专利名称：一种用于床旁图像监护的电阻抗断层成像方法及其装置的制作方法 现在临床诊断和治疗中有些发病率很高的疾病需要能用于床旁监护的成像技术脑卒中、颅脑损伤亚急性病变、慢性颅内出血，手术后脑部并发症、新生儿颅内出血、腹部脏器延迟性内出血或局部缺血、器官移植等都需要床旁图像监护技术。而现有的成像技术都不能用于床旁图像监护如现有的CT、MRI、PET、超声等不仅需要庞大的设备和高昂的费用，操作复杂，对人体有一定损害，而且都不可能做到床旁动态、实时图像监护。在临床应用领域，床旁图像监护仍是一个空白，致使不少病人在临床诊断和治疗中丧失最佳抢救时机。电阻抗成像就是通过给人体施加安全电激励、体外测量响应信号，来重建人体内部的电阻率或其变化分布的图像。该技术在床旁功能图像监护方面的优势首先对功能变化的敏感性，它提取的是与组织功能变化相关的电特性，对那些影响电特性的因素，如血液的流动与分布，体液变化等非常敏感，形成的图像是功能图像，其次，不使用核素或射线，无毒无害，无损伤，能多次测量，重复使用，第三，设备小型，成本较低。电阻抗成像技术是基于人体的不同组织有不同电阻抗这一物理原理，给人体施加安全的电流(电压)，从体表测量电压(电流)，利用体表测量信号重建出反映人体内阻抗分布的图像。在以人体阻抗分布的绝对值为成像目标的静态成像方面，由于对系统要求苛刻，目前仅处于实验室研究阶段；在以人体阻抗分布的相对变化量为成像目标的动态成像方面，如今所报道的成像系统出自英国、美国、芬兰、法国以及土耳其等国的几十个研究组。他们在阻抗成像的临床应用研究方面进行多方面的探索，在消化系统、呼吸系统、脑、心脏、乳腺等功能成像有这对性地做了大量工作，但是由于阻抗图像的分辨率还不够高，不能达到目前CT、MRI的分辨率的水平，不能像CT、MRI一样用做临床病变得精确检测，至今没有取得突破。国内目前的阻抗成像技术研究是以申请人为主进行的，此外还有天津大学、重庆大学、河北工业大学等，目前还都在基础研究阶段。
本发明的目的在于，充分发挥申请人在阻抗成像在功能图像监护研究方面的优势，把阻抗成像技术的临床应用定位于其他成像技术难以实现的、临床又很需要的功能图像监护。根据多年的研究结果，为临床提供一种用于床旁图像监护的电阻抗断层成像方法及其装置，并提出了用于床旁监护的阻抗成像的数据采集系统和图像重构算法以及相应的软件设计。
实现上述发明目的的技术解决方案是用于床旁图像监护的电阻抗断层成像方法，由整体的计算机控制数据采集系统和重构图像的算法，提供界面，控制图像监护的过程；其特点是，至少包括以下步骤1)采用多对电极，将激励电流加到人体，并将人体的信号传到数据采集系统；2)由数据采集系统提供交流恒流激励、高精度信号检测、驱动测量模式程控设置功能；3)根据采集到的电压信号，由计算机内设置的重构图像的算法计算体内电阻率变化的分布，并显示图像。
上述交流恒流激励、高精度信号检测、驱动测量模式程控设置功能分别为交流恒流激励功能
采用模拟振荡、锁相环及直接数字合成技术，包括产生频率在50KHz左右的正弦信号并实现恒流输出，和产生与激励信号同步的解调控制信号及A/D转换的启动控制信号；高精度信号检测功能包括高精度信号放大、动态范围调整、高精度解调及数据采集；驱动及测量模式程控设置功能包括①按需要的驱动模式将激励信号加载到多对驱动电极中的一对电极上；②按需要的测量模式将多对个测量电极中的一对电极上的信号加载到信号放大电路的输入端。
