一種基于四電極半橋法的微弱動(dòng)態(tài)阻抗檢測(cè)裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及動(dòng)態(tài)阻抗檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于四電極半橋法的微弱動(dòng)態(tài)阻抗檢測(cè)裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]生物電阻抗分析是一種無(wú)創(chuàng)性，成本低，常用的人體測(cè)量和臨床狀態(tài)評(píng)估方法。隨著生物阻抗測(cè)量技術(shù)的日趨發(fā)展與成熟，生物阻抗測(cè)量應(yīng)用于臨床已經(jīng)成為可能。生物阻抗可分為靜態(tài)基礎(chǔ)阻抗與微弱動(dòng)態(tài)阻抗兩個(gè)部分。微弱動(dòng)態(tài)阻抗變化往往攜帶更多的生理信息，因此微弱動(dòng)態(tài)阻抗變化量的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)為臨床應(yīng)用提供了可能。在微弱動(dòng)態(tài)阻抗的測(cè)量中，扣除靜態(tài)基礎(chǔ)阻抗的影響是關(guān)鍵。
[0003]發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的阻抗測(cè)量方法，采集過(guò)程中通常對(duì)靜態(tài)阻抗和微弱動(dòng)態(tài)阻抗同時(shí)進(jìn)行采集，并進(jìn)行相同程度的放大，對(duì)于及其微弱的動(dòng)態(tài)阻抗變化量的測(cè)量造成了一定的困難。同時(shí)較大的靜態(tài)基礎(chǔ)阻抗會(huì)引入個(gè)體差異性，為阻抗測(cè)量手段應(yīng)用于臨床造成了一定的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種基于四電極半橋法的微弱動(dòng)態(tài)阻抗檢測(cè)裝置及其方法，本發(fā)明具有精度高、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大，功耗低以及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)^為微弱的動(dòng)態(tài)阻抗變化量進(jìn)行連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，詳見(jiàn)下文描述:
[0005]一種基于四電極半橋法的微弱動(dòng)態(tài)阻抗檢測(cè)裝置，包括:激勵(lì)恒流源，還包括:
[0006]半臂自動(dòng)平衡電橋電路，由數(shù)字電位器與生物阻抗共同構(gòu)成；
[0007]可編程放大電路由2個(gè)儀器放大器和一個(gè)可編程儀器放大器共同構(gòu)成，一儀器放大器的輸出為數(shù)字電位器的分壓V:，另一儀器放大器的輸出為生物阻抗的分壓v2，可編程儀器放大器的輸出為Vjp V 2的差值；
[0008]自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)電路，根據(jù)基于過(guò)采樣的快速數(shù)字鎖相電路解調(diào)出來(lái)的微弱動(dòng)態(tài)阻抗變化信號(hào)的電壓幅值作為負(fù)反饋，控制數(shù)字電位器的抽頭位置，直到解調(diào)出的電壓幅值進(jìn)入閾值之內(nèi)，則自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)電路進(jìn)入平衡裝態(tài)。
[0009]所述激勵(lì)恒流源為高頻正弦恒電流源激勵(lì)信號(hào)。
[0010]所述四電極配置電路由四個(gè)電極構(gòu)成，采用激勵(lì)電極和測(cè)量電極分開的方式進(jìn)行配置。
[0011]所述可編程儀器放大器用于對(duì)靜態(tài)基礎(chǔ)阻抗和微弱動(dòng)態(tài)變化阻抗進(jìn)行不同程度的放大。
[0012]—種基于四電極半橋法的微弱動(dòng)態(tài)阻抗檢測(cè)方法，所述方法是一種自動(dòng)平衡半橋法，所述方法包括以下步驟:
[0013]數(shù)字電位器表述為Rs，被測(cè)生物阻抗表述為Rz;
[0014]經(jīng)過(guò)高頻正弦電流激勵(lì)之后，&兩端電壓經(jīng)過(guò)一儀器放大器后的輸出電壓表示為\，Rz兩端經(jīng)過(guò)另一儀器放大器后的輸出電壓表示為V2;
[0015]1與V 2經(jīng)過(guò)可編程儀器放大器后的輸出電壓表示為V out，Vout由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；
[0016]通過(guò)基于過(guò)采樣的快速數(shù)字鎖相對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和平均濾波，得到被測(cè)阻抗的電壓幅值；
