一种用于电阻抗断层成像数据采集系统的前置测量模块及标校方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于电阻抗断层成像数据采集系统的前置测量模块及测量方法，属于生物组织的电阻抗信号检测处理领域。该模块主要由激励通道单元、电极、测量通道单元、AD转换单元、控制单元组成。测量所用的电极分别与其对应的激励通道单元和测量通道单元相连接，激励通道单元获取系统激励源输出的激励信号，测量通道单元将所采集得到的电位信号经AD转换单元处理后上传到计算机。前置测量模块在标定和校准的模式下通过前置模块内部的标准增益单元采集相应的标定信息并上传到计算机。基于标定的流程和算法，计算机对前置测量模块的增益准确度、模块传输特性进行评估，并得出评估结果及标校参数。
【专利说明】
一种用于电阻抗断层成像数据采集系统的前置测量模块及标 校方法
技术领域
[0001] 本发明属于生物组织的电阻抗信号检测处理领域，具体涉及一种用于电阻抗断层 成像数据采集系统的前置测量模块及测量方法。
【背景技术】
[0002] 生物电阻抗断层成像技术是根据人体组织在不同生理、病理状态表达出不同电阻 率这一原理，利用电极向人体表施加定量的安全激励信号，同时测量电极上所产生的电位 信号，并通过一定的图像重构算法得到能够反映体内阻抗分布情况的图像。电阻抗数据采 集系统一般将多个电极平均分布于被测对象体表，当其中一对电极作为正负激励电极时， 可通过系统的测量模块来获取电极上的微弱电位信号。采集得到的电位信号首先通过测量 模块的调理电路调整为幅度合适的稳定信号，再传入后级电路进行采样处理转换成数字信 号并上传到计算机。
[0003] 由于生物组织的电阻抗特性存在差异，生物电阻抗断层成像技术正是利用采集信 号计算得到被测对象体内的阻抗数值并进行成像，从而能够识别出阻抗变化的病变区域 (如对颅内出血的检测），经测量模块调理得到的信号质量直接影响着系统的精度和识别病 灶的准确度和敏感度，这对数据采集系统的测量模块标定和校准评估提出了较高的要求。 但是，现有的测量装置测量精度低，对结果影响较大。因此，亟需一种具有高精度的信号测 量模块，并能够对其进行准确标校的设计方案，以便能对生物电阻抗数据采集系统进行及 时的调试和校准，从而确保采集数据的准确性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种用于电阻抗断层成像数据采集系统的前置测量模块 及测量方法，该前置测量模块具有高速、性能稳定等优点，通过该模块的标校功能可以显著 提高测量电路的稳定性和准确性，以方便对系统进行调试和标定。
[0005] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0006] -种用于电阻抗断层成像数据采集系统的前置测量模块，该前置测量模块由激励 通道单元、电极、测量通道单元、AD转换单元及控制单元组成;测量所用的电极分别与其对 应的激励通道单元和测量通道单元相连接;其中：
[0007] 控制单元，用于接收并译码来自计算机和系统主控模块的控制命令，并按照控制 命令对激励信号进行频率和幅度的调整以及电路模拟开关的切换；
[0008] 激励通道单元，用于获取在控制单元受控下系统激励源输出的激励信号；
[0009] 测量通道单元，根据控制单元的指令将所采集得到的电位信号传输到AD转换单 J L· 〇
[0010] 所述测量通道单元包含信号转换电路和增益放大电路。
[0011]所述激励通道单元，选用由低噪声高速运算放大器、精密电阻和模拟开关构成的 激励信号输入电路作为数据前置测量模块的信号输入级。
[0012] 所述测量通道单元，选用由运算放大器、程控增益放大器、标准单位增益放大电 路、精密阻容网络和模拟开关构成的信号测量通路作为系统所采集信号的调理模块。
[0013] 所述AD转换单元，选用由高速高精度的模数转换器和其外周电路构成的模数转换 电路作为测量模块的后级电路。
[0014] 前置测量模块中的屏蔽线缆选用由金属网状编织层包裹的双层芯线。
