本發(fā)明涉及一種基于fpga的多頻電阻抗成像裝置，屬于醫(yī)學(xué)檢測設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

電阻抗成像技術(shù)(electricalimpedancetomography，eit)是當(dāng)今生物信息學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)重大研究課題之一。它是繼形態(tài)、結(jié)構(gòu)成像之后，于近30年才出現(xiàn)的新一代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，具有功能成像、無損傷和醫(yī)學(xué)圖像監(jiān)護(hù)三大突出優(yōu)勢，是一種理想的、具有誘人應(yīng)用前景的生物信息檢測與成像手段。電阻抗成像是一種基于傳統(tǒng)ct思想，以生物體內(nèi)部電阻率(電導(dǎo)率)的分布為成像目標(biāo)的新型醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。它根據(jù)生物體內(nèi)不同的組織具有不同阻抗的現(xiàn)象，充分利用生物體內(nèi)阻抗所攜帶的豐富的生理和病理信息，通過電極將電流注入到待測生物體體表面，然后測量表面感應(yīng)電壓，并將測得的信息經(jīng)過一定的算法進(jìn)行計算，最終重建出反應(yīng)生物體內(nèi)部電特性分布的圖像，從而達(dá)到功能成像的目的。

由于eit不使用核素或射線，對人體無害，且可以多次測量，重復(fù)使用，成像速度快、具有功能成像等特點，加之成本低廉，不要求特殊工作環(huán)境等，其作為一種潛在理想的并具有誘人應(yīng)用前景的無損功能醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，迅速成為研究的熱點。國內(nèi)外已有幾十個小組從事eit醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域研究。sheffield課題組首先展開eit成像的研究。

在國內(nèi)，eit技術(shù)的研究從上世紀(jì)90年代開始，相對于國外研究起步相對較晚，但已經(jīng)形成了一支穩(wěn)定的研究隊伍，建立eit系統(tǒng)研究平臺，在臨床應(yīng)用研究方面有潛在優(yōu)勢。目前約有10多個課題組研究醫(yī)學(xué)eit成像技術(shù)，包括第四軍醫(yī)大學(xué)、天津大學(xué)、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所、中國科學(xué)院電工所、重慶大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)等高校和科研院所。近年來，在自然科學(xué)基金及‘863’立項的資助下，國內(nèi)電阻抗成像技術(shù)的研究已取得了長足的進(jìn)步。有專門的研究小組和研究人員從事這一領(lǐng)域的研究，已形成一定的技術(shù)積累和具備了一定的試驗條件，為該技術(shù)走向臨床應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

eit研究雖然歷經(jīng)三十年的發(fā)展，但將它推向臨床應(yīng)用仍面臨多方面的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有技術(shù)的主要難點主要表現(xiàn)在：首先，由于eit問題本身具有病態(tài)性、欠定性以及非線性，導(dǎo)致重建圖像分辨率較低，相對于ct、mri、x射線等在顯像上不具優(yōu)勢。第二，針對明確的臨床應(yīng)用目標(biāo)，需要進(jìn)一步研究其適用的數(shù)據(jù)采集技術(shù)、圖像重構(gòu)方法和圖像后處理技術(shù)等。第三，將eit推進(jìn)到定性、定量的動物模型研究，實現(xiàn)向臨床應(yīng)用的過渡。第四，在動物實驗?zāi)Ｐ蚭it研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)入對臨床病患的eit應(yīng)用研究。這也是eit邁向?qū)嶋H應(yīng)用的最重要、最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。最后，構(gòu)造多頻、高頻、更高信噪比的eit數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也是eit技術(shù)能否應(yīng)用到實際中的關(guān)鍵因素。

但目前的成像裝置硬件電路設(shè)計中使用移相器所帶來不可避免的參數(shù)誤差，降低了靈活度以及無法具備更好的精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于fpga的多頻電阻抗成像裝置，解決目前的成像裝置硬件電路設(shè)計中使用移相器所帶來不可避免的參數(shù)誤差，降低了靈活度以及無法具備更好的精度的問題，設(shè)計具有更好的實時性，更高的數(shù)據(jù)采集精度和分辨率的多頻電阻抗成像裝置。

