CN113100739A - 一种便携式多频电阻抗成像前端数据采集及处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式多频电阻抗成像前端数据采集及处理方法，利用压控恒流源将DAC产生正弦信号转换成电流信号，并在第一模拟开关的作用下进行电流激励；通过采样电阻获取参考输入信号，并通过第二模拟开关选通不同组电极，利用倒T型程控增益放大器进行程控增益，得到测量输入信号；对所述参考输入信号和所述测量输入信号进行同步采集，并根据数字信号的周期性、对称性以及三角函数的对称性进行多次单点傅里叶解调，得到信号的相位信息，改善现有解调方法，极大降低了所需的乘法次数，提升了解调的速度。
Description
技术领域
本发明涉及电阻抗成像技术领域，尤其涉及一种便携式多频电阻抗成像前端数据采集及处理方法。
背景技术
电阻抗成像(EIT)包括电容成像(ECT)和电阻成像(ERT)的一种过程成像，其中ECT广泛应用于工业领域，尤其是对于多相流的检测，而ERT则面向生物医疗领域，尤其是各种肿瘤检查。该测量方法为非侵入式检查，检查过程为:在生物组织周围分布式布置电极传感器，注入安全的正弦恒流激励信号，激励信号在经过生物组织后会产生电场，而不同生物组织或相同生物组织处于不同生理状态时所具有电导率不同的特性使得内部电场会产生变化。再通过高速电压信号采集装置获取该电场信息，通过一定的图像重构算法重构组织内部的电导率分布图像，从而判断出生物组织内部是否病变以及病变的位置。
EIT前端采集***历经三十年的发展，由模拟电路向数字电路进行变化，硬件上由体积大、功耗高以及电路复杂向小体积、低功耗以及简化电路进行转变。目前技术上主要难点表现在：由于电极数量众多，且位置有着较大的差异性，检测电路中的增益倍数无法统一，同时，在获取检测信号的幅值与相位时解调所需的乘法次数过多，导致解调速度降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便携式多频电阻抗成像前端数据采集及处理方法，提高解调速度。
为实现上述目的，本发明提供了一种便携式多频电阻抗成像前端数据采集及处理方法，包括以下步骤：
利用压控恒流源将DAC产生正弦信号转换成电流信号，并在第一模拟开关的作用下进行电流激励；
通过采样电阻获取参考输入信号，并通过第二模拟开关选通不同组电极进行程控增益，得到测量输入信号；
对所述参考输入信号和所述测量输入信号进行同步采集，并进行多次单点傅里叶解调，得到信号的相位信息和幅度信息。
其中，利用压控恒流源将DAC产生正弦信号转换成电流信号，并在第一模拟开关的作用下进行电流激励，包括：
基于MCU控制DAC产生正弦信号，并利用三阶式的低通滤波器对所述正弦信号进行滤波；
利用压控恒流源将滤波后的所述正弦信号转换为电流信号，并基于第一模拟开关对于电极阵列的选择，对样本实施电流激励。
其中，通过采样电阻获取参考输入信号，并通过第二模拟开关选通不同组电极进行程控增益，得到测量输入信号，包括：
通过采样电阻获取所述样本在电流激励后的参考输入信号；
基于第二模拟开关对电极阵列的选择，将所述电流信号转换为差分电压信号，并对所述差分电压信号进行滤波和差分放大处理；
利用倒T型程控增益放大器对不同组电极进行程控增益，得到测量输入信号。
其中，对所述参考输入信号和所述测量输入信号进行同步采集，并进行多次单点傅里叶解调，得到信号的相位信息和幅度信息，包括：
对所述参考输入信号和所述测量输入信号进行同步采集，并基于获取的所述参考输入信号和所述测量输入信号的采样个数和基本参数，得到参考信号离散序列和测量信号离散序列；
对所述参考信号离散序列和所述测量信号离散序列进行多次的单点傅里叶解调，得到所述参考输入信号和所述测量输入信号的相位信息和幅度信息。
其中，对所述参考信号离散序列和所述测量信号离散序列进行多次的单点傅里叶解调，得到所述参考输入信号和所述测量输入信号的相位信息和幅度信息，包括：
根据所述正弦信号的频率，得到对应的单点傅里叶系数；
根据数字信号的周期性、对称性以及三角函数的对称性对所述离散傅里叶系数进行优化；
将所述参考信号离散序列和所述测量信号离散序列对应的优化后的所述离散傅里叶系数进行做差，得到所述参考输入信号和所述测量输入信号的相位信息；
