专利名称：一种交叉平面电阻抗成像测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及电阻抗测量中的接触及测量装置，特别涉及一种对人体器官组织的电阻抗成像测量装置及方法。
背景技术：
电阻抗成像是一种只需在物体表面进行测量，而重构出内部阻抗分布的手段。它通过注入电流到一个目标区域建立电场，随后对目标周边产生的电压进行测量。传统的电阻抗断层成像技术中，电极的放置通常局限于某个平面，然而，电阻抗成像本质上是一个三维问题，其电流不局限于在某个平面上流动，因此，二维图像重建通常会产生伪像。而三维电阻抗成像的主要问题是系统无法负担复杂的算法，病态性使得算法有时难以实现，尤其是在边缘区域，最终造成重建图像中目标位置难以判断或形状扭曲。开放式电阻抗成像系统能够很好地实现物体的表层阻抗判定，但是受制于探测深度的因素，精度只能保证在2 3 厘米的范围内。为此开发的交叉平面电极阵列系统，通过交错的二维平面测量数据，能够更有效地构建三维成像模型，并在保证有效精度的前提下减小了直接三维重构的计算量。发明内容
本发明的目的是针对现有技术的上述问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种，提供一种用于获取物体表面由装置激励电流而引起的电压，从而推导出物体内部的三维电阻抗信息的装置及方法。该方案从水平切面及垂直剖面上均可获取电压信息，分别进行切面上的成像，进而组合形成空间三维图形；也可以通过对任意接触点进行激励，获取其余任意位置间电压，进而实现多种组合测量方式，实现多元算法拓展，提高图像精度。
本发明的目的之一是提出一种交叉平面电阻抗成像测量装置；本发明的目的之二是提出一种交叉平面电阻抗成像测量方法。
本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的
本发明提供的一种交叉平面电阻抗成像测量装置，包括框体、分布在框体上的测量单元和输出单元，所述测量单元为分散设置于框体上用于获取被测物体表面在激励电流作用下而引起的电压信号的测量电极，所述测量电极将获取的电压信号输入到输出单元。
进一步，所述框体为半球体，所述测量电极等间距环状地分布在半球体框体上，所述框体顶部中央设置有共用电极，所述共用电极与输出单元连接；
进一步，所述测量电极沿框体的纵向切面对称分布形成竖直电极组，所述测量电极沿半球体的纵向切面设置2-8组竖直电极组。
进一步，所述测量电极沿框体的水平切面对称分布形成水平电极层，所述测量电极沿框体水平设置2-10层水平电极层。
进一步，还包括中央控制处理器和成像系统，
所述中央控制处理器，用于接收并处理电压信号通过三维重构算法来得到被测物体内部的电阻抗分布；
所述成像系统，用于输出被测物体内部的电阻抗分布信息。
进一步，所述中央控制处理器包括激励源控制单元、数字频率合成单元、多路复用控制单元、高速相敏检波单元、快速傅立叶变换解调测量信号单元；
所述运算处理系统包括激励源控制单元，用于通过相位累加器产生数字正弦信号;
所述数字频率合成单元，用于将不同频率的数字正弦信号进行合成，通过注入合成后的电信号能够提高测量效率，增加获取的电阻抗信息；
所述多路复用控制单元，用于对激励信号的注入位置及电压采集点进行控制；
所述高速相敏检波单元，用于将采集到电压信号的幅值和相位进行分离与测量；
所述快速傅立叶变换解调测量信号单元，用于将的到的电压信号通过抽样截断， 将时间信号转化为离散序列，以得到信号的频域特性；
进一步，还包括开关阵列，所述激励源控制单元通过开关阵列与测量单元连接。
本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的
本发明提供的一种利用交叉平面电阻抗成像测量装置来进行的电阻抗成像测量方法，包括以下步骤
SI :输入激励信号；
S2 :选择测量方式和激励电极组；
S3 :获取相应测量电极间的电压信号并输入到运算处理器进行处理；
S4:根据选择的测量方式，轮换激励电极组，轮换相应测量电极组，依次测得所有信号;
S5:当相应测量方式的所有激励及测量组合完成后，根据所有信号完成被测物体在三维空间上的电阻抗图像重构。
进一步，所述激励信号通过发送指令给中央控制处理器所产生；所述激励信号经过信号预处理电路处理后转换成模拟激励信号再输入到中央控制处理器中。
