本发明属于电子技术、生物医学成像等领域，特别是一种基于频分复用(frequencydivisionmultiplexing)技术的生物电阻抗断层成像系统。
背景技术：
：：传统的医学成像技术包括电子计算机断层扫描(computedtomography,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。生物电阻抗断层成像(electricalimpedancetomography,eit)是一种新型医学功能成像技术，它的原理是在人体表面电极上施加一安全的小电流，并测得其他电极上的电压值，根据电压与电流之间的关系重构出人体内部电阻抗值或者电阻抗的变化值。相比传统技术，生物电阻抗断层成像具有成本低、安全性高等优点，同时具有设备简单易携的发展优势。世界卫生组织的统计数据显示，肺部疾病和是世界范围内致死率最高的疾病之一。电阻抗断层成像是便携式实时监测肺部状态的一种可能的解决方案。如果采用电阻抗断层成像实时监测肺部状态，可大大减少肺部通气病人的死亡数。为满足医疗上精确诊断的需求，必须进行多通道的信号采集。随着集成电路技术的进步，使得将电阻抗断层成像电路集成到一块芯片上，用以支持肺部状况监测。将多通道生物信号采集电路集成到一个芯片上可以实现更低的线缆失真、更小的设备尺寸、更低的成本，从而使便携式/可穿戴持续监测应用成为可能。目前，多数的电阻抗断层成像系统是基于时分复用技术(timedivisionmultiplexing，简称为tdm)或者是有源电极的。基于时分复用的电路结构降低了面积，但受到通道间切换稳定时间的限制，且增加时分复用的多路复用器(multiplexer,mux)的输入数量时，会产生额外功耗损失。有源电极系统消除了线缆传输失真，但其冗余设计则会增加系统的面积消耗，使成本增加。如何降低芯片面积和功耗，从而提高多通道的集成度且增加监控时长是目前生物电阻抗断层成像系统向便携式或可穿戴发展所面临的关键问题。技术实现要素：针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于频分复用数据压缩技术的生物电阻抗断层成像系统，该系统可迁移到其他的多通道生物信号采集电路。针对
背景技术：
：中提到的现有技术中存在的面积和功耗挑战，本发明将频分复用技术应用到电阻抗断层成像系统中去，从而达到减小面积消耗、降低功耗的效果。频分复用技术将多通道带宽较窄的信号调制到不同频率并组合成一个带宽较宽的信号，从而可用单一电路模块处理多路信号，降低了硬件开销；同时，每通道具有功耗低、可实现片上数据压缩等优势，这些特点都是该系统频分复用技术能够适用于多通道窄带宽生物信号采集电路的设计方案的有力证据。为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：一种基于频分复用数据压缩技术的生物电阻抗断层成像系统，该成像系统包括：电极、连接线、电阻抗断层成像芯片、通用串行总线(universalserialbus,usb)和计算机，其特点在于：所述的电极包括了m个相同分立的电极，其中m为2以上的正整数；所述的电阻抗断层成像芯片包括：时钟发生器、电流激励源、电极开关控制电路、模拟前端采集电路和数据压缩与采样电路；所述的时钟发生器的输出端与所述的电流激励源、电极开关控制电路、模拟前端采集电路和数据压缩与采样电路的时钟输入端相连，用于产生电路各个部分所需要的时钟信号；所述的电流激励源的输出端经所述的电极开关控制电路分别与所述的电极的m个电极的一端相连，所述的电极开关控制电路控制所述的电极的模式，是电流注入或信号读取，在将电流激励源所产生的电流输送给处于电流注入模式的电极，用以产生一定频率的对人体安全的电流，并通过电极向被测对象进行注入的同时，从处于信号读取模式的电极处采集电压信号输入所述的模拟前端采集电路；所述包括模拟前端采集电路包括：m-3个信道的模拟前端采集电路，即第一信道模拟前端采集电路，……，第七信道模拟前端采集电路，……，第m-3个信道模拟前端采