CN113567737B - 电压数据的采样方法和肺通气监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压数据的采样方法和肺通气监测装置，涉及医学工程技术领域。其中方法包括：通过模数转换模块和电压信号采集器对电极阵列输出的电压信号进行采集，并判断激励电流源输出的电流信号的频率是否高于预设频率；若电流信号的频率高于预设频率，则在电压信号的每个周期中提取出至少一个电压值，其中，每个电压值的相位彼此不同；对提取出的电压值进行信号集成，得到一个完整周期的电压采样信号。上述方法减少了肺通气监测装置的生产成本，降低了肺通气监测装置的电路复杂度，同时提高了肺通气监测装置在高频率发射信号状态下的电压采样精准度，从而有效的提高了肺通气监测装置的成像清晰度和成像准确度。

Description

电压数据的采样方法和肺通气监测装置

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术领域，尤其是涉及一种电压数据的采样方法和肺通气监测装置。

背景技术

数字信号处理器(Digital Signal Processin，DSP)，又称为数字信号处理芯片，是目前数字处理***中最常用的主流处理器之一，DSP芯片专用于快速处理各种数字信号，其内部采用哈佛结构，数据与程序有各自的存储空间，流水线技术的工作流程，使得DSP芯片可以在一个周期内执行多个指令。

数字信号处理器可应用于EIT(electrical impedance tomography，电阻抗成像技术)***等大型数据处理***中，并可大幅提高EIT***的信号处理速度。其中，EIT技术是一种以人体内部阻抗分布为成像目标的医学功能成像技术，其工作原理是利用体表电极在检测对象体表施加安全的微弱电流，并测得其它电极上的响应电压信号，然后根据电压与电流之间的关系重构出人体内部电阻抗的变化图像。EIT技术能够对肺通气情况进行成像，原因在于生物的呼吸过程具有较强周期性，随着高电阻率的空气吸入和呼出，肺内阻抗会产生较大的周期性变化，因此，将EIT技术应用在肺通气成像领域具有较好的应用前景。

EIT技术能够用较少的测量数据反应出密集的电导率分布，因此数据的精度对重构的图像影响很大，目前EIT***中的数据采集模块多数仍选择使用外接专用的A/D转换芯片，但是，这种方式会导致EIT***的生产成本进一步增加，也会导致EIT***的体积进一步增大，电路连接复杂度进一步增加，而极少数通过DSP片内的AD模块进行数模转换的EIT***，在频率带宽上仍被限制在较低的范围内，一旦EIT***的信号发射频率高于一定数值，其电压采样精准度就会大幅降低，从而导致重构出的图像清晰度和准确度较差。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种电压数据的采样方法和肺通气监测装置，主要目的在于解决EIT***的数字信号处理器在高频率的电流信号下电压采样精准度较低的技术问题。

根据本发明的第一个方面，提供了一种电压数据的采样方法，该方法应用于数字信号处理器中，其中，数字信号处理器内部集成有模数转换模块，且数字信号处理器分别与激励电流源、电压信号采集器和模拟多路复用器相连，且激励电流源和电压信号采集器还分别通过模拟多路复用器与电极阵列相连，所述方法包括：

通过模数转换模块和电压信号采集器对电极阵列输出的电压信号进行采集，并判断激励电流源输出的电流信号的频率是否高于预设频率；

若电流信号的频率高于预设频率，则在电压信号的每个周期中提取出至少一个电压值，其中，每个电压值的相位彼此不同；

对提取出的电压值进行信号集成，得到一个完整周期的电压采样信号。

根据本发明的第二个方面，提供了一种电压数据的采样装置，该装置包括：

信号采集模块，用于通过所述模数转换模块和所述电压信号采集器对所述电极阵列输出的电压信号进行采集，并判断所述激励电流源输出的电流信号的频率是否高于预设频率；

信号提取模块，用于若所述电流信号的频率高于所述预设频率，则在所述电压信号的每个周期中提取出至少一个电压值，其中，每个所述电压值的相位彼此不同；

信号集成模块，用于对所述提取出的电压值进行信号集成，得到一个完整周期的电压采样信号。

根据本发明的第三个方面，提供了一种肺通气监测装置，该肺通气监测装置包括数字信号处理器、激励电流源、电压信号采集器、模拟多路复用器和电极阵列，数字信号处理器内部集成有模数转换模块，数字信号处理器中执行有上述电压数据的采样方法，其中，数字信号处理器分别与激励电流源、电压信号采集器和模拟多路复用器相连，激励电流源和电压信号采集器还分别通过模拟多路复用器与电极阵列相连；数字信号处理器用于通过模拟多路复用器对电极阵列上的电极进行选通，并控制激励电流源对电极阵列上的电极进行电流激励，以及控制电压信号采集器对电极阵列上输出的电压信号进行采集，和对采集到的电压信号进行集成以得到电压采样信号。