[0017]快速數(shù)字鎖相解調(diào)得到的被測(cè)生物阻抗的電壓幅值作為負(fù)反饋信號(hào)，通過(guò)自動(dòng)平衡電橋?qū)?shù)字電位器的抽頭位置進(jìn)行調(diào)整；
[0018]若偏差的絕對(duì)值大于偏差閾值，則重新計(jì)算幅值及偏差，直至偏差的絕對(duì)值小于偏差閾值，則完成電橋平衡的調(diào)節(jié)。
[0019]本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是:本發(fā)明通過(guò)四電極法去除接觸阻抗的影響，同時(shí)采用自動(dòng)平衡半橋法達(dá)到扣除較大靜態(tài)基礎(chǔ)阻抗的目的，并通過(guò)可編程儀器放大器對(duì)靜態(tài)基礎(chǔ)阻抗與動(dòng)態(tài)阻抗變化量進(jìn)行不同程度的放大，再對(duì)ADC采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行基于過(guò)采樣的快速鎖相算法從而解調(diào)出微弱阻抗變化量。本發(fā)明能夠?qū)ξ⑷鮿?dòng)態(tài)阻抗變化量進(jìn)行連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)，并且具有精度高、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、成本低廉、功耗低、體積小的特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明提供的一種基于四電極半橋法的微弱動(dòng)態(tài)阻抗檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明提供的基于四電極半橋法的微弱動(dòng)態(tài)阻抗檢測(cè)的電路圖；
[0022]圖3為本發(fā)明提供的電極分布圖；
[0023]圖4為對(duì)電橋進(jìn)行幅值自動(dòng)平衡調(diào)整的流程圖；
[0024]圖5為實(shí)驗(yàn)波形圖。
[0025]附圖中，各部件的列表如下:
[0026]1:激勵(lì)恒流源；2:半臂自動(dòng)平衡電橋電路；
[0027]3:可編程放大電路；4:快速數(shù)字鎖相電路；
[0028]5:自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)電路； 6:四電極配置電路。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0030]實(shí)施例1
[0031]一種基于四電極半橋法的微弱動(dòng)態(tài)阻抗檢測(cè)裝置，參見(jiàn)圖1和圖2，該檢測(cè)裝置包括:激勵(lì)恒流源1、半臂自動(dòng)平衡電橋電路2、可編程放大電路3、基于過(guò)采樣的快速數(shù)字鎖相電路4、自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)電路5和四電極配置電路6。
[0032]其中，激勵(lì)恒流源1是高頻率正弦恒流源激勵(lì)信號(hào)。
[0033]半臂自動(dòng)平衡電橋電路2的電橋臂由數(shù)字電位器與生物阻抗共同構(gòu)成，半臂自動(dòng)平衡電橋電路2的目的是扣除靜態(tài)基礎(chǔ)阻抗，消除其引起的個(gè)體差異，提取出微弱動(dòng)態(tài)阻抗分量從而提高動(dòng)態(tài)范圍和測(cè)量精度。
[0034]參見(jiàn)圖2，可編程放大電路3主要由2個(gè)儀器放大器和一個(gè)可編程儀器放大器共同構(gòu)成，其中，儀器放大器A1的輸出為數(shù)字電位器的分壓V:，儀器放大器A2的輸出為生物阻抗的分壓V2，可編程儀器放大器A3的輸出為1和V 2的差值V _，其中可編程儀器放大器A3的主要功能是對(duì)靜態(tài)基礎(chǔ)阻抗和微弱動(dòng)態(tài)變化阻抗進(jìn)行不同程度的放大。
[0035]自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)電路5，根據(jù)基于過(guò)采樣的快速數(shù)字鎖相電路4解調(diào)出來(lái)的微弱動(dòng)態(tài)阻抗變化信號(hào)的電壓幅值作為負(fù)反饋，控制數(shù)字電位器的抽頭位置，直到解調(diào)出來(lái)的微弱動(dòng)態(tài)阻抗變化信號(hào)的電壓幅值進(jìn)入所預(yù)設(shè)的閾值之內(nèi)，則自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)電路5進(jìn)入平衡
??τ ο