[0015] 本发明还公开了基于上述的用于电阻抗断层成像数据采集系统的前置测量模块 进行标定及校准的方法，包括以下步骤：
[0016] 1)连接标定通路
[0017] 将被测电极的激励通道单元与测量通道单元相连接;同时，将系统激励信号输入 到对应电极，并设置相应的激励频率和幅度；
[0018] 2)信号采集及数据信息提取
[0019] 测量通道单元根据标定模式将模拟开关进行切换，将获取的信号调理后传输到后 级电路进行处理；
[0020] 3)评估程控增益放大电路准确性
[0021] 将被测电极对应测量通道单元各个程控增益级别下调理得到的电压信号与标准 增益放大电路调理所得的电压信号进行对比，计算出各增益级别下的程控增益放大电路的 放大准确度：
[0022] 若某一级别的信号放大准确度能够达到预期阈值，则进行前置测量模块的传输特 性测试;若未能达到阈值要求，则结束增益准确性评估过程并提示相应存在问题的电极；
[0023] 4)评估前置测量模块各通道传输特性
[0024] 测定测试传输精度、幅值传输特性及相位偏移，并在规定的频率范围内，依次设定 激励信号的频率，获取并记录各电极对于的前置测量模块的传输特性数值；
[0025] 5)对前置测量模块各通道传输频响特性的校准和补偿
[0026] 分别对各电极所对应的前置测量模块的传输特性进行归一化校正，并获得相应的 校准参数，从而对各通道信号的幅值和相位进行补偿。
[0027] 被测电极所对应前置测量模块增益放大准确度的计算方法采用下式(1):
[0028]
[0029] 式中，Vii表示被测电极所对应前置测量模块程控增益放大电路所测得的电压值， V标表示标准增益放大电路所测得的电压值，g表示根据不同级别增益所给予的电压加权倍 数。由于采用了高精度电阻作为被测对象，因此可以用以上公式来计算增益放大的准确性。 计算所得到的百分比值越小，则表示增益放大的准确度越高。
[0030] 被测电极所对应前置测量模块的传输精度的计算，采用下式(2)和(3):
[0031]
[0032]
[0033] 式中，^测表示被测电极所对应前置测量通模块多次测量中的每一个电压幅值， 7TT 共重复测量η次，μ表示被测电极所对应前置测量模块η次测量所得到电压幅值的平均值，在 不同频率下记录不同的数值。
[0034] 第k个电极所对应前置测量模块传输特性归一化校正参数所采用下式(4):
[0035]
[0036] 式中，yk表示第k个电极所对应前置测量模块进行多次测量后所得到的电压幅值 的平均值，被测的数据采集系统共有r个电极；
[0037] 第k个电极所对应前置测量模块相位校正采用下式(5):
[0038]
[0039] 式中，表示在某一激励频率下，第k个电极所对应前置测量模块所得到电压信 号与激励信号的相位偏差，相同的，在不同频率下记录对应的相位校正参数。
[0040] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0041] 本发明公开的用于电阻抗断层成像数据采集系统的前置测量模块，由激励通道单 元、电极、测量通道单元、AD转换单元及控制单元组成;测量所用的电极分别与其对应的激 励通道单元和测量通道单元相连接，计算机将相应的指令通过数据传输接口发送给主控 模，主控模块根据指令对激励信号产生模块、前置测量模块的控制单元或数据传输模块进 行控制。通过检测并校准测量电路中程控增益放大器的增益放大精度以及通道传输特性充 分保证了数据采集系统测量模块的精度，前置的测量模块可以减少模拟信号的传输距离， 保证了系统数据采集的精度，从而提高了系统成像精度和识别病灶的准确度和敏感度。
[0042] 本发明还公开了基于上述前置测量模块的标定和校准方法，其优势主要体现在： (1)标定方法操作简洁，有较强的灵活性；（2)采用分步标校的方式，容易直接定位到相应的 问题所在；（3)标定精准，可移植性较强。
【附图说明】
[0043]图1为本发明的数据采集系统结构原理框图；
[0044]图2前置测量模块电路设计原理图；