根据本发明的第四个方面，提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述电压数据的采样方法。

根据本发明的第五个方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述电压数据的采样方法。

本发明提供的一种电压数据的采样方法和肺通气监测装置，通过数字信号处理器内部集成的模数转换模块对电极阵列输出的电压信号进行采集，并在电流信号发射频率高于预设频率时，对采集到的电压信号进行提取和集成，从而得到完整周期的电压采样信号。上述方法利用数字信号处理器片内的AD模块进行数模转换，减少了肺通气监测装置的生产成本，降低了肺通气监测装置的电路复杂度，同时，上述方法通过在电流信号频率高于预设频率时对电压信号进行提取和集成，提高了肺通气监测装置在高频率发射信号状态下的电压采样精准度，有效的提高了肺通气监测装置的成像清晰度和成像准确度。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明实施例提供的一种电压数据的采样方法的流程示意图；

图2示出了本发明实施例提供的一种电压数据的采样方法的流程示意图；

图3示出了本发明实施例提供的一种电压数据的采样方法的流程示意图；

图4示出了本发明实施例提供的电压信号提取和集成方法的流程示意图；

图5示出了本发明实施例提供的一种肺通气监测装置的电路结构示意图；

图6示出了本发明实施例提供的一种激励电流源的电路结构示意图；

图7示出了本发明实施例提供的一种电压信号采集器的电路结构示意图；

图8示出了本发明实施例提供的一种可穿戴式柔性电极带的结构示意图；

图9示出了本发明实施例提供的一种电压数据的采样装置的结构示意图；

图10示出了本发明实施例提供的另一种电压数据的采样装置的结构示意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种电压数据的采样方法，以该方法应用于数字信号处理器为例进行说明，包括以下步骤：

101、通过模数转换模块和电压信号采集器对电极阵列输出的电压信号进行采集，并判断激励电流源输出的电流信号的频率是否高于预设频率。

102、若电流信号的频率高于预设频率，则在电压信号的每个周期中提取出至少一个电压值，其中，每个电压值的相位彼此不同。

103、对提取出的电压值进行信号集成，得到一个完整周期的电压采样信号。

在具体说明本方法之前，首先对本方法的应用场景做简单介绍。具体的，本方法可以应用于电阻抗成像技术***(EIT***)等数据处理***的数字信号处理器(DSP芯片)中。在本实施例中，数字信号处理器可以分别与激励电流源、电压信号采集器和模拟多路复用器等装置相连，激励电流源和电压信号采集器则可以分别通过模拟多路复用器与电极阵列相连，其中，电极阵列上分布有多个待测的电极片。在上述应用场景中，激励电流源可用于发射一定频率和周期的电流信号(如正弦波信号)，模拟多路复用器可用于对电极阵列上的待测电极进行选通，电压信号采集器可用于对选通后的电极进行电压信号的采集和处理，并将处理后的电压信号发送至数字信号处理器中。

具体的，数字信号处理器在接收到电压信号采集器发送的电压信号之后，可以通过片内的模数转换模块(A/D模块)对模拟量电压信号进行转换，从而得到数字信号处理器可以识别出的数字量电压信号。对于数字信号处理器片内的A/D模块来说，其采样速度通常非常受限，此时，如果激励电流源发射的电流信号的频率过高，就会不可避免的降低一个周期内的电压采样点数，从而导致所采的电压信号的幅值和相位的计算精度难以达到数据处理***的要求。例如，某型号的DSP芯片中内置了理论上采样速度最高为12.5MHz的A/D采样模块，则该DSP芯片的采样点之间的最短时间间隔为80ns，若此时激励电流源发射的电流信号的频率为125KHz、周期为8us，则DSP芯片最多可在一个周期采集到100个点，并通过这100个点重构出激励电流源发射的电流信号；若此时激励电流源发射的电流信号的频率提升至250KHz，则DSP芯片最多只在一个周期采集到50个点，并通过这50个点重构出激励电流源发射的电流信号，这样一来，就会导致电压信号采样精度过低，从而难以满足电阻抗成像***要求。

进一步的，为了解决上述问题，在本实施例中，数字信号处理器在接收到电压信号采集器发送的电压信号之后，可以首先判断激励电流源输出的电流信号的频率是否高于预设频率，若判定激励电流源输出的电流信号的频率高于预设频率，则可以在电压信号的每个周期中提取出至少一个电压值，其中，每个周期中提取出电压值的相位可以彼此不同，最后，待所有电压值提取完毕后，可以对所提取出的全部电压值进行信号集成，从而得到一个完整周期的电压采样信号。需要说明的是，上述方法中所涉及的预设频率、电压值的提取方式以及电压值的提取个数均可以根据实际情况进行设定，本实施例不做具体限定。此外，为了提高采样速度，本实施例可以在片内A/D模块采样速度允许的情况下，在每个周期内多提取出几压值，且保证所提取出的每个电压值之间相位彼此不同，从而能够在尽可能少的周期中采集到一个完整周期的电压采样信号。可以理解的是，在多个周期中提取出一个电压值，或提取出相位彼此相同的电压值等变化方案也在本实施例的保护范围内，但上述变化方案需要进一步降低电压信号的采样频率，故不做展开介绍。

