一种128通道的生物电阻抗成像装置的制作方法

专利名称：一种128通道的生物电阻抗成像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及医疗仪器设备和医学功能成像技术，具体为一种128通道的生物电阻 抗成像装置。
背景技术：
电阻抗成像(Electrical Impedance Tomogr即hy， EIT)技术，是以生物体内电阻抗 的分布或变化为成像目标的一种新型的无损伤的生物医学检测与成像技术。利用EIT技术， 可以显示生物体内组织的阻抗分布图像、生物体组织的阻抗随频率变化的图像、生物体器 官生理活动(如呼吸、心脏搏动)时的阻抗变化图像。由于采用外加安全交流电流的方式， 是非侵入检测技术，且是功能成像技术，在研究生物体生理功能和疾病诊断方面有重要的 临床价值。它具有简便、无创、廉价的优势，也可作为对生物体进行长期、连续监护的设 备。对疾病的早期预防、诊断、治疗及医疗普査都具有十分重大的意义，受到众多研究者 的关注。
目前，EIT系统按驱动测量方式分主要有电流驱动电压测量方式、电压驱动电流测量 方式及近年来出现的感应电流方式；从激励频率上分为单频及多频两种；从结构上分为串 联系统、半并联系统、并联系统、分布式系统和自适应系统；按测量电极的数量分为8电 极、16电极、32电极、64电极；按成像的维数分有二维EIT系统和三维EIT系统。大多 的EIT系统设计仍处于物理模型的试验阶段，离临床应用还有一定的距离，主要是系统的 精度、速度、及成像分辨率等都有待于进一步提高。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种128通道的生物电阻抗成像装置，利用该装置可以进 行人体呼吸过程中胸腔电阻抗变化过程信息的实时采集与功能成像，用于有效可靠的多种 尺度、不同导电材料的实验和多种生物离体组织的实验研究。本实用新型具有速度快、图 像清晰、成本低、无损伤等特点。
本实用新型提供的128通道的生物电阻抗成像装置主要包括-
系统控制模块，用于整体系统的控制，选择系统激励电流的幅值、频率和相位，选择 激励模式与测量模式。
电流驱动模块，用于配置四个正弦波形发生器的参数，生成具有所选幅值、频率和相 位的正弦电压信号，再由电流驱动模块中的电压控制电流源电路将电压信号转换为四路电 流信号。
激励通道选通模块，用于按照所选的激励模式选通电极阵列中的四对电极，将四路电 流激励信号分四层施加到被测目标表面，在被测目标内部建立起敏感场。
3测量通道选通模块，用于按照所选测量模式选通电极阵列中的相应电极对，提取被测 目标表面的电压信号，并送入信号调理模块中。
信号调理模块，用于先经过仪表放大电路进行初步放大，再经过由系统控制模块控制 的可编程增益放大电路将信号调整为适于解调电路输入电压范围的信号，经过解调电路和 A/D转换电路后，将信号转换为数字信号，并送入系统控制模块采集数据。
计算机，通过计算机接口电路(串行通信接口或USB接口)将采集结果在计算机内部 通过节点反投影成像算法进行成像。
所述的系统控制模块是DSP+FPGA的系统控制模块。
所述的电阻抗成像装置还包括LCD显示和EEPROM(电可擦写可编程只读存储器)存储 辅助功能模块。
所述的激励电流的频率为1KHz-1MHz。激励模式和测量模式可以选择为相邻模式、相 对模式和相间(间隔l-6个电极)模式；所述的四层激励信号之间的相位差在O。 -360°之 间任意选择。
所述的计算机接口电路是串行通信接口或USB接口电路。
所述的系统结构为串行-并行混合结构，64个双通道复合电极分为4层，每层16个。 每层电极的工作方式串行的。四层同时工作，其工作方式是并行的。
所述的电极阵列是64个双通道的复合电极，长方形电极用于激励，圆形电极用于测量。 本实用新型提供的一种128通道的生物电阻抗成像方法包括的步骤
1) 通过系统控制模块选择系统激励电流的频率、幅值和相位，激励模式与测量模式。
2) 配置四个正弦波形发生器的参数，生成具有所选频率、幅值和相位的正弦电压信号， 再将电压信号转换为四路电流信号(A~/4)。
3) 按照所选的激励模式选通电极阵列4中的电极，每层选择一对电极，将四路电流激 励信号分四层施加到被测目标表面，在被测目标内部建立起敏感场；
4) 通过测量通道选通模块按照所选测量模式选通电极阵列4中的相应电极对，提取被 测目标表面的电压信号，并送入信号调理模块中；
