一种32电极电阻抗成像装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于一种32电极电阻抗成像装置，属于医学检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 电阻抗成像技术（Electrical Impedance Tomography，EIT)是基于生物医学的一 种新型成像技术，其基本原理是由于不同的生物组织具有不同的电阻抗，当生物体发生疾 病或者进行生理活动都会对引起其电阻抗的变化。由于其具有无损无害、无辐射和非侵入 性特征，在地球物理学、环境监测、无损探伤和医学检测等领域引起了广泛的研宄。它通过 相应的电极系统对生物体注入激励电流信号，从电极上获得电压信号，采用特定的算法重 建出反应生物体内部电特性的图形，从而获得生物体内部组织器官的结构和功能等相关信 息。1991年美国的Dartmouth大学的Hartov Alex等研制了用于癌症热疗热成像的16位数 据采集精度的EIT系统。1998年，美国Margaret Cheney采用32电极的多电流激励模式， 以人体模拟器官为实验对象，进行了最佳激励电流模式的研宄，实验效果有所改进，但图像 分辨力仍不太理想。2008年，英国Oxford Brookes小组研制出0XBACT-5成像系统，可以 对慢性心脏衰竭进行监护，具有16通道的多频正弦激励源，采用FPGA实现多频数字正交序 列解调，系统较为复杂。目前世界上美国、英国、德国、法国、瑞典、印度等三十多个科研小组 都在进行EIT技术的研宄工作。经过几年的发展，EIT技术出现了三维电阻抗成像等新的 研宄方向。
[0003] 国内在电阻抗成像领域的研宄起步较晚，距离国际的研宄水平尚有一定的差距。 2001年，第一届EIT学术讨论会在第四军医大学召开，会上成立了联合研宄小组，极大的推 动了国内电阻抗成像技术的发展。许多高校和科研机构如重庆大学、第四军医大学、中国医 学科学院等建立了各自的数据采集实验系统。2004年，第四军医大学和上海英迈吉东影图 像设备有限公司共同研制成功了 Angelplan-EISlOOO型电阻抗乳腺诊断仪。重庆大学研制 了一维无创脑水肿动态监护仪和二维脑电阻抗地形图仪，并进行了临床试验。各个研宄机 构都在试图将电阻抗成像技术推向临床应用而不断地进行深入的研宄。
[0004] 现有技术的难点主要表现在：需要产生幅值稳定、精度高，而且具有高输出阻抗的 电流源，而实际中电流源的负载阻抗总是有限的，不可能无限制满足要求；EIT系统能采集 的信息量小，虽然可以通过增加电极个数的方法来增加测量数据量，但这将会使硬件系统 变得复杂，而电极数目的增加也是有限的；电阻抗成像的反问题是病态的，边界电压数据的 微小扰动就会引起解的巨大变化，而目前的电阻抗成像算法对物体内部中心处分辨率低， 而对边界处的分辨率高，因此重建出的图像效果并不理想，需要设计出具有高质量、高精度 的成像算法。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种不仅能够获得更多信息采集量，而且能够 有效提高了系统精度和分辨率的32电极电阻抗成像装置。
[0006] 本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种32电极电 阻抗成像装置，包括控制模块、信号发生器、电流源电路、32通道多路开关、32电极物理模 型、高精度仪表放大器、带通滤波器、相敏解调电路、A/D转换电路和数据接收终端；其中， 信号发生器、电流源电路、32通道多路开关、高精度仪表放大器、带通滤波器、相敏解调电 路、A/D转换电路、数据接收终端依次单向通信连接；同时，32通道多路开关与32电极物理 模型彼此按各电极与各通道的一一对应关系进行双向通信连接；控制模块分别与32通道 多路开关、A/D转换电路进行单向通信连接，且通信方向为由控制模块分别指向32通道多 路开关和A/D转换电路，控制模块针对32通道多路开关进行各个通道与对应电极间的切 换，实现激励电流的输送与电压信号的采集；数据接收终端针对接收到的电压信号，采用电 阻抗成像算法获得电阻抗成像。
[0007] 作为本发明的一种优选技术方案：还包括前置高通滤波电路，所述32通道多路开 关经过前置高通滤波电路与所述高精度仪表放大器进行单向通信连接。
[0008] 作为本发明的一种优选技术方案：还包括可变增益放大电路，所述高精度仪表放 大器经过可变增益放大电路与所述带通滤波器进行单向通信连接；并且所述控制模块与可 变增益放大电路相连，实现针对可变增益放大电路的控制。
[0009] 作为本发明的一种优选技术方案：所述控制模块为ARM9处理器。
[0010] 作为本发明的一种优选技术方案：所述电流源电路为Howland电流源电路。
[0011] 作为本发明的一种优选技术方案：所述带通滤波器为四阶带通滤波器。
[0012] 作为本发明的一种优选技术方案：所述A/D转换电路为16位A/D转换电路。
[0013] 作为本发明的一种优选技术方案：所述控制模块针对接收到的电压信号，采用正 则化高斯-牛顿算法获得电阻抗成像。
[0014] 作为本发明的一种优选技术方案：所述数据接收终端为PC终端。