本实施例提供的电压数据的采样方法，通过数字信号处理器内部集成的模数转换模块对电极阵列输出的电压信号进行采集，并在电流信号发射频率高于预设频率时，对采集到的电压信号进行提取和集成，从而得到完整周期的电压采样信号。上述方法利用数字信号处理器片内的AD模块进行数模转换，减少了电压数据采集装置的生产成本，降低了电压数据采集装置的电路复杂度，同时，上述方法通过在电流信号频率高于预设频率时对电压信号进行提取和集成，提高了电压数据采集装置在高频率发射信号状态下的电压采样精准度。

进一步的，作为上述实施例具体实施方式的细化和扩展，为了完整说明本实施例的实施过程，提供了电压数据的采样方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：

201、响应于电压信号采集指令，对电极阵列上激励选通的两个电极进行电流激励。

202、响应于电极切换指令，按照预设电极切换模式对激励选通和/或测量选通的电极进行电极切换，并对电极阵列上激励选通的两个电极进行电流激励。

具体的，在采集电压信号之前，数字信号处理器可以首先通过模拟多路复用器对电极阵列上的电极进行激励选通和测量选通，其中，激励选通指的是数字信号处理器通过模拟多路复用器对电极阵列上的需要电流激励的电极进行选通，测量选通指的是数字信号处理器通过模拟多路复用器对电极阵列上的需要采集电压信号的电极进行选通，在激励选通和测量选通之后，数字信号处理器可以通过激励电流源对激励选通的电极进行电流激励，并对测量选通的电极之间的电压信号进行采集。需要说明的是，激励选通和测量选通的电极在整个电压信号采集的过程中是可以不断切换变化的，其中，切换变化的规则由预设的电极切换模式所决定。

在本实施例中，预设的电极切换模式可以根据实际情况进行选择和设定。例如，预设的电极切换模式可以为循环激励、循环测量的激励测量选通模式。该模式的实现方式为：首先将电极从1到n进行编号，然后采用相邻电流注入模式，对电极1和电极2电极进行激励，继而，电压测量在所有电极对(j-1，j)和(j，j+1)上进行，其中，(j∈4,5,...,n-1)，接下来电流注入电极2和电极3，电压测量模式也旋转一个电极。这一过程一直重复，直到所有电流注入模式都被应用，共得到n*(n-3)个电压采样信号。在上述模式中，当n为16时，即当电极阵列上的电极片个数为16个时，可以采集到208个电压采样信号。

具体的，数字信号处理器可以在接收到电压信号采集指令之后，对电极阵列上激励选通的两个电极进行电流激励，也可以在接收到电极切换指令之后，先按照预设的电极切换模式对激励选通和/或测量选通的电极进行电极切换，然后在静置一段时间后，对切换后的电极阵列上激励选通的两个电极进行电流激励。需要说明的是，电压信号采集指令可以在电压信号采集的初始时刻发送，电极切换指令可以在一个周期的电压信号采集完毕后发送，两种指令都可以启动数字信号处理器对电极阵列上的电极的信号采集，但两种指令的发送时机有所不同。另外，在电极切换后，数字信号处理器需要静置一段时间后再进行电压信号的采集，以避免多路复用器切换选通位置而造成的电压突变，和电流信号在人体或模型中的延迟所造成的信号不稳定。

203、对电极阵列上测量选通的两个电极之间的电压信号进行采集，并判断激励电流源输出的电流信号的频率是否高于预设频率。

204、若电流信号的频率高于预设频率，则在电压信号的每个周期中提取出至少一个电压值，其中，每个电压值的相位彼此不同。

205、若电流信号的频率不高于预设频率，则在电压信号的一个周期内连续提取出多个电压值。

206、对提取出的电压值进行信号集成，得到一个完整周期的电压采样信号。

具体的，数字信号处理器在接收到电压信号采集指令或电极切换指令后，可以对电极阵列上测量选通的两个电极之间的电压信号进行采集，并判断激励电流源输出的电流信号的频率是否高于预设频率，若激励电流源输出的电流信号的频率高于预设频率，则可以在电压信号的每个周期中提取出至少一个电压值；若激励电流源输出的电流信号的频率不高于预设频率，则可以在电压信号的一个周期内连续提取出多个电压值，其中，两种信号采集方式所提取出的电压值的相位均彼此不同，最后待所有电压值提取完毕后，可以对所提取出的全部电压值进行信号集成，从而得到一个完整周期的电压采样信号。需要说明的是，上述方法中所涉及的预设频率、电压值的提取方式以及电压值的提取个数均可以根据实际情况进行设定，本实施例不做具体限定。在本实施例中，数字信号处理器可以根据电流信号的频率自动选择高频信号采集方式和低频信号采集方式，通过这种方式，既保证了高频信号和低频信号下的电压信号采集准确度，又保证了低频信号下的电压采样速度。