进一步，所述输入激励信号及测量方式采用以下三种组合来进行
方式一以框体顶部的共用电极为激励电流流出点，以其他测量电极依次作为为激励电流流入点，测量流入点与相应测量电极间的电压值，依次轮流，最终得到所有电压数据，作为重构矩阵元素；
方式二 首先分别测量各水平电极层中的测量电极，测量时依次以两个测量电极作为激励的两端，分别测量其余所有相邻测量电极间的电压值；然后分别测量各竖直电极组中的测量电极，测量时依次以两个相邻测量电极作为激励的两端，分别测量其余所有相邻测量电极间的电压值；
方式三以跨平面，跨电极的任意两个电极作为激励的两端，分别测量其余所有测量电极的电压值。
本发明的优点在于
I)通过交错的电压测量及后续的电阻抗重构，能够反映被测物体在空间上的微小变化，将增量信号放大则突出了微小的变化量，这样仅用较低分辨率的模数转换器就能检测被测信号的微小变化，提高了测量精度。
2)该系统与皮肤表面的接触阻抗小，且由于输出阻抗自动补偿的应用，使得该系统的抗干扰能力强，测量漂移小，稳定性好。
3)该系统激励采样混频数字信号发生，能够实现多频叠加，能够根据被测对象在不同频率下电阻抗特性进行设置，有效提高了测量的灵活性，同时也进一步提高了测量精度。
4)该系统采用基于FPGA的数字相敏解调(DPSD)及FFT处理方式，通过将参考信号与测量信号叠加得到被测信号的幅度和相位值，反映了被测信号的微小变化，且具有速度快，对噪声具有较强的抑制作用的特点。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中
图I为本发明的交叉平面电极排布示意图侧视图和俯视图2为本发明的交叉平面电极排布示意图侧视图和俯视图3为本发明的一个应用模型的示意图4为本发明使用的测量电极示意图5为本发明的系统原理框图6为本发明的混合频率激励源发生器的原理示意图7为本发明的FPGA上数字相敏检波原理的示意图8为基于本发明的交叉平面电极排布，而形成的信号激励及检测方式一；
图9为基于本发明的交叉平面电极排布俯视图，而形成的信号激励及检测方式 -* ;
图10为基于本发明的交叉平面电极排布主视图，而形成的信号激励及检测方式 -* ;
图11为基于本发明的交叉平面电极排布，而形成的信号激励及检测方式三；
图12为本发明的电阻抗自动补偿模块电路中的激励源输出阻抗检测电路图13为本发明的电阻抗自动补偿模块电路中的负阻抗补偿电路电路图14为使用本发明获取的不同平面上的电阻抗信息分布图15为使用本发明获取的物体三维空间电阻抗信息分布；
图16为使用本发明测量的操作流程图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
实施例I
图I为本发明的交叉平面电极排布示意图侧视图和俯视图，图2为本发明的交叉平面电极排布不意图侧视图和俯视图，图3为本发明的一个应用模型的不意图，图4为本发明使用的测量电极示意图，图5为本发明的系统原理框图，如图所示本发明提供的一种交叉平面电阻抗成像测量装置，包括框体、分布在框体上的测量单元和输出单元，所述测量单元为分散设置于框体上用于获取被测物体表面在激励电流作用下而引起的电压信号的测量电极，所述测量电极将获取的电压信号输入到输出单元。
所述框体为半球体。所述测量电极等间距环状地分布在框体上，所述测量电极沿框体的纵向切面对称分布形成竖直电极组，所述测量电极沿半球体的纵向切面设置2-8组竖直电极组。所述测量电极沿框体的水平切面对称分布形成水平电极层，所述测量电极沿框体水平设置2-10层水平电极层。所述框体顶部中央设置有共用电极，所述共用电极与输出单元连接。还包括中央控制处理器和成像系统，所述中央控制处理器，用于接收并处理电压信号通过三维重构算法来得到被测物体内部的电阻抗分布；所述成像系统，用于输出被测物体内部的电阻抗分布信息。所述中央控制处理器包括激励源控制单元、数字频率合成单元、多路复用控制单元、高速相敏检波单元、快速傅立叶变换解调测量信号单元；所述运算处理系统包括激励源控制单元，用于通过相位累加器产生数字正弦信号；所述数字频率合成单元，用于将不同频率的数字正弦信号进行合成，通过注入合成后的电信号能够提高测量效率，增加获取的电阻抗信息；所述多路复用控制单元，用于对激励信号的注入位置及电压采集点进行控制；所述高速相敏检波单元，用于将采集到电压信号的幅值和相位进行分离与测量；所述快速傅立叶变换解调测量信号单元，用于将的到的电压信号通过抽样截断，将时间信号转化为离散序列，以得到信号的频域特性；还包括开关阵列，所述激励源控制单元通过开关阵列与测量单元连接。
