一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极技术方案

本发明专利技术涉及一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极，包括电流激励模块、电压读取模块和数字处理模块；所述电流激励模块用于根据调幅/调频指令生成幅度可调和频率可调的激励电流施加给被测人体，所述电流激励模块和电极短距离接触传输；所述电压读取模块用于通过电极采集处理激励电流在人体的响应电压、并将响应电压转换为数字电压信号；所述数字处理模块用于将数字电压信号与激励电流信号共同进行离散傅里叶变换操作，重建人体内部电阻抗的幅度和相位，用于后续电阻抗断层成像处理。有益效果是电压信号精度高、电压传输损耗低。电压传输损耗低。电压传输损耗低。

【技术实现步骤摘要】
一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极


[0001]本专利技术涉及医疗电子仪器
，具体涉及一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极。

技术介绍

[0002]传统的医学成像技术包括电子计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)、超声、核磁共振等，普遍具有仪器设备体积大、使用成本高、长期使用对人体有害等问题。
[0003]生物电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography，EIT)是一种新型医学功能成像技术，是利用生物组织与器官的特性(阻抗、导纳、介电常数等)及其变化提取人体生理、病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术。它根据人体内不同组织在不同的生理、病理状态下具有不同的电导率，采用各种方法给人体施加小的安全驱动电流，通过驱动电流在人体的测量响应信息，重建人体内部的电阻率分布或其变化的图像。
[0004]显然，电阻抗成像技术中，激励源起到了至关重要的作用，激励源的信号质量将直接影响测量电压的读取以及后续的电阻抗成像。
[0005]图1是现有用于电阻抗断层成像系统的电极结构示意图。如附图1(a)所示，目前的电阻抗成像系统多采用无源电极激励，激励源与电极分离，即激励信号由系统的激励源产生后，由导线传输至电极。电阻抗成像系统的激励信号一般为几毫安甚至几十微安的电流，这种小信号在导线传输的过程中，极易受到干扰，产生线缆传输失真，出现运动伪影，最终降低系统的成像质量和精度。而且电阻抗成像系统读取的被测人体的电压亦为模拟小信号，采用无源电极的电阻抗成像系统的处理方式为直接用导线传输，或将模拟信号进行放大、滤波后用导线传输，信号同样容易收到干扰，从而影响最终成像质量。
[0006]为了解决激励信号经过线缆传输后容易失真的问题，有学者提出了将激励电流生成模块置于前端电极，以消除传输失真。现有的有源电极总共分为两类：1、如附图1(b)所示，由YuWu等人提出的有源电极I，将激励电流生成模块置于前端电极，消除激励电流传输失真；但直接将测量电压传输至计算机及移动端，信号容易收到干扰，从而影响最终成像质量；2、如附图1(c)所示，由Minseo Kim等人提出的有源电极II，在前述有源电极I的基础上，将测量电压经过模数转换模块，转换为数字信号传输至计算机及移动端，这样虽然一定程度上可以减少信号干扰，但系统在测量期间需要不间断地采集及传输数字电压，无形中增加了系统的整体功耗。
[0007]如何提高前端电极的性能，减少激励电流不必要的损耗，提高电压信号的精度以及降低电压传输损耗，从而提高系统成像的精度是目前生物电阻抗断层成像系统所面临的关键问题。
[0008]本专利技术针对前端电极提高电压信号精度、降低电压传输损耗的技术问题，对用于电阻抗断层成像系统的前端电极进行了技术改进。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是，提供一种用于电阻抗断层成像系统，电压信号精度高、电压传输损耗低的的有源电极。
[0010]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极，包括电流激励模块、电压读取模块和数字处理模块；所述电流激励模块用于根据调幅/调频指令生成幅度可调和频率可调的激励电流施加给被测人体，所述电流激励模块和电极短距离接触传输；所述电压读取模块用于通过电极采集处理激励电流在人体的响应电压、并将响应电压转换为数字电压信号；所述数字处理模块用于将数字电压信号与激励电流信号共同进行离散傅里叶变换操作，重建人体内部电阻抗的幅度和相位，用于后续电阻抗断层成像处理。
[0011]优选地，所述电流激励模块包括直接数字式频率合成器、数模转换器、运算放大器、以及V/I转换器；所述直接数字式频率合成器用于输出幅度可调和频率可调的激励电压信号，所述数模转换器用于将激励电压信号转变成模拟激励电压信号，所述运算放大器用于对模拟激励电压信号进行放大及电压抬升，所述V/I转换器用于将模拟激励电压信号进一步转换为激励电流。