207、对电压采样信号进行数字解调，得到电压采样信号的幅值和相位。

208、判断电压采样信号的幅值是否小于预设幅值，若是，则控制电压信号采集器的电压放大电路自适应调整电压放大倍数。

具体的，数字信号处理器在采集到一个完整周期的电压采样信号之后，可以对电压采样信号进行数字解调，从而得到电压采样信号的幅值和相位，然后，数字信号处理器可以将解调出的电压采样信号的幅值与预设幅值相比，以判断电压采样信号的幅值是否能够达到预设幅值要求，若电压采样信号的幅值小于预设幅值，则可以控制电压信号采集器的电压放大电路自适应调整电压放大倍数，并跳转至步骤201中对电压信号进行重新采集；若电压采样信号的幅值不小于预设幅值，则可以不进行相应处理，然后跳转至步骤202中，对电极阵列上的其他电极进行电流激励和电压采集。

209、判断电极阵列上的电极是否按照预设电极切换模式切换完毕，若是，则停止激励电流源的电流激励。

210、根据电压信号采集器的电压放大电路的电压放大倍数，对电压采样信号的幅值和相位进行还原处理。

211、将还原处理后的电压采样信号的幅值和相位上传至上位机中，以使上位机根据还原处理后的电压采样信号的幅值和相位绘制图像。

具体的，当电极阵列上的电极全部按照预设的电极切换模式切换完毕时，可以停止激励电流源对电极的激励，然后根据电压信号采集器的电压放大倍数，对电压采样信号的幅值和相位进行还原处理，以得到电压采样信号的原始幅值和相位，最后将还原后的电压采样信号的幅值和相位上传至上位机中，以使上位机根据还原后的电压采样信号的幅值和相位绘制图像。

本实施例提供的电压数据的采样方法，实现了对EIT***微弱的边界电压信号进行自适应精准采样的功能，克服了利用DSP片内AD模块进行数模转换时，EIT***的频率带宽被限制在较低的范围内而导致的电压信号采集精度低的问题，在电流频率较高时，本方法不再局限于对1个信号周期内的信号采样，而是将采样范围拓展至多个信号周期，从而可以以稍微降低整体采样速度为代价保证了信号幅值与相位的检测精度。

进一步的，作为上述实施例具体实施方式的细化和扩展，为了完整说明本实施例的实施过程，结合具体场景提供一种电压数据的采样方法，如图3所示，该方法包括以下步骤：

首先，程序设置DSP芯片的数字IO引脚的高低电平，控制组成模拟多路复用器模块的4个模拟开关芯片的16地址选择引脚，使模拟多路复用器模块将特定的激励、测量位置的电极与激励电流源的输出信号、地信号、正电压测量信号和负电压测量信号连接起来，然后静置一段时间后等待信号稳定，稳定后判断信号频率是否过高：若否，则直接进行信号采样，即在测得信号的一个周期内进行连续取点；若是，则采用上述两个实施例提出的高频采样策略，如图4所示，先在测得信号第1个周期内θ1相位处取第1个点，在第2个周期内θ2相位处取第2个点，在第3个周期内θ3相位处取第3个点……在第150个周期内θ150相位处取第150个点，将这150个点结合得到一个完整周期的采样电压信号。然后通过数字解调的方式计算出所测信号的幅值和相位，接着判断测得信号的幅值是否太小：若是，则认为采样结果是不够准确的，依据片内AD的电压采集范围以及供电电压上限尽可能高的自适应调整放大倍数，再次等待信号稳定，并重新进行采样；若否，则判断采样是否结束，即是否完成了208次有效的测量，若否就切换到下一组激励、测量电极对再次测量，若是就结束采样。采样结束后，实际信号幅值根据实际计算值与放大倍数进行调整。最后，将信号幅值信息通过无线通信模块发送至上位机，在此过程中，数据发送过程与信号的数字解调过程都可以在等待信号稳定的过程中完成，以提高***速度。

在一个实施例中，提供了一种肺通气监测装置，如图5所示，该肺通气监测装置包括数字信号处理器、激励电流源、电压信号采集器、模拟多路复用器和电极阵列，其中，数字信号处理器内部集成有模数转换模块，数字信号处理器中执行有上述任一项实施例所述的电压数据的采样方法。具体的，参照图5，上述数字信号处理器分别与激励电流源、电压信号采集器和模拟多路复用器相连，激励电流源和电压信号采集器还分别通过模拟多路复用器与电极阵列相连。在本实施例中，数字信号处理器可用于通过模拟多路复用器对电极阵列上的电极进行选通，并控制激励电流源对电极阵列上的电极进行电流激励，以及控制电压信号采集器对电极阵列上输出的电压信号进行采集，和对采集到的电压信号进行集成以得到多个完整周期的电压采样信号。

