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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610069365.9 (22)申请日 2016.02.01 A61B 5/053(2006.01) A61B 5/085(2006.01) (71)申请人 北京理工大学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街 5 号 (72)发明人 李晓琼 周永康 韩杰 (74)专利代理机构 北京理工大学专利中心 11120 代理人 高燕燕 (54) 发明名称 基于 ZYNQ 的可运动穿戴的便携式人体电阻 抗实时成像装置 (57) 摘要 本发明是基于 ZYNQ 的可运动穿戴的便携式 人体电阻抗成像装置， 采用电流激励电压测量， 动 态电阻抗。
2、成像模式。包括可穿戴电极阵列、 激励 源、 采集电路、 多路选择器、 ZYNQ 处理器、 显示屏、 充电电池。将纽扣电极均匀固定在松紧带上确 保电极间距相等， 固定牢靠 ； 电流激励源由处理 器 DDS IP 核， DAC 和 V/I 电路组成， 实现恒流源 频率可控 ； 采集电路包括信号放大， 单端转差分， 滤波和 ADC 确保高信噪比 ； 多路选择器实现工作 电极的选择 ； 处理器采用 ZYNQ， ZYNQ 的可编程逻 辑器件实现信号激励， 测量采用 DPSD 方式抵抗包 括运动肌肉电噪声在内各类异频噪声， 依靠片上 linux 或安卓操作系统实现图像重建和显示。本 发明具有可运动穿戴， 。
3、小型化， 无损伤， 实时成像， 结果利用方便的特点。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 CN 105559781 A 2016.05.11 CN 105559781 A 1.一种基于ZYNQ的可运动穿戴的便携式人体电阻抗实时成像装置， 其特征在于， 包括： 可运动穿戴的电极阵列、 激励源、 采集电路、 多路选择器、 ZYNQ处理器、 显示屏、 充电电池； 其 中： 可运动穿戴的电极阵列， 包括松紧带、 纽扣式导联线和纽扣式生理电极， 纽扣式导联线 均匀地固定在松紧带上， 使用时纽扣式导联线与纽扣式贴片生理电。
4、极扣紧， 松紧带固定在 人体上， 达到贴片电极与人体接触良好； 激励源， 由ZYNQ处理器的DDS IP核， DAC电路和V/I电路组成； 同时V/I电路确保流过人 体的电流为安全电流； 采集电路， 包括信号放大电路， 单端转差分电路， 滤波电路和ADC采集电路， 首先对信号 先放大， 再经过滤波电路和单端转差分电路进一步提高信噪比， 最后将信号送到ADC采集电 路进行采集； 多路选择器， 采用多路选择实时切换激励电极和采样电极以降低电路成本； ZYNQ处理器， 采用ZYNQ可编程逻辑器件实现对电流激励源， 信号采集和多路选择的并 行控制， 同时采用数字相敏检波方法(DPSD)提取信号的幅值和。
5、相位并通过AXI总线发送到 ZYNQ的ARM处理器， 在基于ARM处理器的片上操作系统上实现图像重建算法并实时显示在显 示屏上； 采用充电电池供电， 采用小型液晶屏作为显示器。 2.如权利要求1所述的一种基于ZYNQ的可运动穿戴的便携式人体电阻抗实时成像装 置， 其特征在于， 进一步地， 松紧带保证电极之间间距相等和固定牢固。 3.如权利要求2所述的一种基于ZYNQ的可运动穿戴的便携式人体电阻抗实时成像装 置， 其特征在于， 进一步地， 松紧带自然状态下， 电极之间的间距为4cm,松紧带绷紧时， 两个 电极之间的间距最大可达8cm； 采用16个电极时， 松紧带能够固定在64cm128cm的人体。
6、， 实 现对不同胸围的人的快速稳定固定和测量。 4.如权利要求1或2或3所述的一种基于ZYNQ的可运动穿戴的便携式人体电阻抗实时成 像装置， 其特征在于激励与测量系统具有扫频能力， 可软件编程扫频测量， 扫频上限大于 100KHZ。 5.如权利要求1所述的一种基于ZYNQ的可运动穿戴的便携式人体电阻抗实时成像装 置， 其特征在于， 进一步地， ZYNQ处理器的可编程逻辑器件并行实现信号采集和DPSD算法， 抵抗包括人体运动时的肌肉电和测量噪声， 实时有效提取激励电流诱发的微小电压信号幅 值和相位。 权 利 要 求 书 1/1 页 2 CN 105559781 A 2 基于ZYNQ的可运动穿戴的。