本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題：

一種基于fpga的多頻電阻抗成像裝置，包括：fpga處理器、da轉(zhuǎn)換電路、差分電流至單端電壓電路、電壓幅值調(diào)節(jié)電路、電壓控制電流源電路、多路開關(guān)、物理模型、前置高通濾波電路、差分放大電路、可變增益放大電路、程控濾波電路、相敏解調(diào)電路、ad轉(zhuǎn)換電路和pc機；

其中，所述fpga處理器生成正余弦數(shù)字信號及控制da轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)化成差分電流信號，并經(jīng)差分電流至單端電壓電路生成單端電壓信號；所述電壓幅值調(diào)節(jié)電路根據(jù)單端電壓信號調(diào)節(jié)生成正余弦電壓信號，并經(jīng)電壓控制電流源電路將正余弦電壓信號轉(zhuǎn)換為恒流源且作為激勵電流通過多路開關(guān)選擇激勵電流通道時輸入物理模型；所述fpga處理器還控制多路開關(guān)切換選擇至電壓數(shù)據(jù)采集通道，將采集的物理模型產(chǎn)生的電壓信號輸入前置高通濾波電路濾波，并依次經(jīng)差分放大電路和可變增益放大電路進(jìn)行兩級放大及由程控濾波電路濾波后輸入相敏解調(diào)電路；所述相敏解調(diào)電路將所述正余弦電壓信號作為參考信號對程控濾波后的信號進(jìn)行相敏解調(diào)獲得模擬信號，并經(jīng)ad轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換獲得數(shù)字信號，由pc機根據(jù)數(shù)字信號處理獲得待測物體的電阻抗成像圖。

進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述電壓幅值調(diào)節(jié)電路生成頻率可控且幅值可調(diào)的正余弦電壓信號。

進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述da轉(zhuǎn)換電路采用雙路14位da轉(zhuǎn)換電路。

進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述多路開關(guān)采用16通道多路開關(guān)。

進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述物理模型內(nèi)設(shè)置不銹鋼電極片。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，能產(chǎn)生如下技術(shù)效果：

本發(fā)明的基于fpga的多頻電阻抗成像裝置，通過將外部激勵電流信號注入配置有電極系統(tǒng)的物體表面，fpga處理器通過控制16通道的多路開關(guān)進(jìn)行激勵電流和電壓數(shù)據(jù)采集通道的切換，然后獲得生物體的體表電壓信號，將信號進(jìn)行處理后得到可進(jìn)行成像的數(shù)據(jù)，利用相關(guān)成像算法來實現(xiàn)電阻抗成像的圖像重建。

因此，本發(fā)明的具備如下優(yōu)點：

1)fpga作為電阻抗成像系統(tǒng)的嵌入式微處理器，具有較強的控制和數(shù)據(jù)處理能力，提高了系統(tǒng)的采集速度和實時性，眾多的io接口便于系統(tǒng)擴展更多的功能；

2)利用fpga處理器自帶的ip核資源外接其他硬件電路，可以同時生成兩路頻率可控、幅值可調(diào)的正余弦電壓信號，克服了以往硬件電路設(shè)計中使用移相器所帶來的不可避免的參數(shù)誤差，提供了更大的靈活度以及更好的精度；

3)程控濾波器的使用擴大了系統(tǒng)激勵頻率的范圍，可以有效地對采集出來的電壓信號進(jìn)行針對性濾波，使得采集出來的電壓信號更加純凈，減少不必要的干擾，為后續(xù)相敏解調(diào)電路提供了很好的精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的基于fpga的多頻電阻抗成像裝置模塊示意圖。

圖2是本發(fā)明的雙路14位da轉(zhuǎn)換電路原理圖。

圖3是本發(fā)明的差分電流至單端電壓以及電壓幅值調(diào)節(jié)電路圖。

圖4是本發(fā)明的電壓控制電流源電路原理圖。

圖5是本發(fā)明的16通道多路開關(guān)測量原理圖。

圖6是本發(fā)明的差分放大電路和可變增益放大電路原理圖。

圖7是本發(fā)明的相敏解調(diào)電路原理圖。

圖8是本發(fā)明的16位a/d轉(zhuǎn)換電路原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行描述。