在上述实施例中，模拟多路复用器可以由4个低功耗高速模拟开关芯片构成，在连接时，可以将第一个和第二个模拟开关芯片的D引脚分别连接到激励电流源的输出端和模拟地，将第三个和第四个模拟开关芯片的D引脚分别连接到电压信号采集器的正电压信号输入端口和负电压信号输入端口。在测量电压信号时，可以采用循环激励、循环测量的激励测量选通模式。首先从1、2电极进行激励,其余电极3、4、5…15、16电极相邻电极对进行测量，一次激励共测量13组数据，循环到16，1电极对进行激励，其余电极进行测量，这样循环激励测量一帧可得16*13＝208个数据。由于每个模拟开关芯片由4个地址选择引脚进行选通，故模拟多路复用器模块共有16个地址选择引脚，它们被连接到数字信号处理器的16个I/O端口，由数字信号处理器内部执行的激励测量控制程序进行控制。电压信号采集器辅以数字信号处理器的程序控制，即可以实现对采集的电压信号的放大滤波解调等处理，最后通过通信模块将电压采样信号的幅值相位等数字信号送到上位机上，经由数据处理软件实现对肺部通气的断层成像。

本实施例提供的肺通气监测装置可以实时对肺部通气进行断层成像，达到持续监测的目的，具有无创、无辐射、测量精度高、体积小、重量轻、成本低廉、易于携带等优点。相比于传统的气流式肺功能仪和CT等医学影像技术，便于推广普及。

在一个实施例中，肺通气监测装置还包括通信模块和上位机，其中，上位机可以通过通信模块与数字信号处理器相连，通信模块可用于将电压采样信号上传至上位机中，上位机具体可以为台式PC机，并可用于根据电压采样信号绘制肺部图像，以及对肺部图像进行展示。

在一个实施例中，通信模块具体可以为有线通信模块和/或无线通信模块。其中，用于数据传输的无线发射器(WIFI Dongle)可以克服普通EIT装置在数据传输时由电缆线限制的监测姿势和行动困难等问题，为装置的使用者提供了便利，同时也易于实验室等开展大量样本的数据采集工作，为丰富研究的多样性提供了可能。

在一个实施例中，激励电流源包括依次串联的信号发生器、隔直低通滤波电路、第一电压跟随器、幅值控制电路、压控电流源电路和负载，其中，激励电流源可用于向电极阵列上的电极输出幅值、频率和相位均可调的激励电流信号。具体的，上述信号发生器可采用DDS技术设计，具有幅值、频率和相位可调的优点，可满足EIT***的要求，信号发生器可输出正弦电压信号，经过隔直滤波电路之后，可以转换为高纯度的单频或混频电压信号，再经由第一电压跟随器，可以提高激励源的输入阻抗，提高带负载能力，再经由幅值控制模块，可对正弦电压信号进行幅值调节，最后接入压控电流源模块，可输出电流恒定的激励信号，由此过程实现了幅值、频率均可调的电流信号的输出。

在一个实施例中，激励电流源的电路连接方式可以参照图6进行设计。如图6所示，信号发生器可由专用DDS芯片完成设计，本实施例采用了并行的方式对DDS芯片进行调试：将8个数据位、6个地址位和5个控制位分别连接在DSP芯片的19个数字I/O端口上。接着，在激励通道中为了滤除信号发生器模块数模转换输出中的高频噪声分量，设计了无源低通滤波电路。进一步的，根据所需的幅频特性、截止频率等滤波参数，基于归一化的元件值设计了所需要的电容和电感，设计了截止频率为120MHz的7阶无源低通滤波器，同时具有隔直的作用。由于DDS信号发生器模块只产生电压信号，输出电流极小，直接驱动负载能力较差，所以在输入压控电流源之前，设置了相应的电压跟随器以提高带负载能力，以及设计了幅值调整模块实现对控制电流源的电压信号的模拟控制，即具体信号放大的倍数可通过滑动变阻器调节。压控电流源电路采用双运放(DOA)模式设计，输出的电流信号大小为：

IO＝VO/1000(A)

由此过程实现了幅值、频率、相位均可调的激励电流输出。且输出电流会受到人体安全电流(5mA)以下和***装置的供电电压限制。

在一个实施例中，电压信号采集器包括依次串联的第二电压跟随器、前置高通滤波电路、程控差分放大电路、程控增益放大电路、低通滤波电路和信号调理电路，其中，电压信号采集器可用于对电极阵列上输出的电压信号进行采集，并对采集到的电压信号进行滤波、放大和偏移处理。具体的，第二电压跟随器和前置高通滤波电路可对模拟多路复用器选定的测量通道的电压信号进行隔直滤波处理，接下来，根据DSP内置的A/D采样模块的精度和采样幅值范围，可计算出A/D采样模块的采样精度。由于EIT***采集到的边界电压幅值，其最大值与最小值的差值可以达到接近20倍，因此，想要充分利用ADC模块的采样精度，可以利用程控差分放大电路和程控增益放大电路对采集到的电压数据进行二级可调程控的放大。在程序设计方面，可以在数据传输前进行两组数据采集，第一组为预采集，即对采集到的数据进行阈值判断，若低于设定阈值，则在第二组采集过程中在相应电极位置上设定更大的放大倍数。电压信号依次经过程控差分放大电路、程控增益放大电路和低通滤波电路后，就完成了两级放大处理，同时滤掉了高频噪声，接着通过信号调理电路，就可以把电压信号调整到下游DSP内置A/D转换模块的输入范围内，然后由ADC转换为数字信号。