[0045]图3精密增益放大电路原理图；
[0046]图4前置测量模块检测及标校流程图。
【具体实施方式】
[0047] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
[0048] 按照本发明的技术方案，本实施例给出一种具有校准功能的电阻抗断层成像数据 采集系统前置测量模块，其所构成的电阻抗断层成像数据采集系统结构原理框图如图1所 示。系统主要由计算机、主控模块、激励信号产生模块、前置测量模块以及数据传输接口构 成。计算机将相应的指令通过数据传输接口发送给主控模，主控模块根据指令对激励信号 产生模块、前置测量模块的控制单元或数据传输模块进行控制。其中，虚线主要表示控制信 号的传输，实现主要表示数据信号的传输，每一个电极均对应一个相应的前置测量模块，系 统能够实现并行采集，从而大大提高系统采集的速度。同时，前置的测量模块可以减少模拟 信号的传输距离，保证了系统数据采集的精度。
[0049] 本实施例用于完成具有16电极生物电阻抗数据采集系统的前置测量模块设计。本 实施例的激励信号产生模块采用了数字频率合成的方式产生电压信号，之后经压控电流源 生成并输出电流激励信号到前置测量模块。该电流源输出的电流幅值可设置为1~1250uA， 频率可设置为Ik~200KHZ之间的任意频率点。前置测量模块采集得到的信号进入数据传输 接口后，通过由网络控制器DM9000构成的数据传输模块将采集数据上传到计算机。
[0050] 参见图2,为本发明设计的前置测量模块的电路设计原理图。测量模块主要由激励 通道单元、电极、测量通道单元、控制单元以及AD转换单元组成。当某一电极作为正激励电 极时，其所对应测量模块的控制单元将控制模拟开关S1导通，使激励通道单元与电极连通， 同时断开整个测量通道单元;当某一电极作为负激励电极时，控制单元将控制开关S2通，从 而使得从负激励电极流入的电流转换为电压信号，并经后级程控增益放大后传输给AD转换 单元;当某一电极作为测量电极时，控制单元将控制开关S3差分运算放大器A4导通，从而使 得该电极测量通道的电压与上一电极测量通道的电压求差，并转换成单端信号，经后级程 控增益放大后传输给AD转换单元。经增益放大电路放大后的信号经AD转换单元转换为数字 信号，根据控制单元的指令将调理信号输出到系统的数据传输接口。
[0051] 本实施例用于进行前置测量模块校准时，控制单元控制模拟开关S1、S2同时闭合， 使得激励通道单元与测量通道单元连通，选择二选一模拟开关S3与运算放大器A2所构成的 电路连通。控制单元根据计算机指令分别将二选一模拟开关S4与程控增益放大电路（即 PGA)或由精密增益放大器A5所构成的标准单位增益放大电路连通，并将放大的信号传输给 AD转换单元进行处理。
[0052]在本实施例的前置测量模块中，使用MCU单片机芯片及其外围电路实现控制前置 模块的功能，接收并处理来自系统主控模块的控制信号，同时按照指令对相应的模拟开关 和放大器进行控制和设置以及AD的数据采集转换；采用的MCU芯片为STM32公司的 STM32L151CBT6,该芯片为超低功耗32位处理器，多达512KB的闪存以及80KB的SRAM。
[0053]参见图3,为本实施例中用于标定的精密增益放大电路原理图。放大器A5选用了数 字可编程增益仪表放大器AD8253,其具有级别输入阻抗、低输出噪声和低失真特性。本实 施中将运算放大器A5所组成的增益电路作为标准单位增益电路。经PCB电路板测试，其在单 位增益时增益误差仅为0.01%，不同负载下非线性度约为3ppm。在本实施例中，该校准标定 过程配合计算机上的标定程序进行，对每个电极所对应的前置测量模块进行检测，并将检 测结果通过显示器输出。
[0054]参见图4为对前置测量模块进行检测及标校的流程图，具体检测及数据分析校准 方法按以下步骤实施：
[0055] (1)将所有电极的前置测量模块均与系统连接，构成完整的具有16电极的电阻抗 断层成像数据采集系统。