本发明提供的实施例还提供了一种利用交叉平面电阻抗成像测量装置来进行的电阻抗成像的测量方法，包括以下步骤
SI :输入激励信号；
S2 :选择测量方式和激励电极组；
S3 :获取相应测量电极间的电压信号并输入到运算处理器进行处理；
S4:根据选择的测量方式，轮换激励电极组，轮换相应测量电极组，依次测得所有信号;
S5:当相应测量方式的所有激励及测量组合完成后，根据所有信号完成被测物体在三维空间上的电阻抗图像重构。
所述激励信号通过发送指令给中央控制处理器所产生；所述激励信号经过信号预处理电路处理后转换成模拟激励信号再输入到中央控制处理器中。
所述输入激励信号及测量方式采用以下三种组合来进行
方式一以框体顶部的共用电极为激励电流流出点，以其他测量电极依次作为为激励电流流入点，测量流入点与相应测量电极间的电压值，依次轮流，最终得到所有电压数据，作为重构矩阵元素；
方式二 首先分别测量各水平电极层中的测量电极，测量时依次以两个测量电极作为激励的两端，分别测量其余所有相邻测量电极间的电压值；然后分别测量各竖直电极组中的测量电极，测量时依次以两个相邻测量电极作为激励的两端，分别测量其余所有相邻测量电极间的电压值；
方式三以跨平面，跨电极的任意两个电极作为激励的两端，分别测量其余所有测量电极的电压值。
实施例2
下面详细描述交叉平面电阻抗成像测量装置及测量方法7
图6为本发明的混合频率激励源发生器的原理示意图，图7为本发明的FPGA上数字相敏检波原理的示意图，图8为基于本发明的交叉平面电极排布，而形成的信号激励及检测方式一，图9为基于本发明的交叉平面电极排布俯视图，而形成的信号激励及检测方式二，图10为基于本发明的交叉平面电极排布主视图，而形成的信号激励及检测方式二， 图11为基于本发明的交叉平面电极排布，而形成的信号激励及检测方式三，图12为本发明的电阻抗自动补偿模块电路中的激励源输出阻抗检测电路图，图13为本发明的电阻抗自动补偿模块电路中的负阻抗补偿电路电路图，图14为使用本发明获取的不同平面上的电阻抗信息分布图，图15为使用本发明获取的物体三维空间电阻抗信息分布，如图所示 本发明实施例2提供的交叉平面电阻抗成像测量装置采用的信号发生电路由现场可编程门阵列(FPGA)芯片构成。FPGA可选用ALTERA或是XILINX公司的芯片，比如ALTERA的 CYCLONEII。FPGA内部实现直接数字合成器DDS，产生特定频率和相位的数字波形信号。
本发明实施例中采用的数模转换电路模块，即图5中DAC&Filter所示。高速数模转换芯片可选用ADI或TI等公司的产品，比如TI的DAC2902。DAC2902将DDS产生的数字激励信号转换为模拟激励信号。
本发明实施例中采用的阻抗检测及阻抗自动补偿模块，如图5中所示，主要使用了 ADI公司的高频差分放大器AD8130。
电阻抗自动补偿模块的使用能够根据被测物体的电阻抗及寄生电容大大小，自动补偿其不利影响，提高输出阻抗值，原理如下所述。
如图12所示，恒流源用一个理想的电流源并联输出电阻和输出电容的电路模型表示，其中校正电阻Rcal=IOkQ。系统正常工作时，则两个开关均打开；而用于调节阻抗时，模拟开关切换到有负载Rcal和无负载，用相敏检波器测得的输出电压分别为V。/和
经相敏检波，在两种不同负载情况下的测量值为
VcalH = VrH+jVqH (I)
VcalL = VrL+jVqL
式中，V。/表示接有校正电阻时的输出电压；ν/表示接有校正电阻时的同相电压分量；vqH表示接有校正电阻时的正交电压分量；ν。表示未接校正电阻时的输出电压；V, 表不未接校正电阻时的同相电压分量表不未接校正电阻时的正交电压分量；
而由电路计算得
权利要求
1.一种交叉平面电阻抗成像测量装置，其特征在于包括框体、分布在框体上的测量单元和输出单元，所述测量单元为分散设置于框体上用于获取被测物体表面在激励电流作用下而引起的电压信号的测量电极，所述测量电极将获取的电压信号输入到输出单元。
2.根据权利要求I所述的交叉平面电阻抗成像测量装置，其特征在于所述框体为半球体，所述测量电极等间距环状地分布在半球体框体上，所述框体顶部中央设置有共用电极，所述共用电极与输出单元连接。