对所述数字信号的模值进行计算，得到对应的幅度信息。
其中，根据数字信号的周期性、对称性以及三角函数的对称性对所述离散傅里叶系数进行优化，包括：
依次根据所述数字信号的周期性和对称性，将所述离散傅里叶系数的复数乘法次数降低至10次；
分别将所述参考信号离散序列和所述测量信号离散序列与所述数字信号的乘积转化为将所述参考信号离散序列和所述测量信号离散序列与所述数字信号实部的乘法，以及与所述数字信号虚部的乘法，并基于三角函数的对称性，完成对所述傅里叶系数的优化。
本发明的一种便携式多频电阻抗成像前端数据采集及处理方法，利用压控恒流源将DAC产生正弦信号转换成电流信号，并在第一模拟开关的作用下进行电流激励；通过采样电阻获取参考输入信号，并通过第二模拟开关选通不同组电极，利用倒T型程控增益放大器进行程控增益，得到测量输入信号；对所述参考输入信号和所述测量输入信号进行同步采集，并根据数字信号的周期性、对称性以及三角函数的对称性进行多次单点傅里叶解调，得到信号的相位信息，改善现有解调方法，极大降低了所需的乘法次数，提升了解调的速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种便携式多频电阻抗成像前端数据采集及处理方法的步骤示意图。
图2是本发明提供的一种便携式多频电阻抗成像前端数据采集及处理方法的结构示意图。
图3是本发明提供的低通滤波器的结构示意图。
图4是本发明提供的低通滤波器幅频响应曲线。
图5是本发明提供的模拟开关的结构示意图。
图6是本发明提供的倒T型电阻网络程控增益放大器的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，本发明提供一种便携式多频电阻抗成像前端数据采集及处理方法，包括以下步骤：
S101、利用压控恒流源将DAC产生正弦信号转换成电流信号，并在第一模拟开关的作用下进行电流激励。
具体的，如图2所示，MCU控制DAC产生正弦信号，激励模块***电路设计主要包括了的低通滤波器，电阻抗成像当中虽然用到多频技术，但是频率范围一般是10KHz-100KHz的范围，所以低通滤波器的设计只需要将100KHz以下的频段保留即可，降低高频信号成分。由于电阻抗成像需要通过电流激励的方式在人体中形成电磁场，所以要将低通滤波器的电压信号通过压控恒流源转换为电流信号，同时在模拟开关的作用下对人体实施电流激励。
低通滤波器如图3所示，主要由两个阶段构成，阶段A为一个一阶低通缓冲RC加运放构成，阶段B利用运放构成一个Sallen Key反馈的二阶低通滤波器，两个阶段构成了一个三阶的Butterworth低通滤波器，其幅频响应特性曲线如图4所示，通带为10KHz，阻带为100KHz，在100KHz处信号衰减了60dB(1000倍)。
低通滤波器出来的信号为电压型正弦波，电阻抗成像的激励信号需要电流型信号，本发明采用Howland电流泵将电压信号转换为电流信号，此电流信号在模拟的选择下作用于电极对生物组织进行激励，模拟开关选择电路如图5所示，U1模拟开关(即第一模拟开关)器件选择x(1-16)电极作为“电流激励+”，U3模拟开关器件选择y(1-16)电极作为“电流激励-”，“电流激励-”通过串联一个采样电阻(Rg)再回到***MCU，这个采样电阻的电压作为参考电压输入至ADC2中。
S102、通过采样电阻获取参考输入信号，并通过第二模拟开关选通不同组电极进行程控增益，得到测量输入信号。
具体的，电流的回路中通过采样电阻得到参考输入信号，并输入至ADC2中。检测电路在电极的作用下获取人体皮肤表面信号，并通过模拟开关选通不同组的电极进行差分放大，在差分放大之前由于人体表面存在一个直流分量，设计一个适用于电阻抗成像的带通滤波器，此带通滤波器提取出10KHz-100KHz的电阻抗成像信号。由于此***是多电极成像，不同组电极的放大倍数难以固定，设计倒T型电阻网络加运放对不同组电极进行程控增益。
图5中的U2模拟开关(即第二模拟开关)选择h(1-16)电极作为“电压检测+”，U6模拟开关选择z(1-16)电极作为“电压接收-”，这一对差分电压会包含有环境中的一些噪声，特别是人体皮肤中的静电等噪声，有用信号的范围是10KHz-100KHz，本发明设计一个带通滤波器过滤掉噪声干扰，然后将这对差分信号用差分放大器进行放大。