5) 信号先经过仪表放大电路进行初步放大，再经过可编程增益放大电路将信号调整为 适于解调电路输入电压范围的信号,将信号转换为数字信号,并送入系统控制模块采集数据。
6) 在计算机中将采集数据通过节点反投影成像算法进行成像。 所述的节点反投影成像算法包括的步骤(见流程图图5):
1) 建立以节点为中心的辅助单元，满足条件
所有辅助单元能够完成对场域的离散，不交叠不遗漏,整个场域由节点单元拼合而成，并 且，除边界单元外，各节点位于辅助单元的中心,节点单元的构造可以由各三角单元重心与各
边中点的连线所围成的以节点为中心的多边形就可以满足节点单元的要求，如图4所示。
2) 以节点单元为基本计算单位，应用反投影法将内部阻抗在边界的投影值沿等位线反 投回投影区域内的节点单元；通过改变激励电极对，将相应的边界的投影值反投回节点单 元再进行叠加运算，就得到各节点单元的阻抗值。
3) 将节点单元作为重构图像的基本像素单元，并对各节点单元的阻抗值做平滑处理， 将各节点单元离散为更小的像素单元；将节点单元的阻抗值作为其中心节点位置所处像素单元的值，再按照节点间的相互位置，通过插值计算得到其它像素单元的值，在进行插值 运算时，可以将场域离散为规则的细密网格，作为重构图像的显示像素矩阵。 本实用新型提供的128通道的生物电阻抗成像装置具有显著的特点-
1) 整个系统采用模块化设计，主要有电流驱动模块、激励通道选通模块、测量通道 选通模块、信号调理模块、系统控制模块和计算机成像等主要功能模块，同时扩展了 LCD 显示和EEPROM存储等辅助功能模块。
2) 采用64个双通道的复合电极，使系统具有128个激励和测量通道。
3) 系统选用串行-并行混合结构，激励和测量的64个复合电极分4层，每层之间的 工作方式是并行，各层驱动和测量电路同时工作；而相同层之间的工作方式是串行的，激 励和测量的复合电极轮流选通，进行激励和测量。
4) 本实用新型利用DSP (TMS320F2812)为核心控制芯片，结合FPGA (EP1C3)技 术，对系统各功能模块的工作状态、工作方式进行控制，同时对采集的信息进行存储、处 理等，是整个系统的核心单元。
5) 本实用新型采用课题组所提出的节点反投影法成像算法，具有成像速度快，分辨 率高的特点，适合于实时成像。
6) 构建了模拟胸腔的4层64个复合电极的三维圆柱体实验模型，较好地模拟生物体 胸腔的结构，进行了实验验证。
7) 利用本实用新型，配用临床心电电极，可以进行人体呼吸过程胸腔电阻抗变化过 程的实时成像。
8) 本实用新型具有重复性好、可靠性高、速度快、图像清晰、成本低、无损伤等特点。

图l本实用新型的结构图。
图2本实用新型激励与测量方式示意图。
图3本实用新型的物理模型图。
图4本实用新型节点单元构造示意图。图5本实用新型节点反投影成像算法流程图。
图6本实用新型用于各种材料测试成像图。
图7本实用新型用于人体呼吸过程成像图。
具体实施方式
下面通过实施例对本实用新型进行具体描述，它们只用于对本实用新型进行进一步的 说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，本领域的技术人员根据上述本实用新型 的内容做出一些非本质的改进和调整，均属本实用新型的保护范围。
如图1所示，l是系统控制模块，2是电流驱动模块，3是激励通道选通模块，4是电 极阵列，5是测量通道选通模块，6是信号调理模块，7是计算机。
本实用新型提供的一种128通道的生物电阻抗成像装置主要包括系统控制模块1、 电流驱动模块2、激励通道选通模块3、电极阵列4、测量通道选通模块5、信号调理模块 6和计算机7。有驱动模块、激励通道选通模块、测量通道选通模块、信号调理模块、系统控制模块和计算机成像等主要功能模块，同时扩展了 LCD显示和EEPROM存储等辅助功 能模块。
本实用新型提供的一种128通道的生物电阻抗成像装置实现成像的方法包括的步骤
1) 通过图1中的系统控制模块1 (DSP+FPGA，数字信号处理器/现场可编程门阵列) 选择系统激励电流的频率、幅值和相位，激励模式与测量模式。可以选择的频率范围为 lkHz-lMHz，幅值范围为0.1mA-2mA，相位范围为0° -360° 。激励模式和测量模式可以 选择为相邻模式、相对模式和相间(间隔l-6个电极)模式。
2) 通过系统控制模块配置驱动模块2的四个正弦波形发生器的参数，生成具有所选频 率、幅值和相位的正弦电压信号，再由电流驱动模块2中的电压控制电流源电路将电压信 号转换为四路电流信号(/,~/4)。