在一个实施例中，电压信号采集器的电路连接方式可以参照图7进行设计。如图7所示，模拟多路复用器模块选通后输出的两个电压信号测试端口可以连接到第二电压跟随器的两个输入端口上，第二电压跟随器的输出端口可以分别连接到程控差分放大电路输入端口前的无源RC高通滤波电路电容未接电阻的一端，两个电容的另外一端则分别连接着程控差分电路的IN+和IN-，程控差分电路的OUT引脚接到程控增益放大电路的IN+端口，两级放大电路的增益控制引脚A1、A0分别连接在DSP的4个数字I/O口上，程控增益放大电路的OUT引脚连接到低通滤波器的输入端。滤波器的输出端口连接到信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端口连接着DSP内置A/D转换模块的输入引脚，转换后的数字电压信号被送入DSP内部设计的数字解调模块。由于需要考虑到测试患者的安全问题，激励电流信号幅值一般在1mA左右，因此采集到的电压差信号也十分微弱，所述前置高通滤波电路对电压跟随器输出的电压信号进行进一步的隔直滤波处理。接着从对电压信号的两级程控放大到ADC的模数转换需要运用本发明提出基于DSP的EIT***数据采集策略，即利用DSP内置的A/D模块实现对EIT***微弱的边界电压信号进行自适应精准采样的方法。在程序设计上，数据传输前会进行两组数据采集，第一组为预采集，对采集到的电压信号的峰峰值Vpp进行阈值判断，若低于设定阈值，则认为采样结果是不够准确的，在第二组采集过程中依据电压采集范围相应电极位置尽可能高的提高程控差分放大电路和程控增益放大电路的倍数。采样结束后，实际信号幅值根据实际计算值与放大倍数进行调整。在两级程控放大之后设置了低通滤波器去除测量信号中包含的高频噪声。DSP内置的A/D采样模块允许输入的电压范围是0～3.3V，所以在利用该模块进行模数转换之前，必须对输入信号的直流偏移进行调整，以避免过高或者过低的电压信号对采样模块造成损坏。首先在低通滤波器的输出端V0处增加了隔直电路，来去除前向放大过程引入的不可控的直流偏移。然后在电压信号中又人为的添加了1.5V左右的直流偏移，偏移电压大小可以通过电位器Rc自由调节。最终输出信号Vsample接入A/D转换通道。

在一个实施例中，上述肺通气监测装置中的电极阵列具体可以为可穿戴式柔性电极带，如图8所示，该可穿戴式柔性电极带具体可以包括柔性弹力带、多个导电布，以及与多个导电布一一对应的弹性支撑衬底和电极扣，其中，多个导电布均匀的分布在柔性弹力带上。在本实施例中，弹性支撑衬底设置于导电布的底面上，可用于降低电极带对人体带来的压迫感，电极扣设置于导电布的顶面上，可用于传导电流信号和电压信号。上述可穿戴式柔性电极带在满足测量精度的同时，还可提高电阻抗成像***硬件配置中电极阵列的易用性、均匀性和重复测量稳定性，对比于现有技术中的EIT电极带，其造价更低，性价比较高。

在一个实施例中，考虑到电极阵列与人体的接触阻抗、舒适性和安全性，导电布具体可以为金属纤维导电布，并且，每个金属纤维导电布均可拆卸的安装于柔性弹力带上。具体的，上述可穿戴式柔性电极带可以由银纤维导电布、柔性弹力带、聚氨酯棉弹性支撑衬底以及不锈钢电极扣等四部分构成。以银纤维导电布为16个为例，上述16个银纤维导电布(2×3cm)可以均匀依次分布在电极弹力带上，编号分别为1～16，在使用时，可穿戴式柔性电极带的电极平面位于人体第4-5肋间隙，编号为1号的电极置于测试者右侧腋下中间，4-5号电极分别置于胸骨两边，12-13号电极分别置于脊柱两侧。进一步的，可穿戴式柔性电极带的导电布可以单独更换，以保证电极带可以重复使用，从而降低交叉感染风险。此外，针对不同体型患者的监测需求，还可以选择具有较高延展性的柔性弹力松紧带作为基本支撑，以减少对患者胸部的压迫。考虑到特殊位置(如胸骨和脊柱部位)的接触情况，还可以选择具有弹性的聚氨酯棉可作为导电布的支撑衬底。在本实施例中，电极扣可以与模拟多路复用器对应的16通道的电极线相配套，在使用时，只需将16个电极扣依次扣到相应的电极线上即可使用，非常的简单便捷。