[0056] (2)接通电源，对数据采集系统进行30min左右的预热，以确保系统性能达到稳定。 在计算机上打开EIT标定校准软件，对激励电流幅值、激励频率和对应的参数进行选择和设 置。在本实施例中，设置激励信号的电流幅值为lOOOuA，激励频率为1K、10K、50K、100K、 150Κ、200Κ (单位均为Hz)，共计6个频率点。
[0057] (3)在软件中选择需要测试的电极编号，从而确定需要采集的前置测量模块。可以 选择所有测量模块的测试，也可以针对某些特定电极的前置测量模块进行测试。同时，测量 的次数也可以进行选择。软件中可以选择的测试模式有:程控增益放大准确性测试、测量模 块传输精度测试、校准参数计算。
[0058]本实施例中测试模式按如下进行：
[0059] a)选择程控增益放大准确性的测试:软件针对16个电极所对应的前置测量模块各 个程控级别增益下分别进行数据采样，之后控制单元根据相关控制命令切换电路中的模 拟开关，对标准增益放大电路在单位增益下的数据进行采样。按照公式（1)判断计算各模块 的信号增益准确度是否满足要求，本实例根据实际设置阈值要求为
[0060]
[0061 ]式中，Vii表示被测电极所对应前置测量模块程控增益放大电路所测得的电压值， V标表示标准增益放大电路所测得的电压值，g表示根据不同级别增益所给予的电压加权倍 数；
[0062]切换不同的激励频率，分别重复上述检测过程。若所有电极所对应的前置测量模 块均符合要求，则可继续选择传输特性测试;否则记录存在问题测量模块所对应的电极编 号。
[0063] b)进入模块传输精度测试模式时，设置软件使所有电极所对应的前置测量模块同 时进行数据采集，在指定的6个频率点下测试20次并记录。按照公式(2)、（3)计算结果并显
不。
[0064]
[0065]
[0066] 式中表示被测电极所对应前置测量通模块多次测量中的每一个电压幅值， 共重复测量η次，μ表示被测电极所对应前置测量模块η次测量所得到电压幅值的平均值，在 不同频率下记录不同的数值。
[0067] c)选择校准参数计算，设置软件对步骤b)中的数据按照公式(4)、（5)进行计算，从 而得到各电极所对应前置测量模块的校准参数，并将结果显示。
[0068]
[0069]式中，yk表不弟k个电极所对奴丽置测量模块进行多次测量后所得到的电压幅值 的平均值，被测的数据采集系统共有r个电极；
[0070] 第k个电极所对应前置测量模块相位校正采用下式(5):
[0071]
[0072] 式中，^；表示在某一激励频率下，第k个电极所对应前置测量模块所得到电压信 号与激励信号的相位偏差，相同的，在不同频率下记录对应的相位校正参数；
[0073] d)参数检测完成后，通过软件将校正参数进行保存并退出程序，结束整个校准流 程。
[0074]综上所述，本发明公开的具有标校功能的电阻抗成像数据采集系统前置测量模 块，该模块主要由激励通道单元、电极、测量通道单元、AD转换单元、控制单元组成。测量所 用的电极分别与其对应的激励通道单元和测量通道单元相连接，激励通道单元获取系统激 励源输出的激励信号，测量通道单元将所采集得到的电位信号经AD转换单元处理后上传到 计算机。前置测量模块在标定和校准的模式下通过前置模块内部的标准增益单元采集相应 的标定信息并上传到计算机。基于标定的流程和算法，计算机对前置测量模块的增益准确 度、模块传输特性进行评估，并得出评估结果及标校参数。
[0075]以上本发明所述的实施例均为说明性的，而非限定性的，因此本发明并不限于具 体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据发明方案所得出的等效替换和改 变，同样属于本发明保护的范围。
【主权项】