7、便携式人体电阻抗实时成像装置 技术领域 0001 本发明涉及一种基于ZYNQ的可运动穿戴的便携式人体电阻抗实时成像装置， 既可 作为便携式设备在人体运动等情况下测量肺部呼吸情况， 也可作为枕边的呼吸监护仪， 属 于医疗影像技术领域。 背景技术 0002 一种便携式的能实时监护人体的医疗影像设备， 不仅要求影像设备具有足够高的 成像频率， 还要求长时间监护人体之后对人体没有损伤， 同时还要求设备测量方便， 体积 小， 不用额外的监护人。 从对病人健康的角度而言， 目前大部分的医疗影像设备为有损成 像， 不适合作为长期监护； 从技术角度而言， 目前的成像的医疗设备体积庞大， 不能作为便 携式设备，。
8、 同时成像速度慢， 不能满足实时成像的要求。 0003 电阻抗断层成像(EIT)是20世纪七十年代末提出的继形态、 结构成像之后的一种 新型医疗影像技术， 它利用人体组织阻抗差异而恢复出人体内部结构， 旨在开发一种体积 小、 成本低、 对人体无害的医疗影像设备。 0004 传统的电阻抗成像装置一般有两种构架， 一种是便携式的采集装置， 另外一种是 体积较大的成像装置。 第一种便携式的采集装置一般只完成信号采集的功能， 然后将采集 到的数据以有线或者无线的方式发送到智能设备或者计算机便于后期处理和分析， 这种方 式的优点是采集装置便携， 但是不能独立完成成像过程； 第二种一般采用多个处理器， 如。
9、 “FPGA+DSP” 、“FPGA+ARM” 等构架， FPGA实现高速信号采集， 另外一个处理器实现算法重建和 图像显示的功能， 这种方式的优点是能独立完成电阻抗成像， 不需要外部的智能设备， 缺点 是设计复杂。 0005 综合目前的电阻抗成像的两种主要构架和肺部电阻抗成像的特点， 实现穿戴式肺 部电阻抗实时成像装置还存在几个困难。 第一， 用小体积的， 架构简单的处理系统实现电阻 抗成像的采集、 图像重建和实时显示的全部功能是最大困难； 第二， 由于人的呼吸频率较 快， 如果要动态监控人呼吸的过程， 对电阻抗成像速度有更高的要求； 第三， 人在呼吸的时 候， 人体的胸腔结构会发生变化， 。
10、不同的人也有不同大小的胸围， 电阻抗成像的电极间距是 否相等会对成像效果有较大的影响； 所以设计一种能等间距的、 牢固的固定在不同胸围的 人身上的电极是非常重要的。 发明内容 0006 本发明的目的是提供一种基于ZYNQ的可运动穿戴的便携式人体电阻抗实时成像 装置， 能够解决上述技术问题。 0007 解决上述技术问题的技术方案如下： 0008 一种基于ZYNQ的可运动穿戴的便携式人体电阻抗实时成像装置， 包括： 可穿戴的 电极阵列、 激励源、 采集电路、 多路选择器、 ZYNQ处理器、 显示屏、 充电电池； 其中： 0009 可穿戴的电极阵列， 包括松紧带、 纽扣式导联线和纽扣式生理电极， 纽。
11、扣式导联线 说 明 书 1/4 页 3 CN 105559781 A 3 均匀地固定在松紧带上， 使用时纽扣头导联线与纽扣式贴片生理电极扣紧， 松紧带固定在 人体上， 达到贴片电极与人体接触良好； 0010 激励源， 由ZYNQ处理器的DDS IP核， DAC电路和V/I电路组成； ZYNQ处理器的DDS IP 核能够进行软件修改， 使得激励频率可调； 同时V/I电路确保流过人体的电流为安全电流； 0011 采集电路， 对信号先放大， 再经过隔直电路和单端转差分电路进一步提高信噪比， 最后信号送到ADC芯片进行采集； 0012 多路选择器， 采用多路选择实时切换激励电极和采样电极以降低电路成本。
12、； 0013 ZYNQ处理器， 采用ZYNQ可编程逻辑器件实现对电流激励源， 信号采集和多路选择 的并行控制， 同时采用数字相敏检波方法提取信号的幅值和相位并通过AXI总线发送到 ZYNQ的ARM处理器,由基于ARM处理器的片上操作系统实现图像重建算法并实时显示在显示 屏上； 0014 采用充电电池供电， 采用小型液晶屏作为显示器。 0015 进一步地， 松紧带保证电极之间间距相等和固定牢固。 0016 进一步地， 松紧带自然状态下， 电极之间的间距为4cm,松紧带绷紧时， 两个电极之 间的间距最大可达8cm； 采用16个电极时， 松紧带能够固定在64cm128cm的人体， 实现对不 同胸围的。
13、人的快速稳定固定和测量。 0017 本发明的工作原理： 空气是不导电的， 所以人在呼吸的时候， 随着肺部空气量的变 化肺部的阻抗值会随着发生变化， 所以可以利用电阻抗成像的方法反应人呼吸时肺部的空 气变化量， 进一步反应人体肺部的健康状态。 本发明的可穿戴式电极阵列固定在人体身上， 成像装置开始工作后， 系统的激励源给人体注入微小的电流， 并在其它电极上测量到的诱 发电压值来推导出人体内部的阻抗分布图。 而作为肺部的呼吸监控装置， 装置在人呼气到 底时采集一幅图像作为背景图像， 之后采集到的图像减去背景图像就是人体呼吸时肺部空 气量的变化。 0018 本发明的有益效果： 0019 (1)本发明。