3) 在系统控制模块控制之下，通过激励通道选通模块3按照所选的激励模式选通电极 阵列4中的电极，每层选择一对电极，将四路电流激励信号分四层施加到被测目标表面， 在被测目标内部建立起敏感场。待数据采集结束之后，切换施加电流的电极对，进行新一 轮的数据采集，直至测量结束。
4) 在系统控制模块控制之下，通过测量通道选通模块5按照所选测量模式选通电极阵 列4中的相应电极对，提取被测目标表面的电压信号，并送入信号调理模块6中。
5) 在信号调理模块中，先经过仪表放大电路进行初步放大，再经过由系统控制模块控 制的可编程增益放大电路将信号调整为适于解调电路输入电压范围的信号，经过解调电路 和A/D转换电路后，将信号转换为数字信号，并送入系统控制模块采集数据。
6) 由系统控制模块通过计算机接口电路(串行通信接口或USB接口电路)将采集结果 送入计算机7，在计算机内部，通过节点反投影成像算法进行成像。
本实用新型的激励测量方式如图2所示。同时扩展了LCD显示模块，用于显示本实用 新型的模式和各种参数；扩展了 EEPROM存储模块用于辅助存储。
本实用新型的应用实施例4层64双通道复合式电极的圆柱体实验模型 如图3所示，(1)为实验模型侧视图片，(2)为实验模型俯视图片所示，本实用新型 采用一个圆柱型的有机玻璃容器来模拟人体胸腔实验模型。容器高30cm、内直径30cm、 壁厚0.8cm，内放NaCl溶液。在模型壁上均匀安放64个复合电极，各层电极中心间隔6cm 均匀分布在4个平面上。本实用新型的复合式电极为圆形铜电极与长方形铜片组成形式的 复合型电极，图3中(3)为复合型电极示意图。其中，位于中心圆形铜电极的直径为0.9cm， 长方形铜电极的长为4cm，宽2cm。
本实用新型为进一步提高了图像分辨率,采用的节点反投影成像算法,其原理描述如下 在普通反投影计算中，假设每个剖分单元内电阻率均匀分布，将有限元剖分单元作为基 本像素。由于计算机运算速度的限制，剖分单元的规模受到很大限制，使得重构图像质量 难以明显提高。作为图像显示的基本像素，剖分得到的面元或体元的大小直接制约着图像 分辨率的提高。
为了提高图像分辨率，将平面内一系列离散点作为基本像素，通过对离散点位置的像素 值进行数据插值得到像素连续分布的平面图像。在反投影过程中，不须将边界的信息反投影回组成连续投影域的剖分单元，而投影到离散节点后也可利用数据插值的方法得到像素 连续投影域图像。具体方法如下
首先，建立节点单元即在有限元剖分单元的基础上建立以节点为中心的辅助单元，要求 节点单元具备如下特征第一，所有辅助单元如同有限元的剖分单元一样，也恰能完成对 场域的离散，即不交叠不遗漏。这样，整个场域刚好由节点单元拼合而成；第二，除边界 单元外，各节点位于辅助单元的中心。节点单元的构造，如图4所示。
然后，以节点单元为基本计算单位，应用反投影法将内部阻抗在边界的投影值沿等位线 反投回投影区域内的节点单元。通过改变激励电极对，将相应的边界的投影值反投回节点 单元再进行叠加运算，就得到各节点单元的阻抗值。
最后，对各节点单元的阻抗值做平滑处理。将节点单元作为重构图像的基本像素单元， 并对各节点单元的阻抗值做平滑处理，将各节点单元离散为更小的像素单元。将节点单元 的阻抗值作为其中心节点位置所处像素单元的值，再按照节点间的相互位置，通过插值计 算得到其它像素单元的值。在进行插值运算时，可以将场域离散为规则的细密网格，作为 重构图像的显示像素矩阵。
本实用新型的节点反投影成像方法，一方面避免了单元电位的计算，并且剖分节点数量 远远少于单元数量，大大减少了计算量；另一方面，由于将计算得到的剖分节点阻抗值通 过进一步的细密网格插值，将插值点作为重构图像的基本像素，使图像的分辨率得到大幅 度的提高。
为了进一步提高图像的分辨率，本实用新型将平面内一系列离散点作为基本像素，通过 对离散点位置的像素值进行数据插值得到像素连续分布的平面图像。所以，在反投影过程 中，不将边界的信息反投影回组成连续投影域的剖分单元，而是投影到离散节点后再利用 数据插值的方法来得到像素连续的重构图像，进一步提高了图像分辨率。
本实用新型的实验模型成像和人体呼吸过程成像
实验模型成像
