專利名稱：模擬解調(diào)方式的混頻生物阻抗測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物信息檢測領(lǐng)域，具體涉及到在混頻激勵模式下采用模擬解調(diào)方式測量生物電阻抗的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
生物電阻抗測量技術(shù)是利用生物組織與器官的電特性(阻抗、導(dǎo)納、介電常數(shù)等)及其變化，提取與人體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的一種無損傷檢測技術(shù)。早期，主要采用單頻率激勵模式，根據(jù)生物組織頻率阻抗特性，在β頻散段內(nèi)，細胞膜電容基本穩(wěn)定，隨著頻率的增加，膜電容的容抗減小，外加電流由低頻時繞過細胞膜流經(jīng)細胞外液到高頻時穿過細胞膜流經(jīng)細胞內(nèi)外液。為了獲取細胞內(nèi)信息，必須利用高頻電流流經(jīng)細胞內(nèi)外液的特性，因此單一激勵頻率下測得的生物組織電阻抗信息不能全面反映生物體狀況。目前多采用多頻率的激勵模式，即分別采用不同頻率的信號進行激勵，并測量該頻率的生物阻抗，但是人體是動態(tài)的，該方法不能分析同一生命活動在不同激勵頻率下的信息，而且不同測量頻點切換時，新頻率下生物電阻抗信息測量的建立時間較長，所以這種分時測量的方法所提供的數(shù)據(jù)不能準確反映某時刻生物體的電阻抗信息。由于通過人體的激勵電流必須符合安全標準，往往采用小于1mA的交流電流，因此測量的信號非常微弱，主要通過相敏解調(diào)的方法進行信號的測量。目前常用的解調(diào)方法有開關(guān)解調(diào)、數(shù)字解調(diào)和乘法解調(diào)。開關(guān)解調(diào)方法在運放增益切換過程中，不可避免的要引入干擾，而且參考信號不是理想的方波，當激勵頻率提高，其影響越來越大；數(shù)字解調(diào)方法對模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)和處理器的計算能力的要求很高，處理也相對復(fù)雜，將其應(yīng)用于生物電阻抗測量系統(tǒng)中的可行性研究正在進行當中；而乘法解調(diào)方法實現(xiàn)相對簡單，不易引入干擾，且不受頻率影響。常規(guī)的開關(guān)解調(diào)、乘法解調(diào)和數(shù)字解調(diào)主要針對單頻率信號的處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用模擬解調(diào)方式的混頻生物阻抗測量的系統(tǒng)，可測量同一時刻不同頻率下的生物阻抗。
本發(fā)明的工作原理如附圖1～3所示。模擬解調(diào)方式的混頻生物阻抗測量系統(tǒng)，具有上位機1、數(shù)字信號處理器2、信號發(fā)生單元3、電流源4、模擬開關(guān)5、電極驅(qū)動6、激勵電極7、測量電極8、電極緩沖9、開關(guān)陣列10、差分放大電路11、解調(diào)濾波電路12、串口13、A/D轉(zhuǎn)換14、下位機15、鎖存器21、譯碼器22和加法器24等。系統(tǒng)分為上位機1和下位機15兩部分，上位機1設(shè)定正弦電流激勵信號的幅值和頻率配置信息，通過串口13傳送到下位機15進行配置，上位機1將下位機15傳送來的信號進行分析計算，在屏幕上顯示出計算結(jié)果，同時畫出實時曲線。下位機以數(shù)字信號處理器2(DSP)作為主控制器，主要負責根據(jù)上位機配置信息產(chǎn)生作用于生物體的電流激勵信號，采集由此激勵產(chǎn)生的電壓信號，并對該信號進行解調(diào)濾波后傳送到上位機。即由信號發(fā)生單元3產(chǎn)生包含高低兩種頻率成分的混頻激勵電壓信號18和參考信號17，混頻激勵電壓信號經(jīng)電壓控制電流源4變?yōu)榛祛l激勵電流信號19，經(jīng)一個8選1模擬開關(guān)5和電極驅(qū)動6連接于8個激勵電極7。測量電極8經(jīng)電極緩沖9與開關(guān)陣列10相連。來自測量電極的電壓信號經(jīng)差分放大電路11放大后，經(jīng)解調(diào)濾波電路12獲得與生物體阻抗信息相關(guān)的直流信號20，此直流信號再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換14和數(shù)字信號處理器2送往上位機1。由上位機進行數(shù)據(jù)處理及顯示結(jié)果，從而完成整個測量過程。
