專利名稱：一種交叉平面電阻抗成像測量裝置及方法
技術領域：
本發明涉及電阻抗測量中的接觸及測量裝置，特別涉及一種對人體器官組織的電阻抗成像測量裝置及方法。
背景技術：
電阻抗成像是一種只需在物體表面進行測量，而重構出內部阻抗分布的手段。它通過注入電流到一個目標區域建立電場，隨后對目標周邊產生的電壓進行測量。傳統的電阻抗斷層成像技術中，電極的放置通常局限于某個平面，然而，電阻抗成像本質上是一個三維問題，其電流不局限于在某個平面上流動，因此，二維圖像重建通常會產生偽像。而三維電阻抗成像的主要問題是系統無法負擔復雜的算法，病態性使得算法有時難以實現，尤其是在邊緣區域，最終造成重建圖像中目標位置難以判斷或形狀扭曲。開放式電阻抗成像系統能夠很好地實現物體的表層阻抗判定，但是受制于探測深度的因素，精度只能保證在2 3 厘米的范圍內。為此開發的交叉平面電極陣列系統，通過交錯的二維平面測量數據，能夠更有效地構建三維成像模型，并在保證有效精度的前提下減小了直接三維重構的計算量。發明內容
本發明的目的是針對現有技術的上述問題，本發明所要解決的技術問題是提供一種，提供一種用于獲取物體表面由裝置激勵電流而引起的電壓，從而推導出物體內部的三維電阻抗信息的裝置及方法。該方案從水平切面及垂直剖面上均可獲取電壓信息，分別進行切面上的成像，進而組合形成空間三維圖形；也可以通過對任意接觸點進行激勵，獲取其余任意位置間電壓，進而實現多種組合測量方式，實現多元算法拓展，提高圖像精度。
本發明的目的之一是提出一種交叉平面電阻抗成像測量裝置；本發明的目的之二是提出一種交叉平面電阻抗成像測量方法。
本發明的目的之一是通過以下技術方案來實現的
本發明提供的一種交叉平面電阻抗成像測量裝置，包括框體、分布在框體上的測量單元和輸出單元，所述測量單元為分散設置于框體上用于獲取被測物體表面在激勵電流作用下而引起的電壓信號的測量電極，所述測量電極將獲取的電壓信號輸入到輸出單元。
進一步，所述框體為半球體，所述測量電極等間距環狀地分布在半球體框體上，所述框體頂部中央設置有共用電極，所述共用電極與輸出單元連接；
進一步，所述測量電極沿框體的縱向切面對稱分布形成豎直電極組，所述測量電極沿半球體的縱向切面設置2-8組豎直電極組。
進一步，所述測量電極沿框體的水平切面對稱分布形成水平電極層，所述測量電極沿框體水平設置2-10層水平電極層。
進一步，還包括中央控制處理器和成像系統，
所述中央控制處理器，用于接收并處理電壓信號通過三維重構算法來得到被測物體內部的電阻抗分布；
所述成像系統，用于輸出被測物體內部的電阻抗分布信息。
進一步，所述中央控制處理器包括激勵源控制單元、數字頻率合成單元、多路復用控制單元、高速相敏檢波單元、快速傅立葉變換解調測量信號單元；
所述運算處理系統包括激勵源控制單元，用于通過相位累加器產生數字正弦信號;
所述數字頻率合成單元，用于將不同頻率的數字正弦信號進行合成，通過注入合成后的電信號能夠提高測量效率，增加獲取的電阻抗信息；
所述多路復用控制單元，用于對激勵信號的注入位置及電壓采集點進行控制；
所述高速相敏檢波單元，用于將采集到電壓信號的幅值和相位進行分離與測量；
所述快速傅立葉變換解調測量信號單元，用于將的到的電壓信號通過抽樣截斷， 將時間信號轉化為離散序列，以得到信號的頻域特性；
進一步，還包括開關陣列，所述激勵源控制單元通過開關陣列與測量單元連接。
本發明的目的之二是通過以下技術方案來實現的