集电路；每个信道模拟前端采集电路包括两个输出端，总共2(m-3)个输出端；所述数据压缩与采样电路包括：2(m-3)个斩波器、两个加法器、两个和差调制器，所述的m-3个信道的模拟前端采集电路的2(m-3)个输出端分别与所述的2(m-3)个斩波器的输入端相连，所述的2(m-3)个斩波器将接收的信号搬移到fc,1，fc,2，……，fc,m这些不同的频段，该2(m-3)个斩波器的输出端的输出信号分为两组，分别输入第一加法器和第二加法器，所述的第一加法器和第二加法器用以将采集到的信号组合成两个数据流，以便进行量化，从而使频分复用技术得以实现；所述的和差调制器包括第一和差调制器和第二和差调制器，所述的第一和差调制器和第二和差调制器的输入端分别与所述的第一加法器和第二加法器的输出端相连，用以对加法器得到的数据流进行量化处理工作后经所述的串行总线输入所述的计算机，所述的计算机对数据进行处理。所述的电阻抗断层成像芯片制成印刷电路板(printedcircuitboard,pcb)。利用上述基于频分复用数据压缩技术的生物电阻抗断层成像系统对生物电阻抗断层的成像方法，该方法包括下列步骤：1)将所述的电极置于生物的肺部，将系统各部件连接妥当；2)系统启动后，在所述的电极开关控制电路的控制下，令所述的电极处于：状态1：相邻电极e1、e2被设为电流注入状态，此时分别读取其余的m-3对相邻电极上反映的电压信号，即e3和e4、e4和e5、……、em；所述的第一和差调制器和第二和差调制器对加法器得到的数据流进行量化处理工作后经所述的串行总线输入所述的计算机；状态2：相邻电极e2、e3被设为电流注入状态，此时分别读取其余的m-3对相邻电极上反映的电压信号，即e4和e5、e5和e6、……、em和e1；所述的第一和差调制器和第二和差调制器对加法器得到的数据流进行量化处理工作后经所述的串行总线输入所述的计算机；依此类推；状态m：相邻电极em、e1被设为电流注入状态，此时分别读取其余的m-3对相邻电极上反映的电压信号，即e2和e3、e3和e4、……、em-2和em-1，所述的第一和差调制器和第二和差调制器对加法器得到的数据流进行量化处理工作后经所述的串行总线输入所述的计算机；3)完整一个周期后；所述的计算机对一个周期所采集的电压信号信息通过后期的处理还原一帧图像，更具体地说是使用算法软件进行重建并显示肺eit图像。所述的电阻抗断层成像芯片(4)作为一个片上系统(systemonchip,soc)，包括了本发明所述的基于频分复用技术的电阻抗断层成像系统的主要功能模块，集中体现了本发明频分复用技术的应用；所述的计算机用于后期的数据处理和图像还原。本发明的技术效果如下：相比于普通的电阻抗断层成像系统，本发明结合频分复用技术，将多通道带宽较窄的信号调制到不同频率并组合成一个带宽较宽的信号，从而可用单一电路模块处理多路信号，降低了硬件开销；同时，每通道具有功耗低、可实现片上数据压缩等优势；相比于现有技术中利用时分复用技术进行信号处理的肺部电阻抗断层成像系统，本发明频分复用技术更有利于数据压缩和融合，使得电阻抗断层成像芯片产生的每一帧图像的数据流只包含2个m位的输出。附图说明图1为本发明基于频分复用技术的肺部监测电阻抗断层成像系统的硬件连接方式示意图；图2为本发明电阻抗断层成像芯片(4)的电路架构示意图；图3为本发明基于频分复用技术的肺部监测电阻抗断层成像系统一个完整周期(即产生一帧图像)的电极开关状态轮转示意图；图4为本发明实施例电阻抗断层成像芯片(4)所实现的电路架构示意图；图5为本发明实施例中图4的电阻抗断层成像芯片(4)的电路模块版图分布示意图；图6为本发明实施例所搭建的测试模型及图像还原情况示意图；图7为现有技术中应用了时分复用技术的肺部监测电阻抗断层成像系统的数据流图；图8为本发明实施例中将频分复用技术应用于肺部电阻抗断层成像系统的数据流图。具体实施方式为使本发明的目的、优势、技术方案和实施方式更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。