如圖1所示，本發(fā)明設(shè)計了一種基于fpga的多頻電阻抗成像裝置，包括：fpga處理器(1)、da轉(zhuǎn)換電路(2)、差分電流至單端電壓電路(3)、電壓幅值調(diào)節(jié)電路(4)、電壓控制電流源電路(5)、多路開關(guān)(6)、物理模型(7)、前置高通濾波電路(8)、差分放大電路(9)、可變增益放大電路(10)、程控濾波電路(11)、相敏解調(diào)電路(12)、ad轉(zhuǎn)換電路(13)和pc機(14)。其中，fpga處理器(1)自帶的ip核，其自帶的ip核與da轉(zhuǎn)換電路(2)相連，所述da轉(zhuǎn)換電路(2)與差分電流至單端電壓電路(3)、電壓幅值調(diào)節(jié)電路(4)、電壓控制電流源電路(5)依次相連；所述電壓控制電流源電路(5)與連接fpga處理器(1)的多路開關(guān)(6)相連；且所述多路開關(guān)(6)還與前置高通濾波電路(8)相連；所述前置高通濾波電路(8)與差分放大電路(9)、可變增益放大電路(10)、程控濾波電路(11)、相敏解調(diào)電路(12)、ad轉(zhuǎn)換電路(13)和pc機(14)依次相連。

裝置中，所述fpga處理器(1)自帶的ip核生成正余弦數(shù)字信號及控制da轉(zhuǎn)換電路(2)將其轉(zhuǎn)化成差分電流信號，并經(jīng)差分電流至單端電壓電路(3)生成單端電壓信號；所述電壓幅值調(diào)節(jié)電路(4)根據(jù)單端電壓信號調(diào)節(jié)生成正余弦電壓信號，并經(jīng)電壓控制電流源電路將正余弦電壓信號轉(zhuǎn)換為恒流源且作為激勵電流通過多路開關(guān)(6)選擇激勵電流通道時輸入物理模型(7)；所述fpga處理器(1)還控制多路開關(guān)切換選擇(6)至電壓數(shù)據(jù)采集通道，將采集的物理模型(7)產(chǎn)生的電壓信號輸入前置高通濾波電路(8)濾波，并依次經(jīng)差分放大電路(9)和可變增益放大電路(10)進(jìn)行兩級放大及由程控濾波電路(11)濾波后輸入相敏解調(diào)電路；所述相敏解調(diào)電路(12)將所述正余弦電壓信號作為參考信號對程控濾波后的信號進(jìn)行相敏解調(diào)獲得模擬信號，并經(jīng)ad轉(zhuǎn)換電路(13)轉(zhuǎn)換獲得數(shù)字信號，由pc機(14)根據(jù)相關(guān)成像算法對數(shù)字信號處理獲得待測物體的電阻抗成像圖。

優(yōu)選地，所述電壓幅值調(diào)節(jié)電路(4)可以同時生成峰峰值±5v以內(nèi)，頻率可控、幅值可調(diào)的正余弦電壓信號，克服了以往硬件電路設(shè)計中使用移相器所帶來的不可避免的參數(shù)誤差，進(jìn)一步提供了更大的靈活度以及更好的精度。

所述da轉(zhuǎn)換電路(2)，優(yōu)選采用雙路14位da轉(zhuǎn)換電路，利用fpga處理器(1)自帶的ip核資源外接雙路14位的da轉(zhuǎn)換電路(2)，該電路采用ad公司的雙通道da芯片ad9767實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，芯片ad9767具有雙端口、高速、雙通道、片內(nèi)集成兩個高品質(zhì)內(nèi)核、一個基準(zhǔn)電壓源和數(shù)字接口電路，提供出色的交流和直流性能，同時支持最高125msps的更新速率等優(yōu)點。本裝置中兩通道同時工作，每通道14位位寬有效地提高了整個系統(tǒng)的精度。經(jīng)過差分電流至單端電壓電路(3)以及電壓幅值調(diào)節(jié)電路(4)，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，該電路采用ad公司的芯片ad8065，芯片ad8065性能出色、易于使用，采用ad公司專有的xfcb工藝制造、工作噪聲極低、輸入阻抗非常高，一片用于差分電流至單端電壓電路，一片用于電壓幅值調(diào)節(jié)電路，四片ad8065即可完成兩通道信號的同步生成，頻率可控、幅值可調(diào)、峰峰值在±5v以內(nèi)的正余弦電壓信號分別作為電壓控制電流源電路(5)的輸入信號以及后續(xù)的相敏解調(diào)電路(12)的參考信號。