所述重构图像的算法是采用动态的等位线反投影法，该等位线反投影法基于对所成像目标所作的如下假设①被成像目标阻抗分布为二维；②区域边界为圆；③电极在边界上为等间隔分布；④目标区域内电阻抗分布的扰动与阻抗分布的绝对值相比很小，从而使边界电压的扰动与阻抗分布扰动成近似线性关系；等电位线阻抗成像实际上是对目标区域阻抗分布扰动的成像若在阻抗分布为σ(x，y)的目标区域周围加载一组驱动电流，得到一组响应电压为V0，阻抗分布发生一个较小变化(扰动)后，σ(x，y)→σ(x，y)+Δσ(x，y)，测得响应电压为V1，将两组电压差规则化后进行反投影，即可得到阻抗分布的扰动。
一种实现上述用于床旁图像监护的电阻抗断层成像方法的装置，包括一计算机，计算机和一数据采集系统连接，其特征在于，计算机内设置有控制数据采集系统的程序和重构图像的算法，数据采集系统还设置有多对将激励电流加到人体采集人体的信号的电极系统(目前采用心电或脑电电极)；上述数据采集系统包括一激励源模块，用于产生频率在50KHz左右的正弦信号并实现恒流输出，和产生与激励信号同步的解调控制信号及A/D转换的启动控制信号；一信号检测模块，用于信号放大、动态范围调整、高精度解调及数据采集；一D/A转换模块，用于D/A的选择及波形发生电路的实现；一激励模式设置模块，用于按需要的驱动模式将激励信号加载到多对驱动电极中的一对电极上；一测量模式设置模块，用于按需要的测量模式将多对个测量电极中的一对电极上的信号加载到信号放大电路的输入端。
上述所说的电极为32个。


图1是本发明的电阻抗断层成像装置的总体框图，其中a)是框图，b)是装置示意图；图2是32电极数据采集系统框图；图3是激励源框图；图4是三运放结构的压控电流源电路图；图5是同相并联差动放大器电路图；图6-1是32电极驱动时的邻近测量信号大小示意图；图6-2是16级增益大小示意图；图6-3是经PGA后输出信号大小示意图，(Max/Min＝2.40)单位mV；图6-4是16级增益时输出对输入的延迟时间(μs)示意图，信号频率47KHz；图7是具有相位校正及动态范围调整的信号检测模块框图；图8是具有相位补偿和直流PGA的信号检测模块电路图；图9是32电极硬件系统中信号波形及时序示意图；图10是MAX306多路开关结构示意图；图11是测量模式设置原理图；
图12是实时成像系统电极分布示意图；图13是反投影区示意图，其中D1为等效电偶极子，阴影部分为反投影区，P为投影区内一像素；图14是反投影权值的求取图示；图15是反投影过程示意图；图16是成像系统工作流程图；图17是软件系统基本功能图；图18是软件的初始化流程图；图19是软件的参考数据帧采集流程图；图20是软件的成像数据帧采集流程图。

以下结合附图和发明人依本技术方案完成的实施例对本发明作进一步的详细描述。
1、总体结构本发明的总体结构如图1所示，图中a)是框图，b)是装置示意图。
整体的计算机控制控制数据采集系统和重构图像的算法，给使用者提供界面，使工作人员能够控制图像监护的过程。
电极采用心电电极或脑电电极，将激励电流加到人体，并将人体的信号传到数据采集系统。
数据采集系统提供交流恒流激励、高精度信号检测、驱动测量模式程控设置等功能。
图像重构的算法根据采集到的电压信号，计算体内电阻率变化的分布，并显示图像。
2、数据采集系统结构2.1数据采集系统及整体的计算机控制2.1.1激励源模块(图2中1)
一个完整的采用DDS技术的激励源模块结构框图如图3所示。
1)本模块完成的功能a)产生频率在50KHz左右的正弦信号；b)实现恒流输出；c)产生与激励信号同步的解调控制信号及A/D转换的启动控制信号；2)电路结构选取a)正弦波形发生电路产生频率已知的正弦信号，在电路上可以采用模拟振荡、锁相环及直接数字合成(DDS)等技术。首选DDS技术。为减小DDS电路输出波形的谐波分量，EPROM中每周期波形点数设计为128点，理论计算表明每周期128点正弦数据经D/A转换得到的阶梯正弦波形中，2次谐波分量为0.52％，3次谐波分量为0.29％。为进一步减小输出信号谐波分量，在D/A输出之后设计一级带通滤波器，将其输出作为恒流电路的输入信号。