进一步的，作为图1至图3所示方法的具体实现，本实施例提供了一种电压数据的采样装置，如图9所示，该装置包括：信号采集模块31、信号提取模块32和信号集成模块33。

信号采集模块31，可用于通过模数转换模块和电压信号采集器对电极阵列输出的电压信号进行采集，并判断激励电流源输出的电流信号的频率是否高于预设频率；

信号提取模块32，可用于若电流信号的频率高于预设频率，则在电压信号的每个周期中提取出至少一个电压值，其中，每个电压值的相位彼此不同；

信号集成模块33，可用于对提取出的电压值进行信号集成，得到一个完整周期的电压采样信号。

在具体的应用场景中，所述信号提取模块32，还可用于若电流信号的频率不高于预设频率，则在电压信号的一个周期内连续提取出多个电压值。

在具体的应用场景中，如图10所示，本装置还包括信号解调模块34，所述信号解调模块34，可用于对电压采样信号进行数字解调，得到电压采样信号的幅值和相位；判断电压采样信号的幅值是否小于预设幅值，若电压采样信号的幅值小于预设幅值，则控制电压信号采集器的电压放大电路自适应调整电压放大倍数。

在具体的应用场景中，如图10所示，本装置还包括指令响应模块35，所述指令响应模块35，可用于响应于电压信号采集指令，对电极阵列上激励选通的两个电极进行电流激励；信号采集模块31，还可用于对电极阵列上测量选通的两个电极之间的电压信号进行采集。

在具体的应用场景中，所述指令响应模块35，还可用于响应于电极切换指令，按照预设电极切换模式对激励选通和/或测量选通的电极进行电极切换；静置预设时间后，对电极阵列上激励选通的两个电极进行电流激励。

在具体的应用场景中，如图10所示，本装置还包括模式判断模块36，所述模式判断模块36，可用于判断电极阵列上的电极是否按照预设电极切换模式切换完毕；若电极阵列上的电极按照预设电极切换模式切换完毕，则停止激励电流源的电流激励。

在具体的应用场景中，如图10所示，本装置还包括信号上传模块37，所述信号上传模块37，可用于根据电压信号采集器的电压放大电路的电压放大倍数，对电压采样信号的幅值和相位进行还原处理；将还原处理后的电压采样信号的幅值和相位上传至上位机中，以使上位机根据还原处理后的电压采样信号的幅值和相位绘制图像。

需要说明的是，本实施例提供的一种电压数据的采样装置所涉及各功能单元的其它相应描述，可以参考图1至图3中的对应描述，在此不再赘述。

基于上述如图1至图3所示方法，相应的，本实施例还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述如图1至图3所示的电压数据的采样方法。

基于这样的理解，本申请的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该待识别软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施场景所述的方法。

基于上述如图1至图3所示的方法，以及图9和图10所示的电压数据的采样装置实施例，为了实现上述目的，本实施例还提供了一种电压数据的采样的实体设备，具体可以为个人计算机、服务器、智能手机、平板电脑、智能手表、或者其它网络设备等，该实体设备包括存储介质和处理器；存储介质，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序以实现上述如图1至图3所示的方法。

可选的，该实体设备还可以包括用户接口、网络接口、摄像头、射频(RadioFrequency，RF)电路，传感器、音频电路、WI-FI模块等等。用户接口可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)等，可选用户接口还可以包括USB接口、读卡器接口等。网络接口可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)等。

本领域技术人员可以理解，本实施例提供的一种电压数据的采样的实体设备结构并不构成对该实体设备的限定，可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

存储介质中还可以包括操作***、网络通信模块。操作***是管理上述实体设备硬件和待识别软件资源的程序，支持信息处理程序以及其它待识别软件和/或程序的运行。网络通信模块用于实现存储介质内部各组件之间的通信，以及与信息处理实体设备中其它硬件和软件之间通信。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现，也可以通过硬件实现。通过数字信号处理器内部集成的模数转换模块对电极阵列输出的电压信号进行采集，并在电流信号发射频率高于预设频率时，对采集到的电压信号进行提取和集成，从而得到完整周期的电压采样信号。与现有技术相比，上述方法利用数字信号处理器片内的AD模块进行数模转换，减少了电压数据采集装置的生产成本，降低了电压数据采集装置的电路复杂度，同时，上述方法通过在电流信号频率高于预设频率时对电压信号进行提取和集成，提高了电压数据采集装置在高频率发射信号状态下的电压采样精准度。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的。本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本申请序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。以上公开的仅为本申请的几个具体实施场景，但是，本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种电压数据的采样方法，应用于肺通气监测装置，其特征在于，所述方法应用于数字信号处理器中，其中，所述数字信号处理器内部集成有模数转换模块，且所述数字信号处理器分别与激励电流源、电压信号采集器和模拟多路复用器相连，所述激励电流源和所述电压信号采集器还分别通过所述模拟多路复用器与电极阵列相连，其中，所述电压信号采集器包括依次串联的第二电压跟随器、前置高通滤波电路、程控差分放大电路、程控增益放大电路、低通滤波电路和信号调理电路，其中，所述电压信号采集器用于对所述电极阵列上输出的电压信号进行采集，并对所述采集到的电压信号进行滤波、放大和偏移处理；所述方法包括：