本發明提供的一種利用交叉平面電阻抗成像測量裝置來進行的電阻抗成像測量方法，包括以下步驟
SI :輸入激勵信號；
S2 :選擇測量方式和激勵電極組；
S3 :獲取相應測量電極間的電壓信號并輸入到運算處理器進行處理；
S4:根據選擇的測量方式，輪換激勵電極組，輪換相應測量電極組，依次測得所有信號;
S5:當相應測量方式的所有激勵及測量組合完成后，根據所有信號完成被測物體在三維空間上的電阻抗圖像重構。
進一步，所述激勵信號通過發送指令給中央控制處理器所產生；所述激勵信號經過信號預處理電路處理后轉換成模擬激勵信號再輸入到中央控制處理器中。
進一步，所述輸入激勵信號及測量方式采用以下三種組合來進行
方式一以框體頂部的共用電極為激勵電流流出點，以其他測量電極依次作為為激勵電流流入點，測量流入點與相應測量電極間的電壓值，依次輪流，最終得到所有電壓數據，作為重構矩陣元素；
方式二 首先分別測量各水平電極層中的測量電極，測量時依次以兩個測量電極作為激勵的兩端，分別測量其余所有相鄰測量電極間的電壓值；然后分別測量各豎直電極組中的測量電極，測量時依次以兩個相鄰測量電極作為激勵的兩端，分別測量其余所有相鄰測量電極間的電壓值；
方式三以跨平面，跨電極的任意兩個電極作為激勵的兩端，分別測量其余所有測量電極的電壓值。
本發明的優點在于
I)通過交錯的電壓測量及后續的電阻抗重構，能夠反映被測物體在空間上的微小變化，將增量信號放大則突出了微小的變化量，這樣僅用較低分辨率的模數轉換器就能檢測被測信號的微小變化，提高了測量精度。
2)該系統與皮膚表面的接觸阻抗小，且由于輸出阻抗自動補償的應用，使得該系統的抗干擾能力強，測量漂移小，穩定性好。
3)該系統激勵采樣混頻數字信號發生，能夠實現多頻疊加，能夠根據被測對象在不同頻率下電阻抗特性進行設置，有效提高了測量的靈活性，同時也進一步提高了測量精度。
4)該系統采用基于FPGA的數字相敏解調(DPSD)及FFT處理方式，通過將參考信號與測量信號疊加得到被測信號的幅度和相位值，反映了被測信號的微小變化，且具有速度快，對噪聲具有較強的抑制作用的特點。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中
圖I為本發明的交叉平面電極排布示意圖側視圖和俯視圖2為本發明的交叉平面電極排布示意圖側視圖和俯視圖3為本發明的一個應用模型的示意圖4為本發明使用的測量電極示意圖5為本發明的系統原理框圖6為本發明的混合頻率激勵源發生器的原理示意圖7為本發明的FPGA上數字相敏檢波原理的示意圖8為基于本發明的交叉平面電極排布，而形成的信號激勵及檢測方式一；
圖9為基于本發明的交叉平面電極排布俯視圖，而形成的信號激勵及檢測方式 -* ;
圖10為基于本發明的交叉平面電極排布主視圖，而形成的信號激勵及檢測方式 -* ;
圖11為基于本發明的交叉平面電極排布，而形成的信號激勵及檢測方式三；
圖12為本發明的電阻抗自動補償模塊電路中的激勵源輸出阻抗檢測電路圖13為本發明的電阻抗自動補償模塊電路中的負阻抗補償電路電路圖14為使用本發明獲取的不同平面上的電阻抗信息分布圖15為使用本發明獲取的物體三維空間電阻抗信息分布；
圖16為使用本發明測量的操作流程圖。
具體實施方式
以下將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述；應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護范圍。