本裝置電壓控制電流源電路(5)，優(yōu)選采用改進(jìn)的howland電流源，其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，該電路與其他的電流源相比具有較好的穩(wěn)定性，較小的相位漂移和較大的輸出阻抗，符合電阻抗成像系統(tǒng)的要求。

電路中的負(fù)載阻抗為：

rl＝vl/il(1)

式中，rl為負(fù)載阻抗，vl為負(fù)載兩端的電壓，il為通過負(fù)載的電流。則輸出的電流源為：

式中vo為：

式中的vi為輸入電壓信號，vi＝v-＝v+，則vl為：

則輸出阻抗為：

在理想情況下，當(dāng)r1、r2a+r2b、r3、r4滿足下式時，可以獲得無限大的輸出阻抗。

此時，負(fù)載電流il的值為：

其中r2＝r2a+r2b。

當(dāng)輸入電壓信號有效值為1v時，為了產(chǎn)生有效值1ma的電流，選擇電阻r1＝r3＝r4＝2kω，r2a＝r2b＝1kω。盡量采用精度0.1％以上的金屬膜電阻來保持電橋的平衡，另外設(shè)置c1＝c2＝0.1pf，cc＝7pf作為ad8021的補償電容可獲得較高的帶寬增益并能有效地防止高頻電路發(fā)生振蕩。

以及，所述多路開關(guān)(6)優(yōu)選采用16通道，如采用maxim公司的max396芯片，如圖5所示，max396是高性能、高精度的cmos模擬多路復(fù)用器，它的導(dǎo)通電阻最大為100ω，通道間的導(dǎo)通電阻之差小于6ω，在指定的信號范圍內(nèi)能保持10ω以內(nèi)的平坦度，具有小于250ns的快速轉(zhuǎn)換時間，符合電阻抗成像系統(tǒng)的要求。它由a3a2a1a0和en共同控制16選1的功能，因此使用4片就可以實現(xiàn)eit系統(tǒng)對16個電極的控制要求，其中2片構(gòu)成激勵電流通道選通電路，2片構(gòu)成電壓測量通道選通電路。在fpga處理器(1)的控制下，采用兩片多路開關(guān)并聯(lián)的方式就可以實現(xiàn)16選2任意的電流注入方式，而電壓測量選通電路與電流注入選通電路相似，只是信號的流向相反，即對物理模型(7)的另一對測量電極上采集電壓信號。

本裝置采用相鄰驅(qū)動方式，則每完成一次相鄰電極的電流驅(qū)動，就需要在其余相鄰電極上完成13次電壓測量。例如：電流從1、2電極注入，從3、4電極開始測量電壓，再測量4、5的電壓，依次測量至15、16電極的電壓。這樣就完成了一個周期的測量，接著再向2、3電極注入電流進(jìn)行測量，以此類推。直至完成全部的測量，獲得208個電壓數(shù)據(jù)。

所述電壓信號的正負(fù)端分別從兩個電極上獲得，由于單個電極上的電壓信號具有較大的噪聲干擾和直流分量，因此在輸入至差分放大電路前需要進(jìn)行濾波。采用前置高通濾波電路(8)，由r、c元件組成，電路簡單并且能有效的濾除直流分量，直流分量若不消除經(jīng)放大器放大后會直接影響后續(xù)電路的正常工作。電壓信號的正負(fù)端分別經(jīng)前置高通濾波電路(8)后差分輸入至差分放大電路(9)。所述差分放大電路(9)采用ad公司的性能優(yōu)良的差分放大器ad8130，ad8130在高頻段擁有極高的共模抑制比，具有與增益無關(guān)的高輸入阻抗，差分輸入阻抗為1mω，在保持信號完整性的情況下，共模電壓輸入范圍為±10.5v，低噪音、低失真，這些特性符合系統(tǒng)對差分放大電路的要求。

由于測量電極上的電壓信號具有較寬的動態(tài)范圍，最大值與最小值相差一到兩個數(shù)量級，為了保證小信號不被淹沒，需要將信號進(jìn)行二級放大?？勺冊鲆娣糯箅娐?10)采用ti公司的可編程增益儀器放大器pga207，pga207具有1、2、5、10四個增益選項，可通過程序設(shè)置a1、a0引腳電平的高低來進(jìn)行控制。它具有較高的精度、較低的失調(diào)電壓和較高的共模抑制比，內(nèi)部輸入保護(hù)能夠承受高達(dá)±40v的電壓而不會損壞模擬輸入，因此適合作為信號的二級放大電路。信號兩級放大電路原理圖如圖6。所示圖6中，采用電壓跟隨器來隔離采集電路和電極，差分放大電路(9)中的的rf、rg對增益的大小進(jìn)行調(diào)解。

