CN115201271A - 一种极板距离可调的电场层析成像检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种极板距离可调的电场层析成像检测系统和方法，它包括：圆柱形屏蔽层(1)、板型电极阵列(2)、控制模块(3)、正弦激励电压模块(4)、多路电子开关模块(5)、步进电机传动模块(6)、电压检测模块(7)、傅变相位提取模块(8)和电阻抗断层成像模块(9)。本发明通过步进电机传动模块(6)可以精确移动极板到合适的位置并且利用傅变相位提取模块(8)进行快速傅里叶变换简化电场层析成像系统中的相位偏移计算。本发明解决了电场层析成像检测系统中的极板固定不变的缺点，通过步进电机的较高精确度的特点，可以精确的调整板型电极阵列和目标物体的位置，利于信号的检测。

Description

一种极板距离可调的电场层析成像检测系统和方法

技术领域

本发明属于电阻抗断层成像检测系统领域，特别涉及一种极板距离可调的电场层析成像检测系统和方法。

背景技术

电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography,简称EIT)利用生物组织在不同的生理病理状况时，其电阻抗分布会有较大的差异，通过在生物体表面贴放的电极产生生物允许范围内的电激励，在生物体内激发电场，然后利用贴在生物组织表面的电极测得电信号并且配合相关的成像算法可以重构生物体内电阻抗分布图像。

目前的电阻抗成像系统大都使用接触式电极，接触式电极和物体接触时会产生相应的接触阻抗对测试信号产生干扰，逆问题求解困难，导致成像结果较差。此外由于需要与生物组织接触，对电极的要求较高。为了解决接触式电阻抗成像的问题，国内外专家学者提出了非接触的电阻抗断层成像方法，主要包括磁感应断层成像(Magnetic InductionTomography,MIT)方法、电场层析成像方法等。磁感应断层成像出现于1997年，利用感应感应线圈来映射物体的电磁特性。由于这是一种非侵入性的技术，它有许多潜在的应用。但是由于MIT的二次感应信号相比一次激励信号弱，而根据涡流检测原理，会同时检测到一次感应信号和二次感应信号，且很难将两种信号区分开。

俄罗斯学者提出一种非接触式电阻抗成像方法——电场层析成像，它采用固定圆周排列的电极板进行电场非接触激励，利用锁相放大器获得激励和检测电位的相位偏移反演电阻抗分布信息。在电场层析成像中，检测体与极板距离是影响检测相位信号的重要参数，距离越近，相位偏移越大，越有利于检测电阻抗异常。俄罗斯学者采用的固定极板方式对于异常体较大且距离极板较近的检测结果较好，但对于异常体较小的检测结果不佳，且异常体距离极板较远时检测数据精度较差，在成像重建中会引起较大的干扰。另外俄罗斯学者计算相位的方法采用的是锁相放大原理，由于激励和检测信号幅值相差巨大，锁相检测难度较大，极易发生信号跳变，且其计算步骤较为繁琐。

发明内容

本发明针对现有电场层析成像系统存在的问题，提出一种极板距离可调的电场层析成像检测系统和方法。现有的电场层析成像系统存在极板距离不可调、锁相检测难度大等问题，本发明提出了板型极板阵列可调，快速傅里叶变换计算相位偏移的检测系统和方法，可以解决现有系统的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种极板距离可调的电场层析成像检测系统，包括圆柱形屏蔽层、板型电极阵列、控制模块、正弦激励电压模块、多路电子开关模块、步进电机传动模块、电压检测模块、傅变相位提取模块和电阻抗断层成像模块；

所述的板型电极阵列均匀分布在研究目标物体周围，圆柱形屏蔽层将研究目标物体和板型极板阵列包围，控制模块的输出端分别与正弦激励电压模块的输入端、多路电子开关模块的输入端以及步进电机传动模块的输入端连接，板型极板阵列和多路电子开关模块的输出端及电压检测模块的输入端连接，电压检测模块的输出端和傅变相位提取模块的输入端连接，傅变相位提取模块的输出端和电阻抗断层成像模块的输入端连接，步进电机传动模块的输出端和板型极板阵列上的刚性杆件连接。

进一步地，所述的板型电极阵列由无连接关系的至少八个板型电极组成，板型电极阵列和研究目标物体没有接触，每个板型电极正面中心上都有一个正面中心端子，用来连接多路电子开关模块的输出端和电压检测模块输入端，在控制模块输出命令控制下接通正弦激励电压模块的输出端；每个板型电极背部设置有固定的刚性硬杆，与步进电机传动模块的输出端连接；所述的步进电机传动模块在控制模块的控制下根据检测的研究目标物体的尺寸调整板型电极的位置，从而使得电压检测模块更容易测得板型电极上的电压信号。