實施例I
圖I為本發明的交叉平面電極排布示意圖側視圖和俯視圖，圖2為本發明的交叉平面電極排布不意圖側視圖和俯視圖，圖3為本發明的一個應用模型的不意圖，圖4為本發明使用的測量電極示意圖，圖5為本發明的系統原理框圖，如圖所示本發明提供的一種交叉平面電阻抗成像測量裝置，包括框體、分布在框體上的測量單元和輸出單元，所述測量單元為分散設置于框體上用于獲取被測物體表面在激勵電流作用下而引起的電壓信號的測量電極，所述測量電極將獲取的電壓信號輸入到輸出單元。
所述框體為半球體。所述測量電極等間距環狀地分布在框體上，所述測量電極沿框體的縱向切面對稱分布形成豎直電極組，所述測量電極沿半球體的縱向切面設置2-8組豎直電極組。所述測量電極沿框體的水平切面對稱分布形成水平電極層，所述測量電極沿框體水平設置2-10層水平電極層。所述框體頂部中央設置有共用電極，所述共用電極與輸出單元連接。還包括中央控制處理器和成像系統，所述中央控制處理器，用于接收并處理電壓信號通過三維重構算法來得到被測物體內部的電阻抗分布；所述成像系統，用于輸出被測物體內部的電阻抗分布信息。所述中央控制處理器包括激勵源控制單元、數字頻率合成單元、多路復用控制單元、高速相敏檢波單元、快速傅立葉變換解調測量信號單元；所述運算處理系統包括激勵源控制單元，用于通過相位累加器產生數字正弦信號；所述數字頻率合成單元，用于將不同頻率的數字正弦信號進行合成，通過注入合成后的電信號能夠提高測量效率，增加獲取的電阻抗信息；所述多路復用控制單元，用于對激勵信號的注入位置及電壓采集點進行控制；所述高速相敏檢波單元，用于將采集到電壓信號的幅值和相位進行分離與測量；所述快速傅立葉變換解調測量信號單元，用于將的到的電壓信號通過抽樣截斷，將時間信號轉化為離散序列，以得到信號的頻域特性；還包括開關陣列，所述激勵源控制單元通過開關陣列與測量單元連接。
本發明提供的實施例還提供了一種利用交叉平面電阻抗成像測量裝置來進行的電阻抗成像的測量方法，包括以下步驟
SI :輸入激勵信號；
S2 :選擇測量方式和激勵電極組；
S3 :獲取相應測量電極間的電壓信號并輸入到運算處理器進行處理；
S4:根據選擇的測量方式，輪換激勵電極組，輪換相應測量電極組，依次測得所有信號;
S5:當相應測量方式的所有激勵及測量組合完成后，根據所有信號完成被測物體在三維空間上的電阻抗圖像重構。
所述激勵信號通過發送指令給中央控制處理器所產生；所述激勵信號經過信號預處理電路處理后轉換成模擬激勵信號再輸入到中央控制處理器中。
所述輸入激勵信號及測量方式采用以下三種組合來進行
方式一以框體頂部的共用電極為激勵電流流出點，以其他測量電極依次作為為激勵電流流入點，測量流入點與相應測量電極間的電壓值，依次輪流，最終得到所有電壓數據，作為重構矩陣元素；
方式二 首先分別測量各水平電極層中的測量電極，測量時依次以兩個測量電極作為激勵的兩端，分別測量其余所有相鄰測量電極間的電壓值；然后分別測量各豎直電極組中的測量電極，測量時依次以兩個相鄰測量電極作為激勵的兩端，分別測量其余所有相鄰測量電極間的電壓值；
方式三以跨平面，跨電極的任意兩個電極作為激勵的兩端，分別測量其余所有測量電極的電壓值。
實施例2
下面詳細描述交叉平面電阻抗成像測量裝置及測量方法7