b)恒流电路其输入信号是交流电压信号，输出信号是交流恒流信号，因此选用三运放结构的压控电流源电路(VCCS)，如图4所示。
c)控制信号产生电路选用高速译码电路，对DDS中正弦信号的特定时序进行译码，以产生与激励信号精确同步的解调控制信号和A/D转换启动信号。
3)主要器件的选择及功能电路实现a)D/A的选择及波形发生电路的实现选用12位D/A。按设计要求，激励频率在50KHz附近，因每周期中有128点数据要经D/A转换，所以其转换速率应大于50KHz×128＝6.4MHz，即D/A的转换时间应小于160ns。考虑到将来激励频率可能会更高，选择了AD模拟器件公司的高精度12位AD9713为DDS中的D/A，其转换时间小于30ns，满足目前激励频率的需要。
在电路实现中，选用12MHz晶振作为时钟，经2分频后频率为6MHz，由其控制循环读取EPROM中的128点正弦数据，经AD9713D/A转换后，输出信号的实际频率为6000/128≈47KHz，周期为21.33μs。
图9中A、B、C分别为时钟、D/A输出波形、经中心频率47KHz的带通滤波器后的输出波形。
对激励电流大小的控制，采用段址译码的方法读出EPROM中不同段址处预先存放的数据，使D/A输出不同幅值的正弦电压信号，经压控电流源后产生幅值不同的恒流激励信号。
b)电压电流变换电路的实现优选低噪声、高开环增益运算放大器AD829作为恒流输出放大器，并精密匹配外围电阻，使匹配误差小于0.01％；2.1.2信号检测模块的设计与实现(图2中4)1)本模块的主要功能因此为满足高精度测量的需要，本模块主要功能有如下三个a)高精度信号放大；b)动态范围调整；c)高精度解调及数据采集；2)放大电路能满足高精度、高共模抑制比要求的电压放大器主要有两类由三运放组成的同相并联差动放大器(如图5所示)和单片仪表放大器(Instrumentation Amplifier，IA)。
因此，选择仪表放大器作为测量模块的前置放大器，以高精度的为考虑的主要依据，选择低噪声、低失调及低失调漂移的AD624作为前置放大器。
3)动态范围调整电路的设计与实现为了既能调整信号动态范围，又不给信号附加相移，在进一步分析本模块信号特点的基础上，设计了结构框图如图7所示的信号检测模块。
设计原理及实现方法如下a)前置固定增益放大对测量电极上的信号，先进行固定增益高精度放大，放大器选用AD624，其内部固定增益设为100，它对f＝47KHz的被测信号产生1.76μs的延迟。
b)带通滤波及相移补偿为补偿前置放大器固定增益对信号产生的固定延迟，并进一步提高信噪比，在前置放大器后面设置了中心频率为47KHz、Q＝4的二阶无限增益带通滤波器。利用该滤波器的移相特性，补偿前置放大器对输入信号的延迟。
c)同步解调滤波器输出信号经同步解调电路后，其输出为直流信号。
d)直流程控增益放大对解调电路输出的直流信号，采用直流程控增益放大器调整信号的动态范围。对程控增益放大器的要求是单端输入、低噪、低输出漂移、低线性误差及较高的直流精度。选用AD526 PGA，由程序依信号大小输出不同的控制字，设置其增益为1、2、4、8或16，从而能将输入信号的动态范围从40dB降低到16dB。
这种电路结构形式，既降低了信号动态范围，又消除了放大器对信号相移的影响。实验证明这是阻抗成像硬件系统中性能全面、精度较高的信号放大及处理模块。其电路原理图如图8所示。