进一步地，所述的傅变相位提取模块包括窗函数单元、快速傅里叶变换单元和相位偏移计算单元；电压检测模块输出的同频正弦电压数字信号经过窗函数单元进行同步信号截取，然后通过快速傅里叶变换单元计算得到激励信号与检测信号的相位信息，然后经过相位偏移计算单元求得需要的相位偏移信息。

进一步地，所述的圆柱形屏蔽层由良好导电性能的非铁磁性金属制成。

进一步地，所述的多路电子开关模块通过控制模块的控制信号控制板型电极与正弦激励电压模块的通断。

进一步地，所述的电压检测模进行模拟信号数字化，并对信号进行滤波处理。

进一步地，所述的电阻抗断层成像模块采用联合代数迭代算法，利用相位偏移反演出断层面内的电阻率分布图像。

本发明还提供一种极板距离可调的电场层析成像检测系统的检测方法，包括如下步骤：

首先根据研究目标物体的尺寸，通过控制模块控制步进电机传动模块使板型电极处于距离检测的研究目标物体较近的位置；同时控制模块控制正弦激励电压模块输出激励信号的频率和幅度；多路电子开关模块接收控制模块按照激励检测轮转逻辑产生的控制信号，控制板型电极的正面中心端子和正弦激励电压模块的通断；激励检测轮转逻辑根据板型电极阵列中板型电极的数量制定，轮转次数与板型电极数量一致，每次轮转只允许板型电极阵列的一个板型电极和正弦激励电压模块的接通，此板型电极称为激励极板，其余板型电极称为检测极板；在圆柱形屏蔽层的屏蔽下，激励极板施加的激励信号在其所包围的圆柱体内激发相应的同频正弦电场，此电场穿过研究目标物体，被其余的检测极板检测到；利用电压检测模块采集检测极板上的电场信号，并将其转换为数字信号输送给傅变相位提取模块；傅变相位提取模块对数字化的信号进行窗函数同步截断，快速傅里叶变换，提取工作频率下的相位信息，从而精确计算获得各路信号间的相位偏移输送给电阻抗断层成像模块；电阻抗断层成像模块利用相位偏移反演出板型极板的正面中心端子所在断层平面的电阻抗分布信息，进行图像显示。

本发明与现有技术相比，优点主要体现在以下方面：

1)本发明检测系统通过步进电机传动系统与极板机械连接，由于步进电机较高的控制精度，所以可以精准的进行控制极板的移动，当研究目标物体尺寸发生改变时，可以通过控制模块控制步进电机传动系统改变板型极板的位置。由于相位偏移在理论上和极板与研究目标物体的距离有关，所以控制极板缩小与检测体的距离更有利于增强检测信号，提高电阻抗成像的分辨率。

2)采集到的同频正弦电压信号采用快速傅里叶变换进行相位偏移计算，快速傅里叶变换测量相位差的理论是两路同频信号的相位差等于其离散频谱在最大谱线处的相位差。采用此方法有以下两大优点，首先两路信号传递路径完全相同，偏差也是相同的，所以进行减法运算时可以消除测量系统带来的系统误差。此外由于电场层析成像检测极板处的信号是通过场激励产生的，传输过程中会引入较多的干扰信号，利用快速傅里叶变换测量相位偏差只会用到工作频率下的傅里叶变换，相当于进行了带通滤器，不受干扰信号影响。

电场层析成像检测系统与电容层析成像检测系统外观类似，但是最大的区别在于电容层析成像检测的是由检测电压幅值转化得到的电容值，电场层析成像的有效信号是发射极板和检测极板信号之间的相位偏移而非幅度变化，是完全不同的检测成像方法和系统。

附图说明

图1本发明电场层析成像检测系统原理框图；

图2本发明板型极板阵列示意图；

图3本发明单个板型电极构造图；

图4本发明电场层析成像检测系统傅变相位提取模块原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1-3所示，本发明的极板距离可调的电场层析成像检测系统主要包括圆柱形屏蔽层1、板型电极阵列2、控制模块3、正弦激励电压模块4、多路电子开关模块5、步进电机传动模块6、电压检测模块7、傅变相位提取模块8和电阻抗断层成像模块9。

所述的板型电极阵列2均匀分布在研究目标物体周围，圆柱形屏蔽层1将研究目标物体和板型极板阵列2包围，控制模块3的输出端分别与正弦激励电压模块4的输入端、多路电子开关模块5输入端以及步进电机传动模块6的输入端连接，板型极板阵列2和多路电子开关模块5的输出端及电压检测模块7的输入端连接，电压检测模块7的输出端和傅变相位提取模块8的输入端连接，傅变相位提取模块8的输出端和电阻抗断层成像模块9的输入端连接，步进电机传动模块6的输出端和板型极板阵列2上的刚性杆件连接。本发明通过步进电机可以精确移动极板到合适的位置并且利用快速傅里叶变换简化电场层析成像系统中的相位偏移计算。