圖6為本發明的混合頻率激勵源發生器的原理示意圖，圖7為本發明的FPGA上數字相敏檢波原理的示意圖，圖8為基于本發明的交叉平面電極排布，而形成的信號激勵及檢測方式一，圖9為基于本發明的交叉平面電極排布俯視圖，而形成的信號激勵及檢測方式二，圖10為基于本發明的交叉平面電極排布主視圖，而形成的信號激勵及檢測方式二， 圖11為基于本發明的交叉平面電極排布，而形成的信號激勵及檢測方式三，圖12為本發明的電阻抗自動補償模塊電路中的激勵源輸出阻抗檢測電路圖，圖13為本發明的電阻抗自動補償模塊電路中的負阻抗補償電路電路圖，圖14為使用本發明獲取的不同平面上的電阻抗信息分布圖，圖15為使用本發明獲取的物體三維空間電阻抗信息分布，如圖所示 本發明實施例2提供的交叉平面電阻抗成像測量裝置采用的信號發生電路由現場可編程門陣列(FPGA)芯片構成。FPGA可選用ALTERA或是XILINX公司的芯片，比如ALTERA的 CYCLONEII。FPGA內部實現直接數字合成器DDS，產生特定頻率和相位的數字波形信號。
本發明實施例中采用的數模轉換電路模塊，即圖5中DAC&Filter所示。高速數模轉換芯片可選用ADI或TI等公司的產品，比如TI的DAC2902。DAC2902將DDS產生的數字激勵信號轉換為模擬激勵信號。
本發明實施例中采用的阻抗檢測及阻抗自動補償模塊，如圖5中所示，主要使用了 ADI公司的高頻差分放大器AD8130。
電阻抗自動補償模塊的使用能夠根據被測物體的電阻抗及寄生電容大大小，自動補償其不利影響，提高輸出阻抗值，原理如下所述。
如圖12所示，恒流源用一個理想的電流源并聯輸出電阻和輸出電容的電路模型表示，其中校正電阻Rcal=IOkQ。系統正常工作時，則兩個開關均打開；而用于調節阻抗時，模擬開關切換到有負載Rcal和無負載，用相敏檢波器測得的輸出電壓分別為V。/和
經相敏檢波，在兩種不同負載情況下的測量值為
VcalH = VrH+jVqH (I)
VcalL = VrL+jVqL
式中，V。/表示接有校正電阻時的輸出電壓；ν/表示接有校正電阻時的同相電壓分量；vqH表示接有校正電阻時的正交電壓分量；ν。表示未接校正電阻時的輸出電壓；V, 表不未接校正電阻時的同相電壓分量表不未接校正電阻時的正交電壓分量；
而由電路計算得
權利要求
1.一種交叉平面電阻抗成像測量裝置，其特征在于包括框體、分布在框體上的測量單元和輸出單元，所述測量單元為分散設置于框體上用于獲取被測物體表面在激勵電流作用下而引起的電壓信號的測量電極，所述測量電極將獲取的電壓信號輸入到輸出單元。
2.根據權利要求I所述的交叉平面電阻抗成像測量裝置，其特征在于所述框體為半球體，所述測量電極等間距環狀地分布在半球體框體上，所述框體頂部中央設置有共用電極，所述共用電極與輸出單元連接。
3.根據權利要求I所述的交叉平面電阻抗成像測量裝置，其特征在于所述測量電極沿框體的縱向切面對稱分布形成豎直電極組，所述測量電極沿半球體的縱向切面設置2-8組豎直電極組。
4.根據權利要求I所述的交叉平面電阻抗成像測量裝置，其特征在于所述測量電極沿框體的水平切面對稱分布形成水平電極層，所述測量電極沿框體水平設置2-10層水平電極層。
5.根據權利要求I所述的交叉平面電阻抗成像測量裝置，其特征在于還包括中央控制處理器和成像系統， 所述中央控制處理器，用于接收并處理電壓信號通過三維重構算法來得到被測物體內部的電阻抗分布； 所述成像系統，用于輸出被測物體內部的電阻抗分布信息。