信號放大后通過程控濾波電路(11)，可以采用maxim公司的max264芯片，該芯片內(nèi)集成了設(shè)計濾波器所需的電阻電容，在應(yīng)用中幾乎不用外接器件，使用非常簡單，其中心頻率、q值以及工作模式都可以通過對引腳編程控制，它可以工作于帶通、低通、高通、帶阻或是全通模式，時鐘輸入，外接時鐘信號或晶振，和5比特編碼控制可以精確地設(shè)置中心頻率及q值在0.5至64。通過減小fclk/fo比值，可使其通帶截止頻率達(dá)140khz?？梢杂行У貫V除采集信號中的無用信號和干擾噪聲，使波形更加純凈，為后續(xù)相敏解調(diào)電路提供了很好的精度。

在eit系統(tǒng)中，施加的激勵為電流源，所以在測量電極上采集得到的是交變電壓信號，其包含實部信息與虛部信息，因此需要運用相敏解調(diào)技術(shù)得到測得電壓信號的實部信息和虛部信息。本發(fā)明的相敏解調(diào)電路(12)采用開關(guān)解調(diào)技術(shù)，解調(diào)電路原理圖如圖7所示，開關(guān)解調(diào)是將與參考信號頻率和相位都相同的信號進(jìn)行半波整流，然后通過一個低通濾波器濾除不需要的交流信號分量，得到測量電壓信號的實部信息，若將該頻率信號移相90°作為參考信號，可以得到測量電壓信號的虛部信息，本裝置系統(tǒng)中相敏解調(diào)電路采用ad公司的高精度平衡調(diào)制器芯片ad630，其信號處理應(yīng)用包括平衡調(diào)制和解調(diào)，同步檢波，相位檢測，正交檢波，相敏檢波，鎖相放大，和方波乘法。本裝置利用ip核資源產(chǎn)生相位差始終在90°的正余弦信號，分別作為實部信息的參考信號以及虛部信息的參考信號進(jìn)行同步實時解調(diào)，可以體現(xiàn)本裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性以及靈活性。采用正余弦波信號代替方波信號作為參考信號進(jìn)行相敏解調(diào)，解調(diào)出的波形比方波效果更好，具有更少的噪聲，符合電阻抗成像系統(tǒng)的要求。

所述ad轉(zhuǎn)換電路(13)優(yōu)選采用16位轉(zhuǎn)換電路，其將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，供數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。如圖8所示，可以采用ad公司的16位8通道同步采樣芯片ad7606，采樣率高達(dá)200k。片上集成模擬輸入箝位保護(hù)、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、16位電荷再分配逐次逼近型adc內(nèi)核、數(shù)字濾波器、2.5v基準(zhǔn)電壓源及緩沖、高速串行和并行接口。ad7606采用5v單電源供電，不再需要正負(fù)雙電源，并支持真正±10v或±5v的雙極性信號輸入。所有的通道均能以高達(dá)200ksps的速率進(jìn)行采樣，同時輸入端箝位保護(hù)電路可以承受最高達(dá)±16.5v的電壓。

以及，所述電極物理模型(7)使用一個圓柱形水槽作為生物體組織的物理模型，該水槽高10cm，直徑25cm，在水槽的內(nèi)壁同一高度沿著圓周等距安放16個不銹鋼電極片，不銹鋼電極片長4cm，寬2cm。水槽中盛放溶度為0.9％nacl溶液，可以為生理鹽水。

綜上，本發(fā)明的裝置利用fpga處理器自帶的ip核資源外接其他硬件電路，可以同時生成兩路頻率可控、幅值可調(diào)的正余弦電壓信號，克服了以往硬件電路設(shè)計中使用移相器所帶來的不可避免的參數(shù)誤差，提供了更大的靈活度以及更好的精度。程控濾波器的使用擴大了系統(tǒng)激勵頻率的范圍，可以有效地對采集出來的電壓信號進(jìn)行針對性濾波，使得采集出來的電壓信號更加純凈，減少不必要的干擾，為后續(xù)相敏解調(diào)電路提供了很好的精度。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。