4)解调电路及数据采集的实现a)解调电路的实现表1 相移及解调脉宽不同时，采样时刻与保持时刻的信号变化(mV)s(2Vp-p周期为21.3μs的正弦信号) 从图9E，F及表1都可看出，解调输出中的瞬变峰值与解调脉宽及信号的相移都有关系，相移在
区间上时，瞬变峰值随相移增大而增大；相移一定时，瞬变峰值随解调脉宽增大而增大。因此，除了采用上面的相移补偿电路外，还应当选择窄脉宽解调电路。选择了AD模拟器件公司的高精度、高速度采样保持器AD783。它的特性如下精度达到满量程0.01％时捕捉时间为250ns，0.02μV/μS的低泄放率，孔径抖动时间50ps，非线性误差为满量程的±0.005％，内部设置保持电容。另外它还采用自校准专利工艺，以精确保持采保控制脉冲下降沿时刻的输入信号值，并减小温度对保持值的影响。解调控制脉冲由激励源DDS电路中对输出信号的峰值时刻同步译码、整形、脉宽微调及光耦隔离后得到，目前脉宽取600ns，解调输出信号中的保持时刻到采样时刻的瞬变峰值小于50mV。
b)数据采集方法解调出的直流信号经直流程控增益放大器调整动态范围后，由12位信号采集卡进行A/D转换。为防止A/D偶然将信号中的瞬变尖峰采集到，采用DMA外触发方式，对信号进行精确定时同步采样。图9G为启动A/D采样的控制脉冲，它与解调控制脉冲间固定延迟为5μs，使A/D转换始终在解调电路的保持稳定期内进行，有效避免了解调输出中采样、保持时刻的瞬变尖峰对转换结果的影响，提高了测量精度。
2.1.3激励及测量模式设置模块参见图2中2(1)、2(2)。模块主要实现如下两个功能1)按需要的驱动模式将激励信号加载到32个驱动电极中的一对电极上，见图2中2(1)；2)按需要的测量模式将32个测量电极中的一对电极上的信号加载到信号放大电路的输入端，见图2中2(2)。
无论是激励还是测量模式，该模块加载的信号均为交流低电流(小于10mA)信号，因此考虑采用多路高速电子开关器件。选择了MAXIM公司的MAX306 16选1 CMOS多路开关，其结构如图10所示。它作为DG406、DG407、DG506A和DG507A等16选1多路开关的升级产品，其导通电阻小于100Ω，通道间匹配误差小于5Ω，通道串扰小于-92dB，COM端泄漏电流小于20nA，开关时间小于400nS。其性能满足的设计要求。
图11为设计的32选2任意测量模式设置模块原理图，利用MAX306的EN控制端，将两片MAX306级联，组成一个32选1的多路开关，如图11中的SW1(1-16)和SW1(17-32)所示。两组32选1的开关并联便实现了32选2任意模式设置功能。驱动模式设置模块的原理图与图11相似，它们间的区别是信号流程相反。
3、实时成像系统数据采集接口要求及实现3.1概述申请人提出了一种通过编写Windows95虚拟设备驱动程序(VirtualDevice Driver，VxD)完成对硬件操作的方法，从而解决了实时成像系统实时数据采集的问题。
3.1.1基于32位Windows平台的实时数据采集接口(图2中5)在成像系统的ADC采用12位AC1220数据采集卡，采样频率200kHz。为满足实时成像数据采集速度的要求，AD可以工作在中断方式或DMA方式，但出于对系统并行化及可扩展性考虑，采用DMA方式进行数据采集。
尽管DMA控制器是PC的标准设备之一，32位的Windows也为其提供了虚拟设备驱动程序，但由于目前市场上绝大多数AD板都不是32位Windows的PnP(即插即用)器件，因而操作系统提供的DMA虚拟设备驱动程序并不能针对现有的AD板使用，而必须编写自己的ADDMA虚拟设备驱动程序。