6.根據權利要求5所述的交叉平面電阻抗成像測量裝置，其特征在于所述中央控制處理器包括激勵源控制單元、數字頻率合成單元、多路復用控制單元、高速相敏檢波單元、快速傅立葉變換解調測量信號單元； 所述運算處理系統包括激勵源控制單元，用于通過相位累加器產生數字正弦信號； 所述數字頻率合成單元，用于將不同頻率的數字正弦信號進行合成，通過注入合成后的電信號能夠提高測量效率，增加獲取的電阻抗信息； 所述多路復用控制單元，用于對激勵信號的注入位置及電壓采集點進行控制； 所述高速相敏檢波單元，用于將采集到電壓信號的幅值和相位進行分離與測量； 所述快速傅立葉變換解調測量信號單元，用于將的到的電壓信號通過抽樣截斷，將時間信號轉化為離散序列，以得到信號的頻域特性信號。
7.根據權利要求I所述的交叉平面電阻抗成像測量裝置，其特征在于還包括開關陣列，所述激勵源控制單元通過開關陣列與測量單元連接。
8.根據權利要求1-7任一項所述的一種交叉平面電阻抗成像測量裝置的測量方法，其特征在于包括以下步驟 51:輸入激勵信號； 52:選擇測量方式和激勵電極組； 53:獲取相應測量電極間的電壓信號并輸入到運算處理器進行處理； S4:根據選擇的測量方式，輪換激勵電極組，輪換相應測量電極組，依次測得所有信號; S5 :當相應測量方式的所有激勵及測量組合完成后，根據所有信號完成被測物體在三維空間上的電阻抗圖像重構。
9.根據權利要求8所述的交叉平面電阻抗成像測量方法，其特征在于所述激勵信號通過發送指令給中央控制處理器所產生；所述激勵信號經過信號預處理電路處理后轉換成模擬激勵信號再輸入到中央控制處理器中。
10.根據權利要求8所述的交叉平面電阻抗成像測量方法，其特征在于所述輸入激勵信號及測量方式采用以下三種組合來進行 方式一以框體頂部的共用電極為激勵電流流出點，以其他測量電極依次作為為激勵電流流入點，測量流入點與相應測量電極間的電壓值，依次輪流，最終得到所有電壓數據，作為重構矩陣元素； 方式二 首先分別測量各水平電極層中的測量電極，測量時依次以兩個測量電極作為激勵的兩端，分別測量其余所有相鄰測量電極間的電壓值；然后分別測量各豎直電極組中的測量電極，測量時依次以兩個相鄰測量電極作為激勵的兩端，分別測量其余所有相鄰測量電極間的電壓值； 方式三以跨平面，跨電極的任意兩個電極作為激勵的兩端，分別測量其余所有測量電極的電壓值。
全文摘要
本發明公開了一種能通過獲取物體表面電壓信息，特別涉及人體器官組織，如頭部，乳房等，能改善電場空間分布不均勻性，較好地重構物體內部三維電阻抗分布的裝置及方法。該方案從水平切面及垂直剖面上均可獲取電壓信息，分別對各切面上成像，進而組合形成空間三維圖形；也可以通過對表面上任意接觸點進行激勵，獲取其余任意位置間電壓，進而實現多種組合測量方式，實現多元算法拓展，提高圖像精度。該設計主要包括65個分布在半球面上的特殊電極；以高性能FPAG為核心，使得激勵源控制，數字頻率合成，多路復用控制，高速相敏檢波，快速傅立葉變換解調測量信號等功能集成在單一的芯片中的整體設計；能夠實現針對被測物體的自適應調節輸出阻抗的電路設計。
文檔編號A61B5/053GK102973269SQ201210566200
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月24日 優先權日2012年12月24日
發明者冉鵬, 何為, 徐征, 李松濃 申請人:重慶大學