3.根据权利要求I所述的交叉平面电阻抗成像测量装置，其特征在于所述测量电极沿框体的纵向切面对称分布形成竖直电极组，所述测量电极沿半球体的纵向切面设置2-8组竖直电极组。
4.根据权利要求I所述的交叉平面电阻抗成像测量装置，其特征在于所述测量电极沿框体的水平切面对称分布形成水平电极层，所述测量电极沿框体水平设置2-10层水平电极层。
5.根据权利要求I所述的交叉平面电阻抗成像测量装置，其特征在于还包括中央控制处理器和成像系统， 所述中央控制处理器，用于接收并处理电压信号通过三维重构算法来得到被测物体内部的电阻抗分布； 所述成像系统，用于输出被测物体内部的电阻抗分布信息。
6.根据权利要求5所述的交叉平面电阻抗成像测量装置，其特征在于所述中央控制处理器包括激励源控制单元、数字频率合成单元、多路复用控制单元、高速相敏检波单元、快速傅立叶变换解调测量信号单元； 所述运算处理系统包括激励源控制单元，用于通过相位累加器产生数字正弦信号； 所述数字频率合成单元，用于将不同频率的数字正弦信号进行合成，通过注入合成后的电信号能够提高测量效率，增加获取的电阻抗信息； 所述多路复用控制单元，用于对激励信号的注入位置及电压采集点进行控制； 所述高速相敏检波单元，用于将采集到电压信号的幅值和相位进行分离与测量； 所述快速傅立叶变换解调测量信号单元，用于将的到的电压信号通过抽样截断，将时间信号转化为离散序列，以得到信号的频域特性信号。
7.根据权利要求I所述的交叉平面电阻抗成像测量装置，其特征在于还包括开关阵列，所述激励源控制单元通过开关阵列与测量单元连接。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种交叉平面电阻抗成像测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤 51:输入激励信号； 52:选择测量方式和激励电极组； 53:获取相应测量电极间的电压信号并输入到运算处理器进行处理； S4:根据选择的测量方式，轮换激励电极组，轮换相应测量电极组，依次测得所有信号; S5 :当相应测量方式的所有激励及测量组合完成后，根据所有信号完成被测物体在三维空间上的电阻抗图像重构。
9.根据权利要求8所述的交叉平面电阻抗成像测量方法，其特征在于所述激励信号通过发送指令给中央控制处理器所产生；所述激励信号经过信号预处理电路处理后转换成模拟激励信号再输入到中央控制处理器中。
10.根据权利要求8所述的交叉平面电阻抗成像测量方法，其特征在于所述输入激励信号及测量方式采用以下三种组合来进行 方式一以框体顶部的共用电极为激励电流流出点，以其他测量电极依次作为为激励电流流入点，测量流入点与相应测量电极间的电压值，依次轮流，最终得到所有电压数据，作为重构矩阵元素； 方式二 首先分别测量各水平电极层中的测量电极，测量时依次以两个测量电极作为激励的两端，分别测量其余所有相邻测量电极间的电压值；然后分别测量各竖直电极组中的测量电极，测量时依次以两个相邻测量电极作为激励的两端，分别测量其余所有相邻测量电极间的电压值； 方式三以跨平面，跨电极的任意两个电极作为激励的两端，分别测量其余所有测量电极的电压值。
全文摘要
本发明公开了一种能通过获取物体表面电压信息，特别涉及人体器官组织，如头部，乳房等，能改善电场空间分布不均匀性，较好地重构物体内部三维电阻抗分布的装置及方法。该方案从水平切面及垂直剖面上均可获取电压信息，分别对各切面上成像，进而组合形成空间三维图形；也可以通过对表面上任意接触点进行激励，获取其余任意位置间电压，进而实现多种组合测量方式，实现多元算法拓展，提高图像精度。该设计主要包括65个分布在半球面上的特殊电极；以高性能FPAG为核心，使得激励源控制，数字频率合成，多路复用控制，高速相敏检波，快速傅立叶变换解调测量信号等功能集成在单一的芯片中的整体设计；能够实现针对被测物体的自适应调节输出阻抗的电路设计。
文档编号A61B5/053GK102973269SQ201210566200
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月24日 优先权日2012年12月24日
发明者冉鹏, 何为, 徐征, 李松浓 申请人:重庆大学