1. 一种用于电阻抗断层成像数据采集系统的前置测量模块，其特征在于，该前置测量 模块由激励通道单元、电极、测量通道单元、AD转换单元及控制单元组成;测量所用的电极 分别与其对应的激励通道单元和测量通道单元相连接;其中： 控制单元，用于接收并译码来自计算机和系统主控模块的控制命令，并按照控制命令 对激励信号进行频率和幅度的调整W及电路模拟开关的切换； 激励通道单元，用于获取在控制单元受控下系统激励源输出的激励信号； 测量通道单元，根据控制单元的指令将所采集得到的电位信号传输到AD转换单元。2. 根据权利要求1所述的用于电阻抗断层成像数据采集系统的前置测量模块，其特征 在于，测量通道单元包含信号转换电路和增益放大电路。3. 根据权利要求1所述的用于电阻抗断层成像数据采集系统的前置测量模块，其特征 在于，激励通道单元，选用由低噪声高速运算放大器、精密电阻和模拟开关构成的激励信号 输入电路作为数据前置测量模块的信号输入级。4. 根据权利要求1所述的用于电阻抗断层成像数据采集系统的前置测量模块，其特征 在于，测量通道单元，选用由运算放大器、程控增益放大器、标准单位增益放大电路、精密阻 容网络和模拟开关构成的信号测量通路作为系统所采集信号的调理模块。5. 根据权利要求1所述的用于电阻抗断层成像数据采集系统的前置测量模块，其特征 在于，AD转换单元，选用由高速高精度的模数转换器和其外周电路构成的模数转换电路作 为测量模块的后级电路。6. 根据权利要求1所述的用于电阻抗断层成像数据采集系统的前置测量模块，其特征 在于，前置测量模块中的屏蔽线缆选用由金属网状编织层包裹的双层忍线。7. 基于权利要求1~6中任意一项所述的用于电阻抗断层成像数据采集系统的前置测 量模块进行标定及校准的方法，其特征在于，包括W下步骤： 1) 连接标定通路 将被测电极的激励通道单元与测量通道单元相连接；同时，将系统激励信号输入到对 应电极，并设置相应的激励频率和幅度； 2) 信号采集及数据信息提取 测量通道单元根据标定模式将模拟开关进行切换，将获取的信号调理后传输到后级电 路进行处理； 3) 评估程控增益放大电路准确性 将被测电极对应测量通道单元各个程控增益级别下调理得到的电压信号与标准增益 放大电路调理所得的电压信号进行对比，计算出各增益级别下的程控增益放大电路的放大 准确度:若某一级别的信号放大准确度能够达到预期阔值，则进行前置测量模块的传输特 性测试;若未能达到阔值要求，则结束增益准确性评估过程并提示相应存在问题的电极； 4) 评估前置测量模块各通道传输特性 测定测试传输精度、幅值传输特性及相位偏移，并在规定的频率范围内，依次设定激励 信号的频率，获取并记录各电极对于的前置测量模块的传输特性数值； 5) 对前置测量模块各通道传输频响特性的校准和补偿 分别对各电极所对应的前置测量模块的传输特性进行归一化校正，并获得相应的校准 参数，从而对各通道信号的幅值和相位进行补偿。8. 根据权利要求7所述的标定及校准的方法，其特征在于，被测电极所对应前置测量模 块增益放大准确度的计算方法采用下式(1):式中，Vii表示被测电极所对应前置测量模块程控增益放大电路所测得的电压值，V标表 示标准增益放大电路所测得的电压值，g表示根据不同级别增益所给予的电压加权倍数。9. 根据权利要求7所述的标定及校准的方法，其特征在于，被测电极所对应前置测量模 块的传输精度的计算，采用下式(2)和(3):式中表示被测电极所对应前置测量通模块多次测量中的每一个电压幅值，共重 复测量η次，μ表示被测电极所对应前置测量模块η次测量所得到电压幅值的平均值，在不同 频率下记录不同的数值。10. 根据权利要求7所述的标定及校准的方法，其特征在于，第k个电极所对应前置测量 模块传输特性归一化校正参数所采用下式(4):式中，Wk表示第k个电极所对应前置测量模块进行多次测量后所得到的电压幅值的平均 值，被测的数据采集系统共有r个电极； 第k个电极所对应前置测量模块相位校正采用下式巧）：式中，^表示在某一激励频率下，第k个电极所对应前置测量模块所得到电压信号与 激励信号的相位偏差，相同的，在不同频率下记录对应的相位校正参数。
【文档编号】G06T11/00GK105976411SQ201610332979
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】史学涛, 李蔚琛, 夏军营, 付峰, 杨琳, 张戈
【申请人】中国人民解放军第四军医大学