一种用于电阻抗成像的高精度数据采集系统技术方案

本发明专利技术公开了一种新的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，该系统采用主控制模块、可编程电流源、电极接口模块、电压测量模块、电流检测模块、数字解调模块、通讯接口模块等构建，通过电流检测模块和可编程电流源实现成像目标区域激励电流的准确调控、通过电极接口模块中的电极选择开关系统实现分布差数的有效抑制、电极接口模块中的电极导线双重屏蔽系统实现外界干扰的有效阻断、通过数字解调模块实现响应信号与激励信号的相关解调。可以有效抑制电阻抗成像数据采集系统中的分布参数与外界干扰的影响问题，降低测量结果的非线性误差并提高测量数据的信噪比，破解电阻抗成像研究中数据采集精度难以进一步提高的关键性问题，有着重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种用于电阻抗成像的高精度数据采集系统
本专利技术属于电阻抗成像
，涉及电阻抗成像数据采集技术，特别是一种用于电阻抗成像的数据采集系统。该系统通过对激励电流的反馈调控、电极接口的合理设计和被测阻抗信息的准确解调，实现电阻抗信息的准确采集，以满足电阻抗成像要求。
技术介绍
电阻抗成像技术基于不同的生物组织具有不同的电阻率特性、病理生理功能的改变也会显著改变组织电阻抗特性这一特点，通过贴放在体表的电极依次向人体注入弱的、对人体完全无创的交流电流，并测量各相关电极对上的响应电压信号，再通过特定的图像重构算法构建出能反应目标区域内组织电阻率分布情况的图像的新型医学成像技术。由于活体组织的电阻率与组织的功能状态密切相关，因而电阻抗成像技术具有功能成像优势，能够实现相关疾病的超早期检测。加之成像过程中不需要使用射线、核素等对人体有害的媒介，具有无创、低成本等优势，能较好弥补现有医学成像技术的不足，因而是当前相关领域的研究热点。在电阻抗成像过程中，由于电流在体内的非线性分布特性，图像重构过程具有严重的病态性，测量数据的微小扰动有可能导致较大的重构误差，因而要求数据采集系统具有极高的测量精度。一般认为，对于用于胸腹部成像的系统，其测量精度应优于0.1％，而对于用于脑部的系统，其测量精度应优于0.01％。在电阻抗成像常用的频率范围内，如何达到如此高的测量精度是当前电阻抗成像
中的两大关键难题之一。电阻抗成像数据采集系统一般主要由激励源、电压测量模块和电极接口模块等部分共同构成。其中激励源依据需要产生所需频率与幅度的激励电流信号，并通过接口模块，依次选择所需的激励电极注入成像目标内；随后电压测量电路通过接口模块依次测量各测量电极对上的响应电压差信号，并解调成相应的数字信号，传给上位机中的图像重构模块进行图像重构。在这一过程中，不仅激励源与电压测量模块自身的性能会对系统的最终测量精度产生重要影响，电极接口模块中的电子开关、电极引线等关键部件也会对测量系统产生重要影响，处理不好会显著降低系统的性能。既往的研究表明，在激励源和电压测量模块相对成熟的情况下，电极接口模块中用于电子开关的输入/输出端等效电容、电极导线的分布参数是引入外界干扰、分流激励电流、改变目标区域电流分布并加重非线性误差，从而最终导致系统测量精度恶化的主要环节。如何降低这种影响是进一步提高电阻抗成像系统研发中的关键问题。为此，国外有研究采用有源电极技术建立并行化的数据采集系统，在各电极上均直接集成上激励源与电压测量模块的前端电路，以期减少电子开关的使用，并消除电极导线的影响。但这种方法并不能完全避免电子开关的使用，而且并行化的结构不仅会导致成像系统结构变得极为复杂，增加系统造价，还会因各通道间的一致性问题引入新的误差。电极导线的取消也会导致系统使用的便捷性大大降低，无法用于长时间的连续动态监护等应用场合。故而这种方法应用较少，也未取得较好的结果。针对分布参数的分流作用对激励电流的影响问题，有研究提出在电流源的输出端并联负阻抗发生器，用以生成与这些分布参数大小相等、方向相反的负阻抗负载，中和分布参数影响的解决思路，但由于负阻抗发生器一方面存在只能针对固定的频率进行中和，难以适应宽频系统使用要求的问题，另一方面还存在着会严重影响系统的稳定性，易导致测量系统自激振荡的问题，因而尚未被广泛接受。因而围绕电极接口环节对系统测量精度的影响，专利技术一种能够有效改善接口模块性能的系统化的综合解决方案，从而显著提高电阻抗信息采集的准确性与可靠性，在电阻抗成像等相关