[0015] 本发明如上所述一种32电极电阻抗成像装置的应用控制方法采用以上技术方案 与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明设计32电极电阻抗成像装置，采用32通道多 路开关构建32电极物理模型的电阻抗成像系统，降低了 16通道多路开关并联实现32通道 的复杂性，比模拟矩阵开关更容易控制，具有更好的性能，提高了系统的采集精度；并且针 对控制模块，设计采用ARM9处理器，作为电阻抗成像系统的嵌入式微处理器，具有较强的 控制和数据处理能力，提高了系统的采集速度和实时性，广泛的接口便于系统扩展更多的 功能；不仅如此，针对高精度仪表放大器，进一步引入可变增益放大电路，两者构成两级放 大电路，可程序控制增益的改变，提高了所采集电压信号的放大倍数和灵活性，有利于信号 后续的处理。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明设计一种32电极电阻抗成像装置的模块示意图。
[0017] 图2是本发明设计一种32电极电阻抗成像装置中Howland电流源电路原理图；
[0018] 图3是本发明设计一种32电极电阻抗成像装置中32通道多路开关原理图；
[0019] 图4是本发明设计一种32电极电阻抗成像装置中信号两级放大电路原理图； [0020] 图5是本发明设计一种32电极电阻抗成像装置中16位A/D转换电路原理图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合说明书附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0022] 如图1所示，本发明所设计一种32电极电阻抗成像装置，在实际应用过程当中，包 括ARM9处理器、信号发生器、Howland电流源电路、32通道多路开关、前置高通滤波电路、32 电极物理模型、高精度仪表放大器、可变增益放大电路、四阶带通滤波器、相敏解调电路、16 位A/D转换电路和PC终端；其中，信号发生器、Howland电流源电路、32通道多路开关、前置 高通滤波电路、高精度仪表放大器、可变增益放大电路、四阶带通滤波器、相敏解调电路、16 位A/D转换电路、PC终端依次单向通信连接；同时，32通道多路开关与32电极物理模型彼 此按各电极与各通道的一一对应关系进行双向通信连接；ARM9处理器分别与32通道多路 开关、16位A/D转换电路进行、可变增益放大电路单向通信连接，且通信方向为由ARM9处 理器分别指向32通道多路开关、16位A/D转换电路、可变增益放大电路，ARM9处理器针对 32通道多路开关进行各个通道与对应电极间的切换，实现激励电流的输送与电压信号的采 集；PC终端针对接收到的电压信号，采用正则化高斯-牛顿算法获得电阻抗成像。上述技 术方案设计的32电极电阻抗成像装置，采用32通道多路开关构建32电极物理模型的电阻 抗成像系统，降低了 16通道多路开关并联实现32通道的复杂性，比模拟矩阵开关更容易控 制，具有更好的性能，提高了系统的采集精度；并且针对控制模块，设计采用ARM9处理器， 作为电阻抗成像系统的嵌入式微处理器，具有较强的控制和数据处理能力，提高了系统的 采集速度和实时性，广泛的接口便于系统扩展更多的功能；不仅如此，针对高精度仪表放大 器，进一步引入可变增益放大电路，两者构成两级放大电路，可程序控制增益的改变，提高 了所采集电压信号的放大倍数和灵活性，有利于信号后续的处理。
[0023] 实际应用中，信号发生器产生预设电压大小的电压信号，并输送至Howland电流 源电路，经由Howland电流源电路将该电压信号转换为恒流源，产生激励电流，并经32通道 多路开关注入至32电极物理模型中，其中，通过ARM9处理器针对32通道多路开关进行各 个通道与对应电极间的切换，实现激励电流的输送与电压信号的采集，由此，经由32通道 多路开关采集32电极物理模型中各电极的电压信号，所采集获得的电压信号首先经由前 置高通滤波电路滤除掉其中较大的噪声干扰和直流分量，然后将该电压信号依次送入高精 度仪表放大器、可变增益放大电路进行两级信号放大，并且在经过可变增益放大电路针对 电压信号进行二级放大的过程中，可以通过ARM9处理器针对可变增益放大电路进行直接 控制，经过两级信号放大的电压信号，接着依次被送入四阶带通滤波器、相敏解调电路，最 后在ARM9处理器针对16位A/D转换电路的控制下，电压信号经过16位A/D转换电路输送 至PC终端，PC终端针对所接收到的电压信号，采用正则化高斯-牛顿算法获得电阻抗成像。
[0024] 并且本发明所设计一种32电极电阻抗成像装置在实际应用中，信号发生器采用 高精度信号发生器MAX038,产生峰-峰值为±2VP-P的正弦波作为Howland电流源电路的 输入信号。采用Howland电流源电路，与其他的电流源相比具有较好的稳定性，较小的相位 漂移和较大的输出阻抗，符合电阻抗成像系统的要求，其中，Howland电流源电路如图2所 不O
[0025] 其中，电路中的负载阻抗为：
[0026] Rl= VL/IL
[0027] 式中为负载阻抗，I为负载两端的电压，U为通过负载的电流，则输出的电流 源为：
[0031] 式中的V1为输入电压信号，V V _= V +，则八为：
[0035] 在理想情况下，当札、R2A+R2B、R3、R 4满足下式时，可以获得无限大的输出阻抗。
[0037] 此时，负载电流込的值为：
[0040] 当输入电压信号有效