信號發(fā)生單元是該系統(tǒng)的重要組成部分，如圖2所示，根據(jù)虛參考矢量方法，參考信號Vr1必須正交于參考信號Vr2，激勵電流頻率必須與對應(yīng)的參考信號頻率完全相等。該信號發(fā)生單元3用6片直接數(shù)字合成(DDS)芯片產(chǎn)生正弦信號，其中以DDS_1和DDS_2作為激勵電壓源，DDS_1產(chǎn)生低頻激勵電壓信號；DDS_2產(chǎn)生高頻激勵電壓信號；DDS_3和DDS_4產(chǎn)生正交的低頻參考信號；DDS_5和DDS_6產(chǎn)生正交的高頻參考信號。DSP通過鎖存器21和譯碼器22對DDS芯片進行控制。DDS_1和DDS_2，DDS_3和DDS_4以及DDS_5和DDS_6三組由數(shù)字信號處理器2分別進行控制，利用AD7008的LOAD功能，使信號控制保持同步，并保證同頻參考信號的正交性。所有直接數(shù)字合成(DDS)芯片產(chǎn)生的波形包含高次諧波，通過低通濾波與放大單元23濾除高次諧波，同時對信號進行放大，獲得頻率成分純凈的正弦信號，對于兩種頻率的激勵電壓信號經(jīng)加法器24進行混頻后，由電壓控制電流源4變?yōu)榛祛l激勵電流信號。
為了保證激勵與參考信號同頻，并避免不同DDS芯片采用的不同晶振動輸出頻率存在誤差的影響，所有6個DDS芯片共有一個50MHz的晶振。本發(fā)明利用AD844第二代電流傳輸器功能，設(shè)計的電壓控制電流源將信號發(fā)生器的正弦波電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號。該電壓控制電流源4在低頻段具有較好穩(wěn)流特性，但隨頻率增加其輸出阻抗仍有所下降，為了保證不同頻率下電流輸出幅值恒定，本發(fā)明利用參考電阻r作為反饋電阻，并對其電壓信號不斷采樣，動態(tài)調(diào)整信號源輸出幅值，其控制框圖如圖3所示。
本發(fā)明的有益效果是通過采用兩種頻率的混頻激勵模態(tài)方式配合虛參考矢量方法，應(yīng)用模擬解調(diào)方式，同時獲取兩種頻率下的電阻抗信息的實部和虛部，且消除了電流轉(zhuǎn)換和傳輸過程中相移造成的誤差，從而為臨床應(yīng)用提供更加完備的信息。


附圖1為測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖中上位機-1；數(shù)字信號處理器-2；信號發(fā)生單元-3；電流源-4；模擬開關(guān)-5；電極驅(qū)動-6；激勵電極-7；測量電極-8；電極緩沖-9；開關(guān)陣列-10；差分放大電路-11；解調(diào)濾波電路-12；串口-13；A/D轉(zhuǎn)換-14；下位機-15；RS232接口-16；參考信號-17；混頻激勵電壓信號-18；混頻激勵電流信號-19；與生物體阻抗信息相關(guān)的直流信號-20；鎖存器-21；譯碼器-22；放大單元-23；加法器24。
附圖2為信號發(fā)生單元結(jié)構(gòu)圖。
附圖3為激勵電流幅值動態(tài)調(diào)整。
附圖4為差分放大后電阻上壓降波形圖。
附圖5為兩個相位差為90°、頻率為10KHz的參考信號波形圖。
附圖6為兩個相位差為90°、頻率為10KHz的參考信號的李薩育圖形。
具體實施例方式
以下通過具體實施例并結(jié)合附圖1～6，對本發(fā)明作進一步的說明。
本發(fā)明的工作原理前面已說明，在此不再贅述。信號發(fā)生單元是保證本方法實現(xiàn)的重要部分，通過實驗對信號發(fā)生單元及電流源進行測試，通過上位機1設(shè)定的信號特征如下兩個激勵電流信號頻率分別為10KHz、1MHz，峰峰值均為1mA，相位相同；兩組參考電壓信號頻率分別為10KHz、1MHz，峰峰值均為10V，要求每組中兩信號相角差為90°。
實驗測得200Ω電阻上壓降經(jīng)差分放大后波形如圖4所示(差分放大電路將被測電阻上的壓降放大8倍)；測得頻率為10KHz的兩個參考信號波形圖與李薩育圖如圖8所示。由于被測電阻為200Ω，其上壓降經(jīng)差分放大電路放大8倍后，得到圖7中混頻電壓信號峰峰值約為3.2V，可知與配置信息一致。圖5為信號發(fā)生單元產(chǎn)生的同一頻率的參考信號的波形圖。為了清晰的體現(xiàn)其相位差，采用李薩育圖形進行表示，如圖6所示。兩參考信號的李薩育圖形為一個正圓，可知兩參考信號相位差為90°，符合配置要求。