为AC1220编写32位Windows虚拟设备驱动程序另一个技术障碍是DMA的内存映射(Mapping)，也就是说为了完成直接内存存取，需要在主内存中保留一段物理地址上连续的内存区，并将其地址写入AD板上的地址寄存器，以便将采样结果顺序存入这段主内存中，进而完成后续处理。由于应用程序能访问的地址为线性地址，而硬件设备能识别的只能是物理地址，因而必须在申请内存之后分别将物理地址和线性地址传递给AD板和应用程序。这里采用DDK提供的_PageAllocate功能调用(汇编或C格式)申请主内存中一段物理地址连续的内存区，并用_MapPhysToLinear调用(汇编格式)将物理地址转换为线性地址，保存在回调函数的数据结构中。由于AC1220地址寄存器只支持24位寻址——即最大物理地址为16M，因而在申请DMA映射区时必须将其限制在16M以下。
3.1.2 ADDMA.VxD描述虚拟设备驱动程序ADDMA.VxD提供了4个功能调用①DMA数据采样；②AD状态查询；③DMA状态查询；④DMA缓冲区释放。功能①主要完成申请DMA缓冲区、DMA控制器设置、AD端口设置等功能。DMA缓冲区为一连续内存块，在得到这一缓冲区的同时必须为VxD返回缓冲区的物理地址，为应用程序返回其线性地址，其中物理地址用于写DMA控制器地址寄存器，线性地址用于读取所采集数据。功能②及③主要控制DMA及AD的结束；功能④释放DMA缓冲区。
虚拟设备驱动程序可以通过静态加载，也可以通过Win95 SDK提供的CreateFile()函数动态加载。在实时成像数据采集系统中采用动态加载，VxD的各个功能调用通过DeviceIoControl()函数实现，有关CreateFile()和DeviceIoControl()两函数的调用详细介绍请参阅Microsoft提供的Win32SDK有关API文档。
采样参数通过如下结构由应用程序传递给虚拟设备驱动程序typedef struct DmaParameters{USHORT uAdTime；//采样间隔USHORT uAdLength；//采样长度DWORD lpDmaAdr；//DMA缓冲区物理地址USHORT uAdChEnd；//AD结束通道号USHORT uDmaCh；//DMA通道号USHORT uTriger；//采样启动触发标志}AdDmaIoP；具体调用过程的实现通过DeviceIoControl()函数完成。
源程序由 Masm6.11、Visual C++(5.0)、Win95 DDK共同编译、链接生成VxD。
4、实时成像系统阻抗重构成像算法由于从边界电压、电流关系计算目标电阻抗分布是一个典型的偏微分方程逆问题，采用解析法求解这一问题非常困难，在实际应用中阻抗重构主要采用迭代和近似线性化方法，由于静态的迭代算法(如N-R重构算法)占用时间较长，目前不适合用于实时成像系统，因而的实时成像系统中，采用了动态的等位线反投影法。
等位线反投影法基于对所成像目标所作的如下假设①被成像目标阻抗分布为二维；②区域边界为圆；③电极在边界上为等间隔分布；④目标区域内电阻抗分布的扰动与阻抗分布的绝对值相比很小，从而使边界电压的扰动与阻抗分布扰动成近似线性关系；等电位线阻抗成像实际上是对目标区域阻抗分布扰动的成像若在阻抗分布为σ(x，y)的目标区域周围加载一组驱动电流，得到一组响应电压为v0，阻抗分布发生一个较小变化(扰动)后，σ(x，y)→σ(x，y)+Δσ(x，y)，测得响应电压为V1，将两组电压差规则化后进行反投影，即可得到阻抗分布的扰动。
