一種32電極電阻抗成像裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及用于一種32電極電阻抗成像裝置，屬于醫學檢測技術領域。
【背景技術】
[0002] 電阻抗成像技術（Electrical Impedance Tomography，EIT)是基于生物醫學的一 種新型成像技術，其基本原理是由于不同的生物組織具有不同的電阻抗，當生物體發生疾 病或者進行生理活動都會對引起其電阻抗的變化。由于其具有無損無害、無輻射和非侵入 性特征，在地球物理學、環境監測、無損探傷和醫學檢測等領域引起了廣泛的研宄。它通過 相應的電極系統對生物體注入激勵電流信號，從電極上獲得電壓信號，采用特定的算法重 建出反應生物體內部電特性的圖形，從而獲得生物體內部組織器官的結構和功能等相關信 息。1991年美國的Dartmouth大學的Hartov Alex等研制了用于癌癥熱療熱成像的16位數 據采集精度的EIT系統。1998年，美國Margaret Cheney采用32電極的多電流激勵模式， 以人體模擬器官為實驗對象，進行了最佳激勵電流模式的研宄，實驗效果有所改進，但圖像 分辨力仍不太理想。2008年，英國Oxford Brookes小組研制出0XBACT-5成像系統，可以 對慢性心臟衰竭進行監護，具有16通道的多頻正弦激勵源，采用FPGA實現多頻數字正交序 列解調，系統較為復雜。目前世界上美國、英國、德國、法國、瑞典、印度等三十多個科研小組 都在進行EIT技術的研宄工作。經過幾年的發展，EIT技術出現了三維電阻抗成像等新的 研宄方向。
[0003] 國內在電阻抗成像領域的研宄起步較晚，距離國際的研宄水平尚有一定的差距。 2001年，第一屆EIT學術討論會在第四軍醫大學召開，會上成立了聯合研宄小組，極大的推 動了國內電阻抗成像技術的發展。許多高校和科研機構如重慶大學、第四軍醫大學、中國醫 學科學院等建立了各自的數據采集實驗系統。2004年，第四軍醫大學和上海英邁吉東影圖 像設備有限公司共同研制成功了 Angelplan-EISlOOO型電阻抗乳腺診斷儀。重慶大學研制 了一維無創腦水腫動態監護儀和二維腦電阻抗地形圖儀，并進行了臨床試驗。各個研宄機 構都在試圖將電阻抗成像技術推向臨床應用而不斷地進行深入的研宄。
[0004] 現有技術的難點主要表現在：需要產生幅值穩定、精度高，而且具有高輸出阻抗的 電流源，而實際中電流源的負載阻抗總是有限的，不可能無限制滿足要求；EIT系統能采集 的信息量小，雖然可以通過增加電極個數的方法來增加測量數據量，但這將會使硬件系統 變得復雜，而電極數目的增加也是有限的；電阻抗成像的反問題是病態的，邊界電壓數據的 微小擾動就會引起解的巨大變化，而目前的電阻抗成像算法對物體內部中心處分辨率低， 而對邊界處的分辨率高，因此重建出的圖像效果并不理想，需要設計出具有高質量、高精度 的成像算法。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是提供一種不僅能夠獲得更多信息采集量，而且能夠 有效提高了系統精度和分辨率的32電極電阻抗成像裝置。
[0006] 本發明為了解決上述技術問題采用以下技術方案：本發明設計了一種32電極電 阻抗成像裝置，包括控制模塊、信號發生器、電流源電路、32通道多路開關、32電極物理模 型、高精度儀表放大器、帶通濾波器、相敏解調電路、A/D轉換電路和數據接收終端；其中， 信號發生器、電流源電路、32通道多路開關、高精度儀表放大器、帶通濾波器、相敏解調電 路、A/D轉換電路、數據接收終端依次單向通信連接；同時，32通道多路開關與32電極物理 模型彼此按各電極與各通道的一一對應關系進行雙向通信連接；控制模塊分別與32通道 多路開關、A/D轉換電路進行單向通信連接，且通信方向為由控制模塊分別指向32通道多 路開關和A/D轉換電路，控制模塊針對32通道多路開關進行各個通道與對應電極間的切 換，實現激勵電流的輸送與電壓信號的采集；數據接收終端針對接收到的電壓信號，采用電 阻抗成像算法獲得電阻抗成像。
[0007] 作為本發明的一種優選技術方案：還包括前置高通濾波電路，所述32通道多路開 關經過前置高通濾波電路與所述高精度儀表放大器進行單向通信連接。
[0008] 作為本發明的一種優選技術方案：還包括可變增益放大電路，所述高精度儀表放 大器經過可變增益放大電路與所述帶通濾波器進行單向通信連接；并且所述控制模塊與可 變增益放大電路相連，實現針對可變增益放大電路的控制。
[0009] 作為本發明的一種優選技術方案：所述控制模塊為ARM9處理器。
[0010] 作為本發明的一種優選技術方案：所述電流源電路為Howland電流源電路。
[0011] 作為本發明的一種優選技術方案：所述帶通濾波器為四階帶通濾波器。
[0012] 作為本發明的一種優選技術方案：所述A/D轉換電路為16位A/D轉換電路。
[0013] 作為本發明的一種優選技術方案：所述控制模塊針對接收到的電壓信號，采用正 則化高斯-牛頓算法獲得電阻抗成像。
[0014] 作為本發明的一種優選技術方案：所述數據接收終端為PC終端。