响应于电极切换指令，按照预设电极切换模式对激励选通和/或测量选通的两个电极进行电极切换，静置预设时间后，对所述电极阵列上激励选通的两个电极进行电流激励；其中，所述预设电极切换模式的实现方法，包括：将电极从1到n进行编号，采用相邻电流注入模式对编号1电极和编号2电极进行激励，在所有电极对(j-1，j)和(j，j+1)上进行电压测量；然后，将电流注入编号2电极和编号3电极，电压测量模式旋转一个电极；重复上述过程，得到采样的电压信号；其中，j∈4,5,...,n-1；

通过所述模数转换模块和所述电压信号采集器对所述电极阵列输出的电压信号进行采集，并判断所述激励电流源输出的电流信号的频率是否高于预设频率；

若所述电流信号的频率高于所述预设频率，则执行高频采样策略在所述电压信号的每个周期中提取出至少一个电压值；否则，在所述电压信号的一个周期内连续提取出多个电压值；其中，每个所述电压值的相位彼此不同；其中，所述高频采样策略包括在测得信号第1个周期内第一相位处取第1个点，在第2个周期内第二相位处取第2个点，在第3个周期内第三相位处取第3个点，以此类推，在第n个周期内的第n相位处取得第n个点，n为周期数；第一至第n相位彼此不同；

对所述提取出的电压值进行信号集成，得到一个完整周期的电压采样信号；

所述电压信号采集器内部集成有电压放大电路；在得到一个完整周期的电压采样信号之后，所述方法还包括：

对所述电压采样信号进行数字解调，得到所述电压采样信号的幅值和相位；

判断所述电压采样信号的幅值是否小于预设幅值；

若所述电压采样信号的幅值小于所述预设幅值，则控制所述电压信号采集器的电压放大电路自适应调整电压放大倍数；

待所述激励电流源输出的电流信号稳定，并重新进行电压数据的采样，直至完成设定次数的有效测量；其中，在数据传输前进行两组数据采集，第一组为预采集，即对采集到的数据进行阈值判断，若低于设定阈值，则在第二组采集过程中在相应电极位置上设定更大的放大倍数；

所述电极阵列包括16个电极，且电极平面分别位于人体第4-5肋间隙，编号为1号的电极置于测试者右侧腋下中间，4-5号电极分别置于胸骨两边，12-13号电极分别置于脊柱两侧。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

判断所述电极阵列上的电极是否按照所述预设电极切换模式切换完毕；

若所述电极阵列上的电极按照所述预设电极切换模式切换完毕，则停止所述激励电流源的电流激励。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述电压信号采集器的电压放大电路的电压放大倍数，对所述电压采样信号的幅值和相位进行还原处理；

将所述还原处理后的电压采样信号的幅值和相位上传至上位机中，以使所述上位机根据所述还原处理后的电压采样信号的幅值和相位绘制图像。

4.一种肺通气监测装置，其特征在于，所述肺通气监测装置包括数字信号处理器、激励电流源、电压信号采集器、模拟多路复用器和电极阵列，所述数字信号处理器内部集成有模数转换模块，所述数字信号处理器中执行有如权利要求1-3任一项所述的方法，其中，

所述数字信号处理器分别与所述激励电流源、所述电压信号采集器和所述模拟多路复用器相连，所述激励电流源和所述电压信号采集器还分别通过所述模拟多路复用器与所述电极阵列相连；

所述数字信号处理器用于通过所述模拟多路复用器对所述电极阵列上的电极进行选通，并控制所述激励电流源对所述电极阵列上的电极进行电流激励，以及控制所述电压信号采集器对所述电极阵列上输出的电压信号进行采集，和对所述采集到的电压信号进行集成以得到电压采样信号。

5.根据权利要求4所述的肺通气监测装置，其特征在于，所述肺通气监测装置还包括通信模块和上位机，其中，

所述上位机通过所述通信模块与所述数字信号处理器相连，所述通信模块用于将所述电压采样信号上传至所述上位机中，所述上位机用于根据所述电压采样信号绘制肺部图像，并对所述肺部图像进行展示。

6.根据权利要求5所述的肺通气监测装置，其特征在于，所述通信模块为有线通信模块和/或无线通信模块。

7.根据权利要求4所述的肺通气监测装置，其特征在于，所述激励电流源包括依次串联的信号发生器、隔直低通滤波电路、第一电压跟随器、幅值控制电路、压控电流源电路和负载，其中，所述激励电流源用于向所述电极阵列上的电极输出幅值、频率和相位均可调的激励电流信号。

8.根据权利要求4所述的肺通气监测装置，其特征在于，所述电极阵列为可穿戴式柔性电极带，其中，

所述可穿戴式柔性电极带包括柔性弹力带、多个导电布，以及与所述多个导电布一一对应的弹性支撑衬底和电极扣；

所述弹性支撑衬底设置于所述导电布的底面上，所述电极扣设置于所述导电布的顶面上，所述多个导电布均匀分布在所述柔性弹力带上。

9.根据权利要求8所述的肺通气监测装置，其特征在于，所述导电布为金属纤维导电布，每个所述金属纤维导电布均可拆卸的安装于所述柔性弹力带上。

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