电阻抗成像***中使用了16个电极，电极数量比较多，再加上某些接收组次的电极距离激励电极比较远，这使得最小电压仅为最大电压的13％，因此放大倍数难以固定，本发明采用倒T型电阻网络设计一个增益范围较大、增益步进较小适用于电阻抗成像***的程控增益放大器(PAG)。倒T电阻网络程控增益放大器如图6所示，由图可知电阻网络中只有R、2R、10R三种阻值的电阻，这给集成电路的设计和制作带来了很大的方便。其中，Vi为输入信号，V0为输出信号，本发明中的电路由10个模拟开关加运放构成，如果令di＝0时，第二模拟开关接地(即放大器的V+)，而di＝1的第二模拟开关接至放大器的输入端V-，则流入V-端的总电流为
其中式1的I式2给出，I表示通过电阻的电流。di表示模拟开关的导通状态，0表示不导通，1表示导通。
在求和放大器的反馈电阻阻值等于10R的条件下，输出电压由式3给出
式3中的Vi为程控增益放大器输入信号，V0为程控增益放大器的输出信号，D为控制模拟开关的数字量。
S103、对所述参考输入信号和所述测量输入信号进行同步采集，并进行多次单点傅里叶解调，得到信号的相位信息和幅度信息。
具体的，激励信号的频率为50KHz，ADC的采样周期为1MHz时，对参考信号以及测量信号采样1000个点，即可得到参考信号离散序列x1[n]，以及测量信号离散序列x2[n]，n的范围是[0,999]，频率分辨率由式4给出。
所以50KHz信号的傅里叶系数为X[50]，单点的DFT由式5给出。
上式的复数乘法次数高达1000次，利用数字信号
的周期性以及对称性可以将复数乘法次数降低至10次，进一步的利用三角函数的对称性将10次复数乘法优化至8次实数乘法。这极大的节约了运算时间，提高了***的响应时间。
本发明专利中一共经过三次单点DFT优化，第一步利用
的周期性，第二步利用
的对称性，第三步利用三角函数的对称性将10次复数乘法优化为8次实数乘法。
首先利用式6给出的
周期性将1000次复数乘法降低至20次，相同的乘数因子采用多项式合并的方式将乘法转换为加法。式6中n1为正整数。
式6与式5联立可以得到式7，式7与式5对比可以看出，式7的复数乘法次数降低至20次。
然后利用式8给出的
的对称性将20次复数乘法降低至10次，相同的乘数因子采用多项式合并的方式将乘法转换为加法。式8中n为正整数。
式8与式7联立可以得到式9，式9与式7对比可以看出，式9的复数乘法次数降低至10次。
由于x[n]是一个实数，
是一个复数，所以x[n]与
的乘法可以转换为x[n]与
实部的乘法以及x[n]与
虚部的乘法，
按照式10进行展开，其中，x[n]表示参考信号离散序列和测量信号离散序列。
cos(x)与sin(x)的对称性将10次复数乘法装换为10次实数乘法。cos(x)与sin(x)的对称性分别由式11与式12给出。
式11、式10以及式9联立可以得到X[50]的实部为式13，式13中的临时变量temp_x由式14给出，由式13可以看出只进行了4次实数乘法。
式12、式10以及式9联立可以得到X[50]的虚部为式15，式15中的临时变量temp_x由式14给出，由式15可以看出只进行了4次实数乘法。
式13与式15分别给出了X[50]的实部与虚部，一共进行了8次实数乘法。综上所述，将原需要进行1000次的复数乘法简化为8次的实数乘法，得到了X[50]，极大的提高了MCU的运算速度。
X[50]是一个复数，对其求模值即可得到50KHz信号的幅度，检测信号的幅值由式16给出，|vi_50KHz|表示检测信号的幅值。
利用X1[50]和X2[50]的相位差值即可得到参考信号与测量信号的相位信息。
有益效果
1、利用采集到的EIT数字信号的周期性，对DFT进行单点频率简化，提取出单点频率的DFT变换值。
2、采用16通道的模拟开关对16个EIT电极进行复用，同一个电极可以分时复用为“电流激励+”、“电流激励-”、“电压检测+”、“电压检测-”，模拟开关由MCU进行控制。
3、电流激励回路中设计采样电路获取参考电压输入，此信号能真实的反映生物组织的相位特性。