所述的圆柱形屏蔽层1由良好导电性能的非铁磁性金属制成，如紫皮铜、银、铝等，其主要作用是用来屏蔽外界干扰信号乱入，并且防止激励电场向外散出，确保信号的信噪比。如图2所示，所述的圆柱形屏蔽层1和板型电极阵列2的三维示意图以及板型电极阵列中心端子所在的断层面S，圆柱形屏蔽层1将板型电极阵列2包围，板型电极阵列2的各个板型电极之间没有连接，并且圆柱形屏蔽层1和板型电极阵列2没有接触。

所述的板型电极阵列2由无连接关系的至少八个板型电极组成，板型电极阵列2和研究目标物体没有接触，每个板型电极正面中心上都有一个正面中心端子10，用来连接多路电子开关模块5的输出端和电压检测模块7的输入端，在控制模块3输出命令控制下接通正弦激励电压模块4输出端；每个板型电极背部设置有固定的刚性硬杆，与步进电机传动模块6的输出端连接。所述的步进电机传动模块6在控制模块3的控制下可以根据检测研究目标物体的尺寸来调整板型电极的位置，从而使得电压检测模块7更容易测得板型电极上的电压信号。如图3所示，所述板型电极阵列2的每个板型电极的构造三视图，其正面中心端子10用来连接多路电子开关模块5的输出端和电压检测模块7的输入端，其背部有刚性硬杆11与步进电机传动模块6的输出端连接。

所述的步进电机传动模块6采用步进电机，接收控制模块3传来的控制信号，从而产生转动，使板型电机阵列2根据检测的研究目标物体的尺寸调整板型电极的位置，也让电压检测模块7更容易测得板型电极上的电压信号.

所述的正弦激励电压模块4用来产生正弦激励信号。

所述的控制模块3通过微处理器配合相应的外围电路来控制步进电机的转动、产生多路电子开关模块5的控制信号和正弦激励电压源的频率和幅值。

所述的多路电子开关模块5通过控制模块3的控制信号控制板型电极与正弦激励电压模块4的通断。

所述的电压检测模块7主要进行模拟信号数字化，并对信号进行滤波处理。

如图4所示，所述傅变相位提取模块8有窗函数单元A、快速傅里叶变换单元B和相位偏移计算单元C组成。数字信号经过首先经过窗函数单元A进行同步信号截取，然后通过快速傅里叶变换单元B可以计算得到激励信号与检测信号的相位信息，然后经过相位偏移计算单元C求的需要的相位偏移信息。

所述的电阻抗断层成像模块9采用联合代数迭代算法，利用相位偏移反演出断层面内的电阻率分布图像。

本发明的所述电场层析成像检测系统的检测方法包括如下步骤：

首先根据研究目标物体的尺寸，通过控制模块3控制步进电机传动模块6使板型极板处于距离检测的研究目标物体较近的位置，同时控制模块3控制正弦激励电压模块4输出激励信号的频率和幅度。多路电子开关模块5接收控制模块3按照激励检测轮转逻辑产生的控制信号，控制板型电极的正面中心端子10和正弦激励电压模块4的通断。激励检测轮转逻辑是根据板型电极阵列2中板型电极的数量制定，轮转次数与板型电极数量一致。每次轮转只允许板型电极阵列2的一个板型电极和正弦激励电压模块4的接通，此板型电极称为激励极板，其余板型电极称为检测极板。在圆柱形屏蔽层1的屏蔽下，激励极板施加的激励信号会在其所包围的圆柱体内激发相应的同频正弦电场，此电场穿过研究目标物体，被其余的检测极板检测到。利用电压检测模块7可以采集检测板型极板上的电场信号，并将其转换为数字信号输送给傅变相位提取模块8。傅变相位提取模块8对数字化的信号进行窗函数同步截断，快速傅里叶变换，提取工作频率下的相位信息，从而精确计算获得各路信号间的相位偏移输送给电阻抗断层成像模块9。电阻抗断层成像模块9利用相位偏移反演出板型极板的正面中心端子10所在断层平面的电阻抗分布信息，进行图像显示。

