一种基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统及其成像方法

本发明涉及一种基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统及其成像方法，借助于PXI总线高度集成的硬件和软件工具套件，构建三层共48个电极的三维电阻抗成像系统，通过选通开关，依次选择一对相邻的激励电极，向胸腔内注入安全的交流电流，同步采集其余电极上的电压信号，经滤波、放大、模数转换、解调、传输，最后经图像重建算法在计算机上获得呼吸过程中胸腔内部电阻抗敏感区域的分布图像。本系统较已有电阻抗成像系统具有测量精度高、速度快、可靠性高、对人体无损伤、可实现连续实时床旁监护等优点，可供临床连续监测人体肺部呼吸过程变化。

1.一种基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统，其特征在于：包括激励源模块、
采集卡模块、控制器模块，三个模块均通过PXI总线连接，激励源模块通过传感器电极连接
人体胸腔，采集卡模块包括信号调理电路和采集卡、数字IO板卡，控制器模块连接人机交互
模块。
2.根据权利要求1所述的基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统，其特征在于：
激励源模块包括激励源、激励源调理电路及切换开关，激励源采用NIPXI-5404信号源板卡，
能够产生10K—100MHz的正弦信号，根据控制器的指令产生相应频率、相位和幅值的正弦电
压，通过调理电路的低通滤波电路滤除高频杂散谱线，再通过调理电路的压控电流源电路把
正弦电压转化为正弦电流作为激励源传送到切换开关即多路复用器板卡的公共端，通过传感
器电极注入到人体胸腔，正弦电流小于5mA，激励频率为10KHz—10MHz之间进行扫频；压控
电流源电路采用Howland电流源，低通滤波电路采用的巴特沃斯二阶低通滤波器。
3.根据权利要求2所述的基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统，其特征在于：
所述切换开关采用两块NIPXI-2501多路复用器开关板卡，一块开关板卡公共端与激励源连
接，另一块开关板卡公共端与地连接，该开关板卡具有24个通道，并带有硬件触发器，默认
为相邻激励同步测量，通过依次选择相邻电极设定为激励源位置和接地位置，将激励施加到
传感器电极阵列上，在被测对象内部建立敏感场分布，传感器电极是由48个独立的心电电极
按三层等间距粘贴在人体胸部外围。
4.根据权利要求1或2所述的基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统，其特征在
于：所述激励源模块的传感器电极把采集到的电压信号利用采集卡模块的信号调理模块先进
行初步放大，再经过可编程增益放大器放大到采集卡即示波器采集适配器所要求的电压范围
内，信号调理模块包括预放大和可编程增益放大器，可编程增益放大器由数字IO板卡NI6509
控制。
5.根据权利要求4所述的基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统，其特征在于：
所述示波器采集适配器采用两块NI5752，配合48路相同且独立的差分放大器和可编程增益
放大器电路，以50MS/s的采集频率进行同步数据采集，采集到的模拟电压信号经过模数转
换，把数字信号传送到FlexRIOFPGA模块进行解调，得到测量电压信号的实部和虚部信息。
6.根据权利要求1所述的基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像系统，其特征在于：
所述数字信号传送到FlexRIOFPGA模块进行解调采用正交序列解调方法，其算法如下：
设r(n)为同相参考信号，q(n)为正交参考信号，u(n)为测量信号，R为实部分量，I为
虚部分量，θ为介质引起的相移，N为一个信号周期的采样数，n的取值范围为0≤n≤N-1
r(n)＝cos(2πn/N)
q(n)＝sin(2πn/N)
u(n)＝Acos(2πn/N+θ)
R = Σ n = 0 N - 1 r ( n ) u ( n ) = 1 2 NA cos θ ]]>
I = Σ n = 0 N - 1 q ( n ) u ( n ) = 1 2 NA sin θ . ]]>
7.一种如权利要求1所述的基于PXI总线的呼吸过程三维电阻抗成像方法，其特征
在于：步骤如下：
⑴通过计算机用户界面向控制器写命令设定激励电流的初始激励频率、相位、幅值，或
者直接使用默认值；
⑵信号源板卡根据控制器的指令产生相应频率、相位、幅值的正弦电压，通过滤波电路、
压控电流源电路产生交变的正弦电流作为激励源传送到多路复用器板卡的公共端；
⑶多路复用器板卡根据程序设定依次选择相邻传感器电极，将激励电流注入人体胸腔内
部，形成敏感场；
⑷传感器电极阵列把采集到的电压信号先进行初步放大，再经过可编程增益放大器放大
到示波器采集适配器所要求的电压范围内，示波器采集适配器把采集到的模拟电压信号进行
模数转换，把数字信号传送到FlexRIOFPGA模块进行数字解调得到被测量的实部和虚部信息，
通过PXI总线上传到计算机中；
⑸人机交互界面将利用处理后的数据进行曲线绘制、图像重建、数据分析等并在相应的
选项菜单界面进行实时显示。