[0015] 本發明如上所述一種32電極電阻抗成像裝置的應用控制方法采用以上技術方案 與現有技術相比，具有以下技術效果：本發明設計32電極電阻抗成像裝置，采用32通道多 路開關構建32電極物理模型的電阻抗成像系統，降低了 16通道多路開關并聯實現32通道 的復雜性，比模擬矩陣開關更容易控制，具有更好的性能，提高了系統的采集精度；并且針 對控制模塊，設計采用ARM9處理器，作為電阻抗成像系統的嵌入式微處理器，具有較強的 控制和數據處理能力，提高了系統的采集速度和實時性，廣泛的接口便于系統擴展更多的 功能；不僅如此，針對高精度儀表放大器，進一步引入可變增益放大電路，兩者構成兩級放 大電路，可程序控制增益的改變，提高了所采集電壓信號的放大倍數和靈活性，有利于信號 后續的處理。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發明設計一種32電極電阻抗成像裝置的模塊示意圖。
[0017] 圖2是本發明設計一種32電極電阻抗成像裝置中Howland電流源電路原理圖；
[0018] 圖3是本發明設計一種32電極電阻抗成像裝置中32通道多路開關原理圖；
[0019] 圖4是本發明設計一種32電極電阻抗成像裝置中信號兩級放大電路原理圖； [0020] 圖5是本發明設計一種32電極電阻抗成像裝置中16位A/D轉換電路原理圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合說明書附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0022] 如圖1所示，本發明所設計一種32電極電阻抗成像裝置，在實際應用過程當中，包 括ARM9處理器、信號發生器、Howland電流源電路、32通道多路開關、前置高通濾波電路、32 電極物理模型、高精度儀表放大器、可變增益放大電路、四階帶通濾波器、相敏解調電路、16 位A/D轉換電路和PC終端；其中，信號發生器、Howland電流源電路、32通道多路開關、前置 高通濾波電路、高精度儀表放大器、可變增益放大電路、四階帶通濾波器、相敏解調電路、16 位A/D轉換電路、PC終端依次單向通信連接；同時，32通道多路開關與32電極物理模型彼 此按各電極與各通道的一一對應關系進行雙向通信連接；ARM9處理器分別與32通道多路 開關、16位A/D轉換電路進行、可變增益放大電路單向通信連接，且通信方向為由ARM9處 理器分別指向32通道多路開關、16位A/D轉換電路、可變增益放大電路，ARM9處理器針對 32通道多路開關進行各個通道與對應電極間的切換，實現激勵電流的輸送與電壓信號的采 集；PC終端針對接收到的電壓信號，采用正則化高斯-牛頓算法獲得電阻抗成像。上述技 術方案設計的32電極電阻抗成像裝置，采用32通道多路開關構建32電極物理模型的電阻 抗成像系統，降低了 16通道多路開關并聯實現32通道的復雜性，比模擬矩陣開關更容易控 制，具有更好的性能，提高了系統的采集精度；并且針對控制模塊，設計采用ARM9處理器， 作為電阻抗成像系統的嵌入式微處理器，具有較強的控制和數據處理能力，提高了系統的 采集速度和實時性，廣泛的接口便于系統擴展更多的功能；不僅如此，針對高精度儀表放大 器，進一步引入可變增益放大電路，兩者構成兩級放大電路，可程序控制增益的改變，提高 了所采集電壓信號的放大倍數和靈活性，有利于信號后續的處理。
[0023] 實際應用中，信號發生器產生預設電壓大小的電壓信號，并輸送至Howland電流 源電路，經由Howland電流源電路將該電壓信號轉換為恒流源，產生激勵電流，并經32通道 多路開關注入至32電極物理模型中，其中，通過ARM9處理器針對32通道多路開關進行各 個通道與對應電極間的切換，實現激勵電流的輸送與電壓信號的采集，由此，經由32通道 多路開關采集32電極物理模型中各電極的電壓信號，所采集獲得的電壓信號首先經由前 置高通濾波電路濾除掉其中較大的噪聲干擾和直流分量，然后將該電壓信號依次送入高精 度儀表放大器、可變增益放大電路進行兩級信號放大，并且在經過可變增益放大電路針對 電壓信號進行二級放大的過程中，可以通過ARM9處理器針對可變增益放大電路進行直接 控制，經過兩級信號放大的電壓信號，接著依次被送入四階帶通濾波器、相敏解調電路，最 后在ARM9處理器針對16位A/D轉換電路的控制下，電壓信號經過16位A/D轉換電路輸送 至PC終端，PC終端針對所接收到的電壓信號，采用正則化高斯-牛頓算法獲得電阻抗成像。
[0024] 并且本發明所設計一種32電極電阻抗成像裝置在實際應用中，信號發生器采用 高精度信號發生器MAX038,產生峰-峰值為±2VP-P的正弦波作為Howland電流源電路的 輸入信號。采用Howland電流源電路，與其他的電流源相比具有較好的穩定性，較小的相位 漂移和較大的輸出阻抗，符合電阻抗成像系統的要求，其中，Howland電流源電路如圖2所 不O
[0025] 其中，電路中的負載阻抗為：
[0026] Rl= VL/IL
[0027] 式中為負載阻抗，I為負載兩端的電壓，U為通過負載的電流，則輸出的電流 源為：
[0031] 式中的V1為輸入電壓信號，V V _= V +，則八為：
[0035] 在理想情況下，當札、R2A+R2B、R3、R 4滿足下式時，可以獲得無限大的輸出阻抗。
[0037] 此時，負載電流込的值為：
[0040] 當輸入電壓信號有效