基于本发明中的实施例，该领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。先请参阅图1，图1为本发明基于频分复用技术的肺部监测电阻抗断层成像系统的硬件连接方式示意图，图2为本发明电阻抗断层成像芯片(4)一个实施例的电路架构示意图；该实施例m＝16。由图可见，本发明实施例基于频分复用技术的肺部监测电阻抗断层成像系统的硬件连接方式如图1所示，包括：电极1、连接线2、印刷电路板(printedcircuitboard,pcb)3、电阻抗断层成像芯片4通用串行总线(universalserialbus,usb)5和计算机6。所述的电极1包括了16个相同的电极：e1、e2、e3、e4、e5、e6、e7、e8、e9、e10、e11、e12、e13、e14、e15、e16。为了更好的接触、更低的噪声和更好的信号采集质量，所述的电极1采用湿电极；所述印刷电路板3包括可编程增益放大器的增益配置电路等外围电路；所述电阻抗断层成像芯片4的具体系统架构如图4所示，包括：时钟发生器41、电流激励源42、电极开关控制电路43、模拟前端采集电路44、数据压缩与采样电路45以及右腿驱动电路(drivenrightleg,drl)46。参见图4.所述的时钟发生器41的输出端分别与所述的电流激励源42、电极开关控制电路43、模拟前端采集电路44、数据压缩与采样电路45的时钟输入端相连，用于输出电路各个部分所需要的时钟信号；所述的电流激励源42用以产生一定频率的对人体安全的电流，并通过电极1向被测对象(人体)进行注入。结构上包括：查找表(lookuptable,lut)421、数模转换器(digitalanalogconverter,dac)422、低通滤波器(lowpassfilter,lpf)423和电压电流转换器424；所述的电极开关控制电路43用于控制所述的电极1的模式(电流注入或信号读取)，一个完整周期，即产生一帧图像的过程中电极1所经历的开关状态如图3所示。同时所述的电极开关控制电路43将电流激励源42所产生的电流输送给处于电流注入模式的电极，从处于信号读取模式的电极处采集到的电压信号输入到所述的模拟前端采集电路中44；所述的模拟前端采集电路44包括：13个信道的模拟前端采集电路，即第一信道模拟前端采集电路441，……，第七信道模拟前端采集电路442，……，第十三信道模拟前端采集电路443。其中，以第一通道441为例，每个信道的模拟前端采集电路结构上包括：正交检波(i/qdemodulation)电路4411、仪表放大器(instrumentationamplifier,ia)4412、4413、可编程增益放大器(programmablegainamplifier,pga)4414、4415以及缓冲器(buffer)4416、4417。其中，所述正交检波电路4411的输出分为两路，一路依次是第一仪表放大器4412、第一可编程增益放大器4414和第一缓冲器4416，另一路依次是第二仪表放大器4413、第二可编程增益放大器4415以及第二缓冲器4617；所述数据压缩与采样电路45包括：26个斩波器451至454、2个加法器455、456、2个和差调制器457、458，其中：所述的斩波器451至454共26个，分别将信号搬移到fc,1，fc,2，……，fc,13这些不同的频段，所述26个斩波器451至454的输出信号分为两组，分别输入第一加法器455和第二加法器456；所述加法器455、456包括第一加法器455和第二加法器456，所述加法器455、456用以将采集到的信号组合成两个数据流，以便进行量化，从而使频分复用技术得以实现；所述和差调制器457、458包括第一和差调制器457和第二和差调制器458，所述和差调制器457、458用以对加法器得到的数据流进行量化等处理工作并最终输出；所述右腿驱动电路46用于稳定共模电压、控制噪声；所述的计算机6用于后期的数据处理和图像还原。