中有着重要的应用价值，并将对电阻抗成像技术的进一步研究与应用产生积极的推进作用。
技术实现思路
针对现有电阻抗成像技术对高精度电阻抗信息采集的需求，以及现有数据采集技术中存在的问题，本专利技术的目的在于，提供一种新的电阻抗成像数据采集系统的实现技术与方法，以达到对激励电流的精准控制和对外界干扰的有效抑制，从而进一步提高电阻抗信息采集准确性与可靠性。为了实现上述任务，本专利技术采取如下的技术解决方案予以实现：一种用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，其特征在于，该系统的主要部件包括：一系列粘贴于被测目标表面的电极，用于采集目标区域的电阻抗信息；一个可编程电流源，用以产生所需频率与幅度的激励电流信号；一个电极接口模块，用于选择激励与测量电极；一个电压测量模块，用于测量选定电极对间的响应电压差信号；一个电流检测模块，用于检测实际注入目标区域的电流强度；一个数字解调模块，用于计算被测电阻抗信息；一个通讯接口模块，用于与上位机进行通讯并上传采集到的电阻抗信息；一个主控制模块，该主控制模块分别连接可编程电流源、数字解调模块、电极接口模块、通讯接口模块，用于对系统工作状态与采集过程进行控制，该主控制模块依据上位机的指令对依据所建立的数据采集系统工作状态进行配置并对数据采集过程进行管理；在数据采集过程中，主控制模块实时监测激励电流的实际强度，当实际电流强度与预期值偏离达到一定程度时，自动调节可编程电流源的输出幅值，以确保成像目标区域实际注入的电流满足要求。在上述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统中，所述的可编程电流源由可编程信号发生器和电压电流转换器共同构成，其中：所述的可编程信号发生器的输出信号幅度可控，幅度调控分辨率不低于12位，且在输出幅度调整过程中，输出信号的相对谐波失真量不发生显著改变；所述电压电流转换器可将输入电压按特定比例转换成电流信号输出，且输出电流可通过公共的参考地电平返回。在上述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统中，所述的电极接口模块由电极导线双重屏蔽系统和电极选择开关系统共同组成，其中；所述的电极导线双重屏蔽系统由电极导线和针对每根电极的屏蔽驱动单元共同构成；所述的电极导线由多根同轴电缆和包裹于这些同轴电缆外围的总屏蔽层共同构成；各电缆的芯线分别与1个电极相连，屏蔽层与上述的屏蔽驱动单元相连；总屏蔽层与地电平相连；所述的屏蔽驱动单元由1个具有高输入阻抗特性的电极电压缓冲器级联1个具有高输出负载能力的屏蔽驱动器共同构成。在上述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统中，所述的屏蔽驱动单元中的电极电压缓冲器的输入端与上述同轴电缆的芯线直接相连用于检测电极电位，其增益为1，其对地等效电容与上述的电极选择开关的分布电容之和应不超过5pF，输入阻抗不小于10MΩ；所述的屏蔽驱动器的输出端与同轴电缆的屏蔽层相连，其增益为1并具备驱动0.1uF以上的容性负载能力。在上述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统中，所述的电极接口模块中的电极选择开关系统为上述的可编程电流源分配1个“一选多”电子开关以选择激励电流注入电极；为各电极分别分配1个单刀双掷电子开关用以确定是将电极连接到电流源选择电子开关还是电流检测模块；其中：所述的单刀双掷电子开关的分布电容与上述电极电压缓冲器的对地等效电容之和应不超过5pF，导通电阻应满足如下公式：在上述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统中，所述的电压测量模块主要由差分放大器和程控增益放大器构成，可以采用以下模式之一组成：1)串行测量模式：由1个差分放大器、1个程控增益放大器和1个“多选二”电子开关共同构成：“多选二”电子开关用于通过上述的多个电极电压缓冲器选择1对待测电极上的电位信号，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，其特征在于，该系统的主要部件包括：一系列粘