[0012]优选地，所述电压读取模块包括电压电流放大器、可编程增益放大器、滤波器、以及模数转换器；所述电压电流放大器用于将采集的响应电压进行电压抬升及放大、以提高检测精度，所述可编程增益放大器用于将电压抬升及放大后的响应电压根据倍数指令放大数倍，所述滤波器用于滤波，所述模数转换器用于将滤波后的响应电压模数转换为数字响应电压信号、以便后续进行电阻抗计算。
[0013]优选地，所述数字处理模块包括离散傅里叶变换器、实部寄存器、以及虚部寄存器；所述离散傅里叶变换器用于将经过电压读取模块获取的数字响应电压信号、和直接数字式频率合成器生成的激励电压信号一同进行离散傅里叶变换计算其中，X为数字响应电压信号在激励电压信号频率下的能量、是N个激励电压信号频率和对应的数字响应电压信号样本乘积值的累加，w(n)为电压读取模块输出的数字响应电压信号，cos(n)与sin(n)为直接数字式频率合成器输出的激励电压信号频率下的采样测试矢量；所述实部寄存器用于存储X的实部，所述虚部寄存器用于存储X的虚部。
[0014]优选地，所述运算放大器输出的模拟激励电压信号为峰峰值等于3Vpp、直流偏置等于2.24V的交流电压；所述V/I转换器输出的激励电流通过调整可变电阻在1至5000uA的范围内变化，所述激励电流频率设置为1至100KHz之间的任意频率点。
[0015]优选地，所述电压电流放大器通过设置相应电阻进行调整，放大倍数设置为输入电压的2倍，抬升电压设置为2.5V。
[0016]优选地，所述X是1024个激励电压信号频率和对应的数字响应电压信号样本乘积值的累加，所述实部寄存器和虚部寄存器是16位寄存器。
[0017]优选地，所述的一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极，还包括数据传输接口；所述数据传输接口通过通用总线和计算机进行数据通信。
[0018]优选地，所述通用总线使用IIC协议通信，包括电极公用的SCL信号和电极独有的SDA信号。
[0019]优选地，所述数据通信包括数字处理模块获得的人体内部电阻抗、电流激励模块
的调幅/调频指令、以及可编程增益放大器的倍数指令。
[0020]本专利技术一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极有如下有益效果：可根据指令生成可调激励电流，后续直接注入被测人体，消除了线缆传输失真；并将测量到的电压信号转换成电阻值，通过通用总线传输至计算机成像，提高了成像精度，并减少了系统不间断传输电压的无形损耗；该电极不仅可以单独作为阻抗仪使用，也可以迁移到其他的生物电阻抗成像系统。
【附图说明】
[0021]图1是现有用于电阻抗断层成像系统的电极结构示意图，其中，(a)是传统无源电极结构示意图，(b)是现有有源电极I结构示意图，(c)是现有有源电极II结构示意图。
[0022]图2是一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极结构示意图。
[0023]图3是一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极电流激励模块结构示意图。
[0024]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极，其特征在于：包括电流激励模块、电压读取模块和数字处理模块；所述电流激励模块用于根据调幅/调频指令生成幅度可调和频率可调的激励电流施加给被测人体，所述电流激励模块和电极短距离接触传输；所述电压读取模块用于通过电极采集处理激励电流在人体的响应电压、并将响应电压转换为数字电压信号；所述数字处理模块用于将数字电压信号与激励电流信号共同进行离散傅里叶变换操作，重建人体内部电阻抗的幅度和相位，用于后续电阻抗断层成像处理。2.根据权利要求1所述的一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极，其特征在于：所述电流激励模块包括直接数字式频率合成器、数模转换器、运算放大器、以及V/I转换器；所述直接数字式频率合成器用于输出幅度可调和频率可调的激励电压信号，所述数模转换器用于将激励电压信号转变成模拟激励电压信号，所述运算放大器用于对模拟激励电压信号进行放大及电压抬升，所述V/I转换器用于将模拟激励电压信号进一步转换为激励电流。3.根据权利要求2所述的一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极，其特征在于：所述电压读取模块包括电压电流放大器、可编程增益放大器、滤波器、以及模数转换器；所述电压电流放大器用于将采集的响应电压进行电压抬升及放大、以提高检测精度，所述可编程增益放大器用于将电压抬升及放大后的响应电压根据倍数指令放大数倍，所述滤波器用于滤波，所述模数转换器用于将滤波后的响应电压模数转换为数字响应电压信号、以便后续进行电阻抗计算。4.根据权利要求3所述的一种用于电阻抗断层成像系统的有源电极，其特征在于：所述数字处理模块包括离散傅里叶变换器、实部寄存器、以及虚部寄存器；所述离散傅里叶变换器用于将经过电压读取模块获取的数字响应电压信号、和直接数字式频率合成器生成的激励电压信号一同进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永福，郭倩雨，黄家杰，王国兴，连勇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：