当系统打开电源开始工作时，电阻抗断层成像芯4中的电流激励源42通过其中的一对电极向被测对象(人体)注入一定频率的电流信号，并在其余13对相邻电极处捕获相应的电压信号，如图3中的状态1所示。通过电极开关控制电路43控制产生状态1、状态2、……状态16等16种情况，成为一个周期；一个周期所采集的电压信号信息通过后期的处理来还原一帧图像。通过和差调制器将数字化的信号传输到数据采集卡，并通过通用串行总线5传输到计算机6；最后，使用eidors(electricalimpedancetomographyanddiffuseopticaltomographyreconstructionsoftware)重建并显示肺eit图像。电阻抗断层成像芯片4已使用0.13微米的工艺进行流片，图5通过版图展示了电阻抗断层成像芯片4中的电路模块分布情况。图5展示了被测模型和对应的复原图像。如图5所示，在测试时，一个装有不同电导率材料制成的圆柱体的水缸被用来模拟肺部的形态，测试水缸7内侧壁贴有16个电极1。在第一种测试情况下，水缸7中装有两个塑料圆柱体，分别称为第一塑料圆柱体8和第二塑料圆柱体9。经过该实施例所述系统复原后，得到右侧的复原图像，图像中第一蓝色区域12和第二蓝色区域13分别显示了两个塑料圆柱体的位置、大小、大致形状。在第二种测试情况下，水缸7中装有一个塑料圆柱体10和一个金属圆柱体11。经过该实施例所述系统复原后，得到右侧的复原图像，图像中的蓝色区域14显示了塑料圆柱体10的位置、大小、大致形状，红色区域15显示了金属圆柱体11的位置、大小、大致形状。需要说明的是，被还原图像中，蓝色标注表示电导率低，红色标注表示电导率高，而颜色亮度表示测得的相对电导率。需要说明的是，为更简单地描述本发明，在图1中以肺部监测的电阻抗断层成像系统为例；事实上，本发明可以迁移到电阻抗成像的其他应用中去，这种情况下，不进行创造性劳动的前提下获得的系统应用均属于本发明专利的保护范围。需要说明的是，为更简单地描述本发明，该实施例中以16个电极的系统为例，事实上，本发明可以任意改变电极数量，这种情况下，不进行创造性劳动的前提下获得的系统结构均属于本发明专利的保护范围。值得注意的是，本实施例中，当电流注入一对电极，同时测量其余13对相邻电极的电压，由于感测电极与注入电极的相对位置，所感测的电压输入的幅度发生显著变化。对于在人体胸部进行测量，来自靠近电流注入点的电极的电压将显示具有较大的幅度(较深的蓝色)，而距离较远的电极的电压将具有较小的幅度(较浅的蓝色)。在典型的16电极肺部监测电阻抗断层成像系统中，它们的幅度是非常大的。对系统进行进一步研究发现，电极上的幅度变化呈现出“u形”图案。因此，对于不同的注入状态，可编程增益放大器的增益以倒“u形”在片外的印刷电路板上配置，不需要自动增益控制电路(automaticgaincontroller,agc)，就可以恢复绝对感应电压的幅度，有效地解决了电压幅度差异大的问题，同时节省了硬件消耗和功耗。而频分复用技术在13个通道的片上数据压缩和融合中起了关键的作用。图7展示的是现有技术中将时分复用技术应用于肺部监测电阻抗断层成像系统的数据流图，可以看出，每一帧图像的数据流包含了26个12位的输出；图8为本发明实施例中将频分复用技术应用于肺部监测电阻抗断层成像系统的数据流图，可以看出在本发明实施例所提出的系统中，使用两个电容耦合加法器将26个正交信号变为两组，其中通道1-i，1-q，……，6-i，6-q，7-i合并为第一个频分复用的信号，而通道7-q，8-i，8-q，……，13-i，13-q合并为第二个频分复用信号，相当于每一帧图像的数据流只包含2个16位的输出。实验表明，本发明与其他发表的最先进指标相比，本发明实施例中提出的肺部电阻抗断层成像芯片将每个通道功耗降低了10倍，为118微瓦，并使每个通道面积降低了58％，为0.87平方毫米。最终，本发明实施例中的电阻抗断层成像芯片可以产生每秒5帧的肺部电阻抗断层图像。需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。当前第1页12当前第1页12