贴于被测目标表面的电极，用于采集目标区域的电阻抗信息；一个可编程电流源，用以产生所需频率与幅度的激励电流信号；一个电极接口模块，用于选择激励电极与测量电极；一个电压测量模块，用于测量选定电极对间的响应电压差信号；一个电流检测模块，用于检测实际注入目标区域的电流强度；一个数字解调模块，用于计算被测电阻抗信息；一个通讯接口模块，用于与上位机进行通讯并上传采集到的电阻抗信息；一个主控制模块，该主控制模块分别连接可编程电流源、数字解调模块、电极接口模块、通讯接口模块，用于对系统工作状态与采集过程进行控制，该主控制模块依据上位机的指令对依据所建立的数据采集系统工作状态进行配置并对数据采集过程进行管理；在数据采集过程中，主控制模块实时监测激励电流的实际强度，当实际电流强度与预期值偏离达到一定程度时，自动调节可编程电流源的输出幅值，以确保成像目标区域实际注入的电流满足要求。

【技术特征摘要】
1.一种用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，其特征在于，该系统的主要部件包括：一系列粘贴于被测目标表面的电极，用于采集目标区域的电阻抗信息；一个可编程电流源，用以产生所需频率与幅度的激励电流信号；一个电极接口模块，用于选择激励电极与测量电极；一个电压测量模块，用于测量选定电极对间的响应电压差信号；一个电流检测模块，用于检测实际注入目标区域的电流强度；一个数字解调模块，用于计算被测电阻抗信息；一个通讯接口模块，用于与上位机进行通讯并上传采集到的电阻抗信息；一个主控制模块，该主控制模块分别连接可编程电流源、数字解调模块、电极接口模块、通讯接口模块，用于对系统工作状态与采集过程进行控制，该主控制模块依据上位机的指令对依据所建立的数据采集系统工作状态进行配置并对数据采集过程进行管理；在数据采集过程中，主控制模块实时监测激励电流的实际强度，当实际电流强度与预期值偏离达到一定程度时，自动调节可编程电流源的输出幅值，以确保成像目标区域实际注入的电流满足要求；针对每个所述电极，分别设置1个单独的电流检测器；各所述电流检测器与电极之间通过电极接口模块中的单刀双掷开关控制；所述电流检测器包括相并联的运算放大器和反馈电阻R，应用运算放大器的虚短效应使电流检测输入端达到虚地效果；工作时，所述主控制器将电流返回端电极与相应的电流检测器连通，电流检测器将该电流转换成与之成正比例关系的电压信号，并通过“多选一”电子开关传给所述数字解调模块，进行电流幅度的解调运算。2.如权利要求1所述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，其特征在于，所述的可编程电流源由可编程信号发生器和电压电流转换器共同构成，其中：所述的可编程信号发生器的输出信号幅度可控，幅度调控分辨率不低于12位，且在输出幅度调整过程中，输出信号的相对谐波失真量不发生显著改变；所述电压电流转换器可将输入电压按特定比例转换成电流信号输出，且输出电流可通过公共的参考地电平返回。3.如权利要求1所述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，其特征在于，所述的电极接口模块由电极导线双重屏蔽系统和电极选择开关系统共同组成，其中：所述的电极导线双重屏蔽系统由电极导线和针对每根电极的屏蔽驱动单元共同构成；所述的电极导线由多根同轴电缆和包裹于这些同轴电缆外围的总屏蔽层共同构成；各电缆的芯线分别与1个电极相连，屏蔽层与上述的屏蔽驱动单元相连；总屏蔽层与地电平相连；所述的屏蔽驱动单元由1个具有高输入阻抗特性的电极电压缓冲器级联1个具有高输出负载能力的屏蔽驱动器共同构成。4.如权利要求3所述的用于电阻抗成像的高精度数据采集系统，其特征在于，所述的屏蔽驱动单元中的电极电压缓冲器的输入端与上述同轴电缆的芯线直接相连用于检测电极电位，其增益为1，其对地等效电容与上述的电极选择开关的分布电容之和应不超过5pF，输入阻抗不小于10MΩ；所述的屏蔽驱动器的输出端与同轴电缆的屏蔽层相连，其增益为1并具...

【专利技术属性】
技术研发人员：史学涛，董秀珍，尤富生，季振宇，付峰，刘锐岗，徐灿华，杨滨，代萌，李靖，
申请(专利权)人：中国人民解放军第四军医大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61