14、是基于ZYNQ的可运动穿戴式胸腔电阻抗实时成像装置， 可以实现对人 体呼吸时肺部的实时监控； 0020 (2)本发明设计了可穿戴式的电极阵列， 利用松紧带上固定扣式电极的方法， 不仅 可以保证电极之间的距离相等， 还可以实现在不同胸围身上的稳定固定； 0021 (3)发明以ZYNQ作为处理器， 简化了系统构架， 实现了高速信号并行控制， 图像重 建和显示的功能； 0022 (4)由于以ZYNQ为处理器可以以简单的构架实现了电阻抗成像的信号控制、 图像 重建和显示， 利用充电电池供电， 用小型液晶片作为显示， 真正做到了独立的可穿戴的便携 式电阻抗成像装置。 附图说明 0023 图1为本发明一种。
15、基于ZYNQ的可运动穿戴的便携式人体电阻抗实时成像装置的肺 部监护简易图； 0024 图2为本发明的可穿戴式电极阵列设计图； 0025 图3为本发明的的电子系统框图。 说 明 书 2/4 页 4 CN 105559781 A 4 具体实施方式 0026 下面结合附图说明本发明的具体安装与工作方式。 0027 本发明提供的一种基于ZYNQ的可运动穿戴的便携式人体电阻抗实时成像装置的 肺部监护简易图如图1所示， 其中成像装置(1)通过线缆与可穿戴电极阵列(3)连接， 可穿戴 电极阵列(3)固定在待测人体(2)上。 0028 本发明提供的一种基于ZYNQ的可运动穿戴的便携式人体电阻抗实时成像装置的 。
16、可穿戴电极阵列的电极阵列(3)的具体设计如图2所示， 它包括16(或32)个扣式电极(5)， 松 紧带(6)和扣紧电极带的固定扣(4)； 其中当松紧带自然状态时， 电极之间的间距为4cm,松 紧带绷紧时， 两个电极之间的间距最大可达8cm； 所以设计的可穿戴电极阵列可测量的人体 胸围范围为64cm128cm的人体。 0029 本发明提供的一种基于ZYNQ的可运动穿戴的便携式人体电阻抗实时成像装置的 的电子系统框图如图3所示， 包括可穿戴的成像目标、 激励源、 采集电路、 多路选择器、 ZYNQ 处理器、 显示屏。 其中， 成像目标为人体， 激励源实现产生稳定的微小的正弦电流， 采集电路 实现对。
17、信号进行放大滤波后进行采样， 多路选择器实现激励电极和采样电极的选择， ZYNQ 实现对采样信号的幅值提取， 图像重建和显示。 0030 本发明一种基于ZYNQ的可运动穿戴的便携式人体电阻抗实时成像装置的采集一 组完整数据的流程包括如下四个步骤。 0031 步骤一： 产生激励源。 从1， 2号电极开始， 选定两个相邻的电极作为激励电极， 在 ZYNQ的控制下， ZYNQ的DDS IP核产生设定频率的正弦数字电压激励信号， 经过低通滤波器 产生平滑的正弦电压信号， 正弦电压信号经过V/I电路产生稳定的正弦电流信号并通过选 定的激励电极注入到成像目标。 0032 步骤二： 采集一个有效数据。 从1。
18、， 2号电极开始， 选定两个相邻电极作为采样电极， 采样信号经过放大， 单端转差分进入差分采集ADC芯片， ZYNQ对信号的每个周期采样设定的 数量， 采样设定的周期数， 并用数字相敏检波算法实现信号的幅值提取。 0033 步骤三： 通过选择器切换采集电极， 重复步骤二， 直到采集完成16个相连电极之间 的数据。 0034 步骤四： 通过选择器切换激励电极， 重复步骤一至三直到每两个相连电极依次被 激励。 0035 本发明一种基于ZYNQ的可运动穿戴的便携式人体电阻抗实时成像装置的人体呼 吸监控工作过程包括如下三个步骤。 0036 步骤一： 连接成像装置与可穿戴式电极阵列， 可穿戴式电极阵列上。
19、的纽扣电极上 固定生理扣式电极并将松紧带固定在人身上。 0037 步骤二： 打开成像装置电源， 采集模式设置为采集背景图像， 此时待测人处在呼气 到底的状态。 0038 步骤三： 采集模式设置为实时成像模式， 此时显示屏上显示的图像为当前胸腔电 阻抗值和背景阻抗值的差分图像。 0039 以上结合附图详细说明了本发明， 但是说明书仅是用于解释权利要求书的。 但本 发明的保护范围并不局限于说明书。 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术 说 明 书 3/4 页 5 CN 105559781 A 5 范围内， 可轻易想到的变化或者替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 因此， 本发明的 保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。 说 明 书 4/4 页 6 CN 105559781 A 6 图1 图2 图3 说 明 书 附 图 1/1 页 7 CN 105559781 A 7 。