[发明专利]一种生物电阻抗成像硬件系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种医疗设备，特别涉及一种生物电阻抗成像硬件系统。

背景技术

生物电阻抗成像是一种新型的、低廉的、无损的成像技术，其基本原 理为向人体注入安全的电物理量(如电流或电压)，测量体表相应的电学物理 量，对目标体内电阻抗分布进行重建的一种新型成像方法。在生物电阻抗 成像中，成像图像的质量与电极数目密切相关，而电极数目越多所传输的 数据信息量也就越大。现有的生物电阻抗成像系统数据采集和数据传输电 路基本上通过模拟信号发生电路，多路选择集成电路，计数器集成电路， 单片机主控芯片，串口通信电路和滤波电路等组成，其电路较复杂，模拟 电路成分多，从而导致生物电阻抗成像系统功耗大，体积大，并存在抗干 扰能力弱，维护升级成本高和数据采集速度低等问题。针对上述问题，虽 然已有一些研究人员对生物电阻抗成像硬件系统进行了局部该进，如天津 大学王化祥教授研发的基于FPGA的生物电阻抗成像系统的恒流源等，但 上述问题并未得到系统解决。本发明的生物电阻抗成像硬件系统提高了电 路的集成度，并增强其可扩展性和升级性，从而大大减少硬件系统的体积 和功耗，节约成本，并提高了抗干扰性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术中的缺陷，设计一种利 用现场可编程门阵列技术(Field Programmable Gate Array，FPGA)和USB 通讯技术实现体积小，功耗低，电路结构简单，易于维护升级的生物电阻 抗成像硬件系统。

本发明采用的总体技术方案是：

一种生物电阻抗成像硬件系统，包括如下几个部分：

上位机，用于接收采集的电压数据，重建并显示图像；

USB接口芯片，用于接收FPGA控制器的控制信号和数据，完成USB 传输功能；

D/A转换、滤波和压流转换电路，包括D/A转换器件，带通滤波电路 和Howland电路，用于将FPGA控制器输出的数据转换成可用于注入被测 对象的恒定电流；

多路开关，用于接收FPGA控制器输出的控制信号从而确定被测对象 上被选通的电极；

放大、滤波和A/D转换电路，包括放大电路、带通滤波电路和A/D转 换电路，用于将测量出的电压信号进行预处理并对预处理过的信号进行模 数转换，最终将转换后的数据输入FPGA控制器；

FPGA控制器，用于控制上述各部分协调工作。

所述的FPGA控制器控制过程具体包括，通过控制USB接口芯片接收 上位机传来的命令并传递成像数据给上位机，控制多路开关确定选通电极， 接收放大、滤波和A/D转换电路输入的数字电压信号并对电压信号进行数 字相敏解调，控制D/A转换、滤波和压流转换电路输出恒定电流。

所述的FPGA控制器包括恒流源控制模块，多路开关选择控制模块， A/D转换采样控制模块，数字相敏解调模块，USB传输控制模块和总控制 模块，其中，

所述的恒流源控制模块用于输出可转化为注入被测对象的恒定电流的 数据；

所述的多路开关选择控制模块用于控制所述的多路开关以选择不同的 注电路测电压模式；

所述的A/D转换采样控制模块用于控制所述的放大、滤波和A/D转换 电路的A/D转换频率并接收A/D转换电路转换出来的数据；

所述的数字相敏解调模块通过数字相敏解调的方法，把上述转换出来 的数据与FPGA内部正弦和余弦表进行计算，解调出包含实部与虚部的数 字信号；

所述的USB传输控制模块控制USB接口芯片工作在的批量传输模式， 完成USB传输功能；

所述的总控制模块控制各个模块的工作，通过分发控制字决定以上模 块的工作状态，并完成各模块之间数据缓冲和传输的功能。

所述的FPGA控制器各模块均在FPGA中采用硬件描述语言编程实现。

所述的恒流源控制模块是通过FPGA将其内部ROM中的正弦表数据输 出给所述的D/A转换、滤波和压流转换电路。

所述的多路开关选择控制模块的功能通过在FPGA内编写状态机来实 现。

所述的A/D转换采样控制模块产生的采样时钟由FPGA内部编写的定 时器完成，接收A/D转换的数据的功能由FPGA内部编写的双端口ROM 实现。