在符合要求的信號發(fā)生單元的保證下，該系統(tǒng)實現(xiàn)了在混頻激勵模式下兩種頻率阻抗信息的同時提取，且生物阻抗信息的實部和虛部也同時獲得。以實際RC模擬電路為測量對象對系統(tǒng)進行測試，并將測量結(jié)果與Aligent4294A阻抗分析儀進行比較，測量相對誤差＜5％。
利用該阻抗測量系統(tǒng)對人體進行測量，分別測量人體手-手之間、手-腳之間以及腳-腳之間的電阻抗，測量結(jié)果與經(jīng)驗數(shù)據(jù)一致。
權(quán)利要求
1.模擬解調(diào)方式的混頻生物阻抗測量系統(tǒng)，具有上位機(1)、數(shù)字信號處理器(2)、信號發(fā)生單元(3)、電流源(4)、模擬開關(guān)(5)、電極驅(qū)動(6)、激勵電極(7)、測量電極(8)、電極緩沖(9)、開關(guān)陣列(10)、差分放大電路(11)、解調(diào)濾波電路(12)、串口(13)、A/D轉(zhuǎn)換(14)、下位機(15)、鎖存器(21)、譯碼器(22)和加法器(24)，其特征是系統(tǒng)分為上位機(1)和下位機(15)兩部分，上位機(1)設(shè)定正弦電流激勵信號的幅值和頻率配置信息，通過串口(13)傳送到下位機(15)，下位機以數(shù)字信號處理器(2)作為主控制器，由信號發(fā)生單元(3)產(chǎn)生包含高低兩種頻率成分的混頻激勵電壓信號(18)和參考信號(17)，混頻激勵電壓信號經(jīng)電壓控制電流源(4)變?yōu)榛祛l激勵電流信號(19)，經(jīng)模擬開關(guān)(5)和電極驅(qū)動(6)連接于激勵電極(7)，測量電極(8)經(jīng)電極緩沖(9)與開關(guān)陣列(10)相連，來自測量電極(8)的電壓信號經(jīng)差分放大電路(11)放大后，經(jīng)解調(diào)濾波電路(12)獲得與生物體阻抗信息相關(guān)的直流信號(20)，此直流信號再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換(14)和數(shù)字信號處理器(2)送往上位機(1)。
2.按照權(quán)利要求1所述的模擬解調(diào)方式的混頻生物阻抗測量系統(tǒng)，其特征是所述信號發(fā)生單元(3)用6片直接數(shù)字合成(DDS)芯片產(chǎn)生正弦信號，其中以DDS_1和DDS_2作為激勵電壓源，DDS_1產(chǎn)生低頻激勵電壓信號；DDS_2產(chǎn)生高頻激勵電壓信號；DDS_3和DDS_4產(chǎn)生正交的低頻參考信號；DDS_5和DDS_6產(chǎn)生正交的高頻參考信號；DSP通過鎖存器(21)和譯碼器(22)對DDS芯片進行控制，DDS_1和DDS_2，DDS_3和DDS_4以及DDS_5和DDS_6三組由數(shù)字信號處理器(2)分別進行控制，并保證同頻參考信號的正交性，所有直接數(shù)字合成(DDS)芯片產(chǎn)生的波形包含高次諧波，通過低通濾波與放大單元(23)濾除高次諧波，同時對信號進行放大，獲得頻率成分純凈的正弦信號，對于兩種頻率的激勵電壓信號經(jīng)加法器(24)進行混頻后，由電壓控制電流源(4)變?yōu)榛祛l激勵電流信號。
全文摘要
采用模擬解調(diào)方式混頻測量生物電阻抗的系統(tǒng)。系統(tǒng)分為上位機和下位機兩部分。上位機設(shè)定正弦電流激勵信號的幅值和頻率配置信息，通過串口送到下位機。下位機以數(shù)字信號處理器作為主控制器，由信號發(fā)生單元產(chǎn)生包含高低兩種頻率成分的混頻激勵電壓信號和參考信號，混頻激勵電壓信號經(jīng)電壓控制電流源變?yōu)榛祛l激勵電流信號，經(jīng)模擬開關(guān)和電極驅(qū)動連接于激勵電極。測量電極經(jīng)電極緩沖與開關(guān)陣列相連，來自測量電極的電壓信號經(jīng)差分放大電路放大后，經(jīng)解調(diào)濾波電路獲得與生物體阻抗信息相關(guān)的直流信號。通過采用兩種頻率的混頻激勵模態(tài)方式配合虛參考矢量方法，獲取兩種頻率下的電阻抗信息的實部和虛部，消除了電流轉(zhuǎn)換和傳輸過程中相移造成的誤差。
文檔編號A61B5/053GK1723844SQ200510014310
公開日2006年1月25日 申請日期2005年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月1日
發(fā)明者王超, 王化祥 申請人:天津大學(xué)