将长40cm直径lcm的树脂棒放入实验模型的左侧靠近边缘位置、将长40cm直径lcm 的铝棒放入实验模型的中心位置、将长40cm直径2cm的三个树脂棒放入实验模型、将长 25cm直径lcm的树脂棒放入实验模型左侧，将长4cm直径lcm的铝棒垂直悬挂置于自下 而上的第二层电极所在平面、将一块猪的离体肌肉组织与一块离体脂肪组织分分别置于实 验模型左侧和右侧，进行实验并采用节点反投影成像算法成像，结果分别如图5中(l)-(6)所示，(a) - (d)分别对应自下而上的四层测量电极所在平面的重建图像。
人体呼吸过程成像
配以心电电极作为呼吸监测电极，四层电极粘贴位置中心线位置为人体剑突骨下沿以 下3cm、剑突骨下沿、突骨下沿以上3cm和剑突下沿以上6cm。左右对称，按周长均匀布 置。激励通道和测量通道共用同一个电极。在人体呼吸过程中，利用本实用新型检测人体 胸腔电阻抗变化，并利用节点反投影成像算法进行图象重建，图像的重建结果见图6, (1) -(4)分别对应自下而上的四层测量电极所在平面的重建图像。可以对人体呼吸过程胸腔 电阻抗变化过程进行实时成像。
权利要求1、一种基于128通道的生物电阻抗成像装置，其特征在于它主要包括系统控制模块，用于对整体系统的控制，包括选择系统激励电流的频率、幅值和相位，选择激励模式与测量模式，控制激励通道和测量通道的选通和切换、调整可编程增益放大电路的放大倍数，以及与计算机之间的通信；电流驱动模块，用于配置四个正弦波形发生器的参数，生成具有所选频率、所选相位的正弦电压信号，再由电流驱动模块中的电压控制电流源电路将电压信号转换为四路电流信号；激励通道选通模块，用于按照所选的激励模式选通电极阵列中的四对电极，将四路电流激励信号分四层施加到被测目标表面，在被测目标内部建立起敏感场；测量通道选通模块，用于按照所选测量模式选通电极阵列中的相应电极对，提取被测目标表面的电压信号，并送入信号调理模块中；信号调理模块，用于先经过仪表放大电路进行初步放大，再经过由系统控制模块控制的可编程增益放大电路将信号调整为适于解调电路输入电压范围的信号，经过解调电路和A/D转换电路后，将信号转换为数字信号，并送入系统控制模块采集数据；计算机，通过串行通信接口或USB接口电路将采集结果在计算机内部通过节点反投影成像算法进行成像。
2、 根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于所述的系统控制模块是DSP+FPGA 系统控制模块。
3、 根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于该成像装置还包括LCD显示。
4、 根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于该成像装置包括EEPROM存储辅助 功能模块。
5、 根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于所述的激励电流的频率为 lkHz-lMHz。
6、 根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于所述的激励模式和测量模式为相邻模 式、相对模式或间隔l-6个电极的相间模式。
7、 根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于所述的四层激励信号之间的相位差在 0° -360°之间任意选择。
8、 根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于所述的电极阵列为串行-并行混合结构 的64个双通道的复合电极，用于激励和测量的64复合电极分4层，每层之间的工作方式 是并行。
专利摘要本实用新型涉及一种128通道的生物电阻抗成像装置。该成像装置主要包括电流驱动模块、激励通道选通模块、测量通道选通模块、信号调理模块、系统控制模块和计算机成像等主要功能模块，同时扩展了LCD显示和EEPROM存储等辅助功能模块。该成像方法为节点反投影成像方法。本实用新型具有成像速度快，分辨率高的特点，适合于实时成像。配用临床心电电极，可以进行生物体呼吸过程胸腔电阻抗变化过程的实时成像，具有重复性好、可靠性高、速度快、图像清晰、成本低、无损伤等特点。
文档编号A61B5/05GK201341881SQ20092009530
公开日2009年11月11日 申请日期2009年1月14日 优先权日2009年1月14日
发明者吴焕丽, 帅 张, 张剑军, 徐桂芝, 李有余, 硕 杨, 王仁平 申请人:河北工业大学