、16的電壓差，從而完成一個(gè)周期的測(cè)量，以此類推，繼續(xù)選擇電極2、3作為激勵(lì)輸入端，則需要測(cè)量其余13組相鄰電極4、5，5、6，……，15、16，16、1的電壓差，……，直至選擇電極16、1作為激勵(lì)輸入端，則需要測(cè)量其余13組相鄰電極2、3，3、4，……，14、15的電壓差，從而完成所有測(cè)量。

如圖4所示的信號(hào)放大電路，本發(fā)明中為保證前后電路不互相影響，選用兩個(gè)op27精密運(yùn)算放大器做電壓跟隨器，以隔離兩部分電路。由于采集到的電壓信號(hào)混有一定的直流分量和噪聲，因此選用高通濾波電路進(jìn)行濾波處理。因?yàn)椴杉降碾妷盒盘?hào)非常微小，在幾十毫伏左右，所以需要進(jìn)行放大。本實(shí)施例中，信號(hào)放大電路中的電壓放大包括兩個(gè)部分：第一部分使用ad624儀器放大器完成對(duì)電壓信號(hào)的首次放大，該芯片具有低噪聲、高增益精度、低增益溫度系數(shù)和高線性度，其放大倍數(shù)由外加可變電阻控制，增益范圍1至1000；第二部分由可編程芯片pga207ua完成第二次放大，其放大倍數(shù)由計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)至a0、a1控制放大倍數(shù)。本實(shí)施例中，采用兩次放大有利于獲得更加準(zhǔn)確的信號(hào)。

本實(shí)施例的具體工作流程如下：

1、計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡輸出多種頻率的正弦激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)電壓轉(zhuǎn)電流電路將信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，再經(jīng)過激勵(lì)多路開關(guān)注入待測(cè)物體；

2、由測(cè)量多路開關(guān)控制將被測(cè)物體的輸出電壓信號(hào)送至放大電路，再由數(shù)據(jù)采集卡送至計(jì)算機(jī)；

3、計(jì)算機(jī)接收到的電壓信號(hào)經(jīng)過濾波、譜分析后得到各個(gè)頻率電壓信號(hào)的幅度和相位，再經(jīng)過成像算法進(jìn)行圖像重構(gòu)，呈現(xiàn)相應(yīng)電阻抗分布圖。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。