4.1反投影等电位线法是一种近似线性化的阻抗重构方法，其主要思想来源于早期的X线CT成像技术。每一对驱动电极加载驱动电流后在目标区域形成一个特定的电场分布，将两驱动电极形成的这样一个电场等效为一个电偶极子产生的电场，电偶极子位于两电极中心，这样由电偶极子到各测量电极存在一系列等电位线，相邻等电位线之间的区域即为反投影区，将阻抗扰动前后测得的电压差迭加到这个区域即可，将所有投影的电压差反投影回对应投影区后，便得到了区域电阻抗分布的扰动(变化)。图13描述了反投影过程。
反投影区的计算是一个电场计算的正向问题，采用有限元法(FiniteElement Method，FEM)计算电位分布，得到反投影区。
4.2加权电阻抗成像中由于测量和驱动都是在目标区域边界进行，因而造成了得到的信息对边界区域电阻抗变化敏感，而对中心区域的变化不敏感，这种差别会带来成像中的误差。为此在反投影时位于中心区域和边缘区域的像素点应该有大小不同的权重。采用如下方法求取反投影的权值。
如图14所示P为一像素，与圆心距离为d，与等效驱动电偶极子距离为r，则P点的权值为
w=1-d2r2]]>在实际成像中，先计算好各反投影区内各像素或FEM单元的权值，在反投影时先将测得的电压扰动与该像素或单元的权值相乘再反投影回该像素或单元。
4.3算法的程序实现设计实现了成像系统软件，该软件基于32位的Windows(Windows95/Windows 98/Windows NT)平台，编程采用Visual C++，代码具有较好的可移植性和可扩展性。该系统使用方便灵活，从而为EIT系统实验研究提供了一个很好的软件环境。
5.工作过程5.1成像系统工作流程参见图16，开机后，计算机开始运行图像监护软件系统，此时安放电极系统，待系统初始化、定标后，就可以调用图像监护用户界面，还可以选择连续成像或单帧成像，进行文档操作或管理；无论是选择单帧成像还是选择连续成像，计算机程序自动进行测量参考数据帧、测量成像数据帧、图像重构、图像显示、处理，直至成像完成。
5.2软件系统基本功能参见图17，页面显示的软件系统基本功能包括程序流程、系统初始化、硬件系统检测、软件环境检测、用户界面、选择成像模式、输入相关信息、采集参考数据帧、采集成像数据帧、重构图像、图像后处理、图像显示、打印、存储、监护状态提示、报告等。
5.3硬件系统工作流程5.3.1初始化参见图18，初始化的主要目的是进行电流设置、频率设置、增益设置、DAQ设置、系统定标及其电极状态检测，完成上述各项后，即可开始测量。
5.3.2参考数据帧采集参见图19，参考数据帧采集时，首先进行数据测量，进行驱动电极设置，经延时后进行测量电极设置，再延时，随后进行数据采集和数据处理，若当前激励下的测量结束，则返回，若继续测量，返回至测量电极设置；回到驱动电极设置。
5.3.3成像数据帧采集参见图20，成像数据帧采集流程与参考数据帧采集类似。


本发明公开了一种用于床旁图像监护的电阻抗断层成像方法及其装置，由整体的计算机控制数据采集系统和重构图像的算法，提供界面，控制图像监护的过程；装置包括一计算机，计算机和一数据采集系统连接，计算机内设置有控制数据采集系统的程序和重构图像的算法，数据采集系统还设置将激励电流加到人体采集人体的信号的电极的控制模块；本发明的突出的特点是，1)采用多对电极放在人体需要监护的部位的外周，将激励电流加到人体，并将人体的信号传到数据采集系统；2)由数据采集系统提供交流恒流激励、高精度信号检测、驱动测量模式程控设置功能；3)根据采集到的电压信号，由计算机内设置的重构图像的算法计算体内电阻率变化的分布，并显示图像。