[发明专利]基于单端电流源电阻抗断层成像的激励及测量方法

说明书

本发明提供一种基于单端电流源电阻抗断层成像的激励与测量方法。通常，电阻抗断层成像采用推挽式电流源结构，经由两个电极分别注入幅值相同、相位相反的正弦交流电流，并测量其他电极对之间的电压差，以反映激励与测量电极之间跨阻抗。推挽式电流源结构复杂，使用过程须进行严格校准，以避免因电流不平衡导致的共模信号增加及测量不稳定。本发明具有以下优势，采用单端电流源，电路结构简单，长时间使用无需反复校准；给出单端激励模式下的跨阻抗校准公式，可对测量值进行修正，使其最终测量精度与理想推挽激励模式的精度保持一致。

技术领域

本发明涉及生物电阻抗断层成像及工业电阻层析成像的激励与测量方法，特别是一种可消除单端式电流源激励下漏电流导致测量偏差的方法。

背景技术

电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)是当今生物医学工程学重要的研究课题之一，是一种无损伤功能成像技术，可对病人呼吸、血流、胃部活动和神经活动等进行长期、连续监护。根据生物组织复电导率的差异，EIT可由边界阻抗测量值反演出场域内的复电导率分布，以此反映生物组织的生理及病变信息。电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography,ERT)是EIT的工业版本，其测量及成像原理相同；通常以较低频率激励，主要关注阻抗实部的影响，可实现对封闭管道/装置内工业多相流体的可视化检测。

在EIT/ERT测量电路中，通常采用四端子法进行跨阻抗的测量，即将恒定幅值的正弦交流电流信号从其中两端子注入，并测量另两个端子之间的电压差。为实现对不同电极组合跨阻抗的测量，通常采用模拟开关阵列将测量电路的四个端子分别连接至阵列电极中的不同电极。

在EIT/ERT测量中，交流电流源对EIT/ERT系统至关重要。目前，主要有采用双电流源结构的推挽激励模式，以及采用单电流源结构的单端激励模式。

目前，EIT/ERT多采用推挽式交流电流源作为激励信号源，即推挽激励模式。在此模式下，推挽式交流信号源实际由两个独立的电流源组成，二者可输出幅值相同、相位差180度的正弦交流电流。如英国CRADL v2.0系统(Wu Y,Jiang D,Bardill A,et al.A122fps,1MHz Bandwidth Multi-Frequency Wearable EIT Belt Featuring NovelActive Electrode Architecture for Neonatal Thorax Vital Sign Monitoring[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems,2019,13(5):927-937)、韩国KHU Mark2.5系统(Wi H,Sohal H,Mcewan A L,et al.Multi-Frequency ElectricalImpedance Tomography System With Automatic Self-Calibration for Long-TermMonitoring[J].IEEE Transactions on Biomedical CircuitsSystems,2014,8(1):119-128.)即采用推挽式电流源。

在推挽激励模式下，两路信号源输出的电流I_push与I_pull必须平衡，即满足I_push+I_pull＝0。这是推挽激励模式下，EIT获得理想测量数据的必要条件。否则，将导致激励电流的共模分量不为0，而影响后续测量电路中仪表放大器/差分放大器的性能，导致测量信号的信号噪声比下降。因此，必须对推挽式电流源进行严格的校准，以避免推挽式电流源不平衡导致的共模电压增加及测量数据不稳定。EIT系统如需长时间使用，则必须定期对电流源进行校准，以保证测量系统的测量精度。

近年，EIT技术朝着阻抗谱测量的方向发展，以期获得生物阻抗在不同频率下的阻抗信息。这就要求电流源能够稳定工作在不同频率；然而，推挽激励模式下，双电流源实际上难于保证在不同频率下仍可保持平衡输出，这成为多频EIT亟待解决的关键技术问题。