本发明解决了电场层析成像检测系统中的极板固定不变的缺点，通过步进电机的较高精确度的特点，可以精确的调整板型电极阵列和目标物体的位置，利于信号的检测。同时采用快速傅里叶变换来计算相位偏移，一方面可以消除系统误差，另一方面由于快速傅里叶变换类似带通滤波器的特点，可以进行噪声消除，简化计算步骤。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种极板距离可调的电场层析成像检测系统，其特征在于：包括圆柱形屏蔽层(1)、板型电极阵列(2)、控制模块(3)、正弦激励电压模块(4)、多路电子开关模块(5)、步进电机传动模块(6)、电压检测模块(7)、傅变相位提取模块(8)和电阻抗断层成像模块(9)；

所述的板型电极阵列(2)均匀分布在研究目标物体周围，圆柱形屏蔽层(1)将研究目标物体和板型极板阵列(2)包围，控制模块(3)的输出端分别与正弦激励电压模块(4)的输入端、多路电子开关模块(5)的输入端以及步进电机传动模块(6)的输入端连接，板型极板阵列(2)和多路电子开关模块(5)的输出端及电压检测模块(7)的输入端连接，电压检测模块(7)的输出端和傅变相位提取模块(8)的输入端连接，傅变相位提取模块(8)的输出端和电阻抗断层成像模块(9)的输入端连接，步进电机传动模块(6)的输出端和板型极板阵列(2)上的刚性硬杆连接。

2.如权利要求1所述的极板距离可调的电场层析成像检测系统，其特征在于：所述的板型电极阵列(2)由无连接关系的至少八个板型电极组成，板型电极阵列(2)和研究目标物体没有接触，每个板型电极正面中心上都有一个正面中心端子(10)，用来连接多路电子开关模块(5)的输出端和电压检测模块(7)输入端，在控制模块(3)输出命令控制下接通正弦激励电压模块(4)的输出端；每个板型电极背部设置有固定的刚性硬杆，与步进电机传动模块(6)的输出端连接；所述的步进电机传动模块(6)在控制模块(3)的控制下根据检测的研究目标物体的尺寸调整板型电极的位置，从而使得电压检测模块(7)更容易测得板型电极上的电压信号。

3.如权利要求1所述的极板距离可调的电场层析成像检测系统，其特征在于：所述的傅变相位提取模块(8)包括窗函数单元、快速傅里叶变换单元和相位偏移计算单元；电压检测模块(7)输出的同频正弦电压数字信号经过窗函数单元进行同步信号截取，然后通过快速傅里叶变换单元计算得到激励信号与检测信号的相位信息，然后经过相位偏移计算单元求得需要的相位偏移信息。

4.如权利要求1所述的极板距离可调的电场层析成像检测系统，其特征在于：所述的圆柱形屏蔽层(1)由良好导电性能的非铁磁性金属制成。

5.如权利要求1所述的极板距离可调的电场层析成像检测系统，其特征在于：所述的多路电子开关模块(5)通过控制模块(3)的控制信号控制板型电极与正弦激励电压模块(4)的通断。

6.如权利要求1所述的极板距离可调的电场层析成像检测系统，其特征在于：所述的电压检测模块(7)进行模拟信号数字化，并对信号进行滤波处理。

7.如权利要求1所述的极板距离可调的电场层析成像检测系统，其特征在于：所述的电阻抗断层成像模块(9)采用联合代数迭代算法，利用相位偏移反演出断层面内的电阻率分布图像。

8.一种根据权利要求1-7之一所述的极板距离可调的电场层析成像检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

首先根据研究目标物体的尺寸，通过控制模块(3)控制步进电机传动模块(6)使板型电极处于距离检测的研究目标物体较近的位置；同时控制模块(3)控制正弦激励电压模块(4)输出激励信号的频率和幅度；多路电子开关模块(5)接收控制模块(3)按照激励检测轮转逻辑产生的控制信号，控制板型电极的正面中心端子(10)和正弦激励电压模块(4)的通断；激励检测轮转逻辑根据板型电极阵列(2)中板型电极的数量制定，轮转次数与板型电极数量一致，每次轮转只允许板型电极阵列(2)的一个板型电极和正弦激励电压模块(4)的接通，此板型电极称为激励极板，其余板型电极称为检测极板；在圆柱形屏蔽层(1)的屏蔽下，激励极板施加的激励信号在其所包围的圆柱体内激发相应的同频正弦电场，此电场穿过研究目标物体，被其余的检测极板检测到；利用电压检测模块(7)采集检测极板上的电场信号，并将其转换为数字信号输送给傅变相位提取模块(8)；傅变相位提取模块(8)对数字化的信号进行窗函数同步截断，快速傅里叶变换，提取工作频率下的相位信息，从而精确计算获得各路信号间的相位偏移输送给电阻抗断层成像模块(9)；电阻抗断层成像模块(9)利用相位偏移反演出板型极板的正面中心端子(10)所在断层平面的电阻抗分布信息，进行图像显示。

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