一種基於pxi總線的呼吸過程三維電阻抗成像系統及其成像方法
2023-05-20 18:57:36 1
一種基於pxi總線的呼吸過程三維電阻抗成像系統及其成像方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於PXI總線的呼吸過程三維電阻抗成像系統及其成像方法，藉助於PXI總線高度集成的硬體和軟體工具套件，構建三層共48個電極的三維電阻抗成像系統，通過選通開關，依次選擇一對相鄰的激勵電極，向胸腔內注入安全的交流電流，同步採集其餘電極上的電壓信號，經濾波、放大、模數轉換、解調、傳輸，最後經圖像重建算法在計算機上獲得呼吸過程中胸腔內部電阻抗敏感區域的分布圖像。本系統較已有電阻抗成像系統具有測量精度高、速度快、可靠性高、對人體無損傷、可實現連續實時床旁監護等優點，可供臨床連續監測人體肺部呼吸過程變化。
【專利說明】—種基於PXI總線的呼吸過程三維電阻抗成像系統及其成像方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於醫療領域，涉及醫療監護設備和醫學功能成像技術，尤其是一種基於PXI總線的呼吸過程三維電阻抗成像系統及其成像方法。
【背景技術】[0002]電阻抗斷層成像(Electrical Impedance Tomography, EIT)是繼形態、結構成像之後，近年來出現的新一代無損傷醫學成像技術。醫學研究表明，人體各組織(器官)具有不同的阻抗特性，而且一些病理現象和生理活動均會引起人體組織阻抗變化。當疾病發生時，相關組織與器官的功能性變化往往要先於器質性病變和其它臨床症狀，如能在組織與器官結構性變化出現之前，及時檢測和確認與疾病相關的組織、器官的功能性變化，對於相關疾病的普查，預防和早期診斷與治療將是非常有利的。EIT技術就是根據生物組織的電阻抗特性，藉助激勵電極向被測對象施加微小的交變電流(或電壓)信號，測量組織表面的電壓(或電流)信號，以所測信號為信息由計算機根據相應的電學斷層圖像重建算法得出被測對象的電阻抗分布圖像。它是將人體組織或器官的生物阻抗的分布和變化以2D/3D圖像的形式直觀的展現出來，並以此功能圖像對組織或器官進行診斷和評價。由於EIT技術相對於目前的CT技術具有無輻射、無損傷、簡捷、安全等一系列的優點，在醫學臨床監護等領域具有廣闊的應用前景。
[0003]EIT系統由三部分組成:激勵模塊、採集模塊及成像模塊。目前，已有的生物醫學領域研究的EIT系統的激勵模塊主要是利用FPGA和DSP產生，採集模塊主要是利用模擬或數字的多路切換開關採用異步分時的方式，成像模塊利用測得的電壓(電流)根據圖像重建算法得到電阻抗分布圖像。由於已有的EIT系統激勵源存在各種非線性失真、雜波等難以消除的缺陷，且激勵頻率大都限制在IM以下；而且多路切換開關的選用不可避免的存在串擾、洩露、及噪聲等通道差異性，異步分時數據採集模式也將造成數據解調結果不準確和系統穩定性差，因此提高EIT系統的激勵源和採集模塊的頻率和精度，改進測量方式是提高EIT系統成像解析度的關鍵。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是克服現有技術的不足之處，提供一種基於PXI總線的呼吸過程三維電阻抗成像系統及其成像方法，該系統可實現高質量的人體呼吸過程中肺內電阻抗分布圖像。
[0005]本發明實現目的的技術方案是:
[0006]一種基於PXI總線的呼吸過程三維電阻抗成像系統，包括激勵源模塊、採集卡模塊、控制器模塊，三個模塊均通過PXI總線連接，激勵源模塊通過傳感器電極連接人體胸腔，採集卡模塊包括信號調理電路和採集卡、數字IO板卡，控制器模塊連接人機互動模塊。
[0007]而且，激勵源模塊包括激勵源、激勵源調理電路及切換開關，激勵源採用NIPX1-5404信號源板卡，能夠產生IOK — IOOMHz的正弦信號，根據控制器的指令產生相應頻率、相位和幅值的正弦電壓，通過調理電路的低通濾波電路濾除高頻雜散譜線，再通過調理電路的壓控電流源電路把正弦電壓轉化為正弦電流作為激勵源傳送到切換開關即多路復用器板卡的公共端，通過傳感器電極注入到人體胸腔，正弦電流小於5mA，激勵頻率為IOKHz-1OMHz之間進行掃頻；壓控電流源電路採用Howland電流源，低通濾波電路採用的巴特沃斯二階低通濾波器。
[0008]而且，所述切換開關採用兩塊NIPX1-2501多路復用器開關板卡，一塊開關板卡公共端與激勵源連接，另一塊開關板卡公共端與地連接，該開關板卡具有24個通道，並帶有硬體觸發器，默認為相鄰激勵同步測量，通過依次選擇相鄰電極設定為激勵源位置和接地位置，將激勵施加到傳感器電極陣列上，在被測對象內部建立敏感場分布，傳感器電極是由48個獨立的心電電極按三層等間距粘貼在人體胸部外圍。
[0009]而且，所述激勵源模塊的傳感器電極把採集到的電壓信號利用採集卡模塊的信號調理模塊先進行初步放大，再經過可編程增益放大器放大到採集卡即示波器採集適配器所要求的電壓範圍內，信號調理模塊包括預放大和可編程增益放大器，可編程增益放大器由數字IO板卡NI6509控制。