4、检测电路中采用了倒T型电阻网络加运放设计了一个专用于EIT的程控增益放大器，在不同人体组织中可以方便调节增益倍数。
5、改善现有解调方法，极大降低了所需的乘法次数，提升了解调的速度。
本发明的一种便携式多频电阻抗成像前端数据采集及处理方法，利用压控恒流源将DAC产生正弦信号转换成电流信号，并在第一模拟开关的作用下进行电流激励；通过采样电阻获取参考输入信号，并通过第二模拟开关选通不同组电极，利用倒T型程控增益放大器进行程控增益，得到测量输入信号；对所述参考输入信号和所述测量输入信号进行同步采集，并根据数字信号的周期性、对称性以及三角函数的对称性进行多次单点傅里叶解调，得到信号的相位信息，改善现有解调方法，极大降低了所需的乘法次数，提升了解调的速度。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种便携式多频电阻抗成像前端数据采集及处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用压控恒流源将DAC产生正弦信号转换成电流信号，并在第一模拟开关的作用下进行电流激励；
通过采样电阻获取参考输入信号，并通过第二模拟开关选通不同组电极进行程控增益，得到测量输入信号；
对所述参考输入信号和所述测量输入信号进行同步采集，并进行多次单点傅里叶解调，得到信号的相位信息和幅度信息。
2.如权利要求1所述的便携式多频电阻抗成像前端数据采集及处理方法，其特征在于，利用压控恒流源将DAC产生正弦信号转换成电流信号，并在第一模拟开关的作用下进行电流激励，包括：
基于MCU控制DAC产生正弦信号，并利用三阶式的低通滤波器对所述正弦信号进行滤波；
利用压控恒流源将滤波后的所述正弦信号转换为电流信号，并基于第一模拟开关对于电极阵列的选择，对样本实施电流激励。
3.如权利要求1所述的便携式多频电阻抗成像前端数据采集及处理方法，其特征在于，通过采样电阻获取参考输入信号，并通过第二模拟开关选通不同组电极进行程控增益，得到测量输入信号，包括：
通过采样电阻获取样本在电流激励后的参考输入信号；
基于第二模拟开关对电极阵列的选择，将所述电流信号转换为差分电压信号，并对所述差分电压信号进行滤波和差分放大处理；
利用倒T型程控增益放大器对不同组电极进行程控增益，得到测量输入信号。
4.如权利要求1所述的便携式多频电阻抗成像前端数据采集及处理方法，其特征在于，对所述参考输入信号和所述测量输入信号进行同步采集，并进行多次单点傅里叶解调，得到信号的相位信息和幅度信息，包括：
对所述参考输入信号和所述测量输入信号进行同步采集，并基于获取的所述参考输入信号和所述测量输入信号的采样个数和基本参数，得到参考信号离散序列和测量信号离散序列；
对所述参考信号离散序列和所述测量信号离散序列进行多次的单点傅里叶解调，得到所述参考输入信号和所述测量输入信号的相位信息和幅度信息。
5.如权利要求4所述的便携式多频电阻抗成像前端数据采集及处理方法，其特征在于，对所述参考信号离散序列和所述测量信号离散序列进行多次的单点傅里叶解调，得到所述参考输入信号和所述测量输入信号的相位信息和幅度信息，包括：
根据所述正弦信号的频率，得到对应的单点傅里叶系数；
根据数字信号的周期性、对称性以及三角函数的对称性对所述离散傅里叶系数进行优化；
将所述参考信号离散序列和所述测量信号离散序列对应的优化后的所述离散傅里叶系数进行做差，得到所述参考输入信号和所述测量输入信号的相位信息；
对所述数字信号的模值进行计算，得到对应的幅度信息。
6.如权利要求5所述的便携式多频电阻抗成像前端数据采集及处理方法，其特征在于，根据数字信号的周期性、对称性以及三角函数的对称性对所述离散傅里叶系数进行优化，包括：
依次根据所述数字信号的周期性和对称性，将所述离散傅里叶系数的复数乘法次数降低至10次；
分别将所述参考信号离散序列和所述测量信号离散序列与所述数字信号的乘积转化为将所述参考信号离散序列和所述测量信号离散序列与所述数字信号实部的乘法，以及与所述数字信号虚部的乘法，并基于三角函数的对称性，完成对所述傅里叶系数的优化。
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