[0036]具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，高頻正弦恒電流源激勵(lì)信號(hào)可由微處理器產(chǎn)生；基于過(guò)采樣的快速數(shù)字鎖相電路4也可以由微處理器實(shí)現(xiàn)；可編程放大電路3和自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)電路5也均可以由微處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0037]四電極配置電路6由四個(gè)電極構(gòu)成，采用激勵(lì)電極和測(cè)量電極分開的方式進(jìn)行配置。其主要功能是消除接觸阻抗引入的干擾，進(jìn)而提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。參見(jiàn)圖2及圖3，四電極分別為a、b、c與d，其中a、d為激勵(lì)電極，b、c為2個(gè)測(cè)量電極。
[0038]其中，上述所有提到的微處理器是同一種微處理器，該微處理器是一種高集成微功耗的處理器，成本低廉，操作簡(jiǎn)單。微處理器可以采用MCU、ARM、DSP或FPGA中的任意一種。
[0039]實(shí)施例2
[0040]下面結(jié)合具體的器件型號(hào)對(duì)實(shí)施例1中的基于四電極半橋法的微弱動(dòng)態(tài)阻抗檢測(cè)裝置進(jìn)行進(jìn)一步地描述，詳見(jiàn)下文:
[0041]本發(fā)明實(shí)施例中，采用的微處理器為低功耗微處理器CY8C3866AXI ;模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC為llbit，采樣率為200Ksps，過(guò)采樣倍數(shù)是4。
[0042]放大電路3包含2個(gè)儀器放大器AD623，及所用微處理器上的可編程增益放大器與運(yùn)放構(gòu)成的可編程儀器放大器A3，當(dāng)自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)電路5達(dá)到平衡態(tài)之后，提高可編程放大器的增益至信號(hào)不失真的最大增益，此時(shí)可以解調(diào)出微弱動(dòng)態(tài)阻抗變化信號(hào)。自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)電路5中的數(shù)字電位器具體為具有1024抽頭的20k數(shù)字電位器AD5272。
[0043]基于過(guò)采樣的快速數(shù)字鎖相電路4中平均濾波的下抽樣點(diǎn)數(shù)為25000，約在46_48之間，所以模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC等效提高8位，該檢測(cè)裝置的等效分辨率達(dá)到0.822 μ V/bit。較為微弱的動(dòng)態(tài)阻抗變化量能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出來(lái)。自動(dòng)平衡電橋使系統(tǒng)信噪比有了明顯提尚ο
[0044]實(shí)施例3
[0045]實(shí)現(xiàn)四電極半橋法的微弱動(dòng)態(tài)阻抗檢測(cè)方法的基本原理描述如下，詳見(jiàn)圖4所示的示意圖，首先，該方法是一種自動(dòng)平衡半橋法，也可以稱為微差調(diào)制法，半臂調(diào)制電橋由數(shù)字電位器Rs與生物阻抗R z共同構(gòu)成。
[0046]101:微處理器產(chǎn)生一路高頻正弦電流激勵(lì)信號(hào)表示為I(t)，其頻率設(shè)置為50kHz ；
[0047]102:數(shù)字電位器表述為Rs，被測(cè)生物阻抗表述為Rz;
[0048]103:經(jīng)過(guò)高頻正弦電流激勵(lì)之后，Rs兩端電壓經(jīng)過(guò)儀器放大器A1后的輸出電壓表示為I，Rz兩端經(jīng)過(guò)儀器放大器A2后的輸出電壓表示為V 2;
[0049]104:1與V 2經(jīng)過(guò)可編程儀器放大器A3后的輸出電壓表示為V out, 由微處理器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC以200Ksps的采樣率轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)VDc]Ut;
[0050]105:微處理器通過(guò)基于過(guò)采樣的快速數(shù)字鎖相對(duì)數(shù)字信號(hào)VDcJi行解調(diào)和平均濾波，得到被測(cè)阻抗的電壓幅值；
[0051]106:快速數(shù)字鎖相解調(diào)得到的被測(cè)生物阻抗的電壓幅值作為負(fù)反饋信號(hào)，通過(guò)自動(dòng)平衡電橋?qū)?shù)字電位器的抽頭位置進(jìn)行調(diào)整。
[0052]具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，依據(jù)四電極配置方案，激勵(lì)電極和測(cè)量