[0010]而且，所述示波器採集適配器採用兩塊NI5752，配合48路相同且獨立的差分放大器和可編程增益放大器電路，以50MS/s的採集頻率進行同步數據採集，採集到的模擬電壓信號經過模數轉換，把數位訊號傳送到FlexRIOFPGA模塊進行解調，得到測量電壓信號的實部和虛部信息。
[0011]而且，所述數位訊號傳送到FlexRIOFPGA模塊進行解調採用正交序列解調方法，其算法如下:
[0012]設r(n)為同相參考信號，q(n)為正交參考信號，u(n)為測量信號，R為實部分量，I為虛部分量，Θ為介質引起的相移，N為一個信號周期的採樣數，η的取值範圍為O ^ n ^ N-1
[0013]r(n) = cos (2 π η/Ν)
[0014]q (η) = sin (2 π η/Ν)
[0015]u (η) = Acos (2 π η/Ν+θ )
[0016]
【權利要求】
1.一種基於PXI總線的呼吸過程三維電阻抗成像系統，其特徵在於:包括激勵源模塊、採集卡模塊、控制器模塊，三個模塊均通過PXI總線連接，激勵源模塊通過傳感器電極連接人體胸腔，採集卡模塊包括信號調理電路和採集卡、數字IO板卡，控制器模塊連接人機互動模塊。
2.根據權利要求1所述的基於PXI總線的呼吸過程三維電阻抗成像系統，其特徵在於:激勵源模塊包括激勵源、激勵源調理電路及切換開關，激勵源採用NIPX1-5404信號源板卡，能夠產生IOK — IOOMHz的正弦信號，根據控制器的指令產生相應頻率、相位和幅值的正弦電壓，通過調理電路的低通濾波電路濾除高頻雜散譜線，再通過調理電路的壓控電流源電路把正弦電壓轉化為正弦電流作為激勵源傳送到切換開關即多路復用器板卡的公共端，通過傳感器電極注入到人體胸腔，正弦電流小於5mA，激勵頻率為IOKHz — IOMHz之間進行掃頻；壓控電流源電路採用Howland電流源，低通濾波電路採用的巴特沃斯二階低通濾波器。
3.根據權利要求2所述的基於PXI總線的呼吸過程三維電阻抗成像系統，其特徵在於:所述切換開關採用兩塊NIPX1-2501多路復用器開關板卡，一塊開關板卡公共端與激勵源連接，另一塊開關板卡公共端與地連接，該開關板卡具有24個通道，並帶有硬體觸發器，默認為相鄰激勵同步測量，通過依次選擇相鄰電極設定為激勵源位置和接地位置，將激勵施加到傳感器電極陣列上，在被測對象內部建立敏感場分布，傳感器電極是由48個獨立的心電電極按三層等間距粘貼在人體胸部外圍。
4.根據權利要求1或2所述的基於PXI總線的呼吸過程三維電阻抗成像系統，其特徵在於:所述激勵源模塊的傳感器電極把採集到的電壓信號利用採集卡模塊的信號調理模塊先進行初步放大，再經過可編程增益放大器放大到採集卡即示波器採集適配器所要求的電壓範圍內，信號調理模塊包括預放大和可編程增益放大器，可編程增益放大器由數字IO板卡NI6509控制。`
5.根據權利要求4所述的基於PXI總線的呼吸過程三維電阻抗成像系統，其特徵在於:所述示波器採集適配器採用兩塊NI5752，配合48路相同且獨立的差分放大器和可編程增益放大器電路，以50MS/s的採集頻率進行同步數據採集，採集到的模擬電壓信號經過模數轉換，把數位訊號傳送到FlexRIOFPGA模塊進行解調，得到測量電壓信號的實部和虛部信肩、O
6.根據權利要求1所述的基於PXI總線的呼吸過程三維電阻抗成像系統，其特徵在於:所述數位訊號傳送到FlexRIOFPGA模塊進行解調採用正交序列解調方法，其算法如下: 設r(n)為同相參考信號，q(n)為正交參考信號，u(n)為測量信號，R為實部分量，I為虛部分量，Θ為介質引起的相移，N為一個信號周期的採樣數,η的取值範圍為O < η < N-1
r (n) = cos (2 τι η/Ν)
q (η) = sin (2 π η/Ν)
u (η) = Acos (2 τι η/Ν+ θ )
況-1 ,、，、 I
R -= X/-(/?>(?)= — NA cos <9 η=?2
7.—種如權利要求1所述的基於PXI總線的呼吸過程三維電阻抗成像方法，其特徵在於:步驟如下: (I)通過計算機用戶界面向控制器寫命令設定激勵電流的初始激勵頻率、相位、幅值，或者直接使用默認值； ⑵信號源板卡根據控制器的指令產生相應頻率、相位、幅值的正弦電壓，通過濾波電路、壓控電流源電路產生交變的正弦電流作為激勵源傳送到多路復用器板卡的公共端； ⑶多路復用器板卡根據程序設定依次選擇相鄰傳感器電極，將激勵電流注入人體胸腔內部，形成敏感場； ⑷傳感器電極陣列把採集到的電壓信號先進行初步放大，再經過可編程增益放大器放大到示波器採集適配器所要求的電壓範圍內，示波器採集適配器把採集到的模擬電壓信號進行模數轉換，把數位訊號傳送到FlexRIOFPGA模塊進行數字解調得到被測量的實部和虛部信息，通過PXI總線上傳到計算機中； (5)人機互動界面將利用處理後的數據進行曲線繪製、圖像重建、數據分析等並在相應的選項菜單界面進行實時顯示。
【文檔編號】A61B5/053GK103690166SQ201310700342
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月16日 優先權日:2013年12月16日
【發明者】陳曉豔, 楊永政, 杜萌, 黃華芳, 楊濤 申請人:天津科技大學