專利名稱：模擬解調(diào)方式的混頻生物阻抗測(cè)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(cè)領(lǐng)域，具體涉及到在混頻激勵(lì)模式下采用模擬解調(diào)方式測(cè)量生物電阻抗的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
生物電阻抗測(cè)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(wú)損傷檢測(cè)技術(shù)。早期，主要采用單頻率激勵(lì)模式，根據(jù)生物組織頻率阻抗特性，在β頻散段內(nèi)，細(xì)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(shí)繞過(guò)細(xì)胞膜流經(jīng)細(xì)胞外液到高頻時(shí)穿過(guò)細(xì)胞膜流經(jīng)細(xì)胞內(nèi)外液。為了獲取細(xì)胞內(nèi)信息，必須利用高頻電流流經(jīng)細(xì)胞內(nèi)外液的特性，因此單一激勵(lì)頻率下測(cè)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(lì)模式，即分別采用不同頻率的信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)，并測(cè)量該頻率的生物阻抗，但是人體是動(dòng)態(tài)的，該方法不能分析同一生命活動(dòng)在不同激勵(lì)頻率下的信息，而且不同測(cè)量頻點(diǎn)切換時(shí)，新頻率下生物電阻抗信息測(cè)量的建立時(shí)間較長(zhǎng)，所以這種分時(shí)測(cè)量的方法所提供的數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映某時(shí)刻生物體的電阻抗信息。由于通過(guò)人體的激勵(lì)電流必須符合安全標(biāo)準(zhǔn)，往往采用小于1mA的交流電流，因此測(cè)量的信號(hào)非常微弱，主要通過(guò)相敏解調(diào)的方法進(jìn)行信號(hào)的測(cè)量。目前常用的解調(diào)方法有開(kāi)關(guān)解調(diào)、數(shù)字解調(diào)和乘法解調(diào)。開(kāi)關(guān)解調(diào)方法在運(yùn)放增益切換過(guò)程中，不可避免的要引入干擾，而且參考信號(hào)不是理想的方波，當(dāng)激勵(lì)頻率提高，其影響越來(lái)越大；數(shù)字解調(diào)方法對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)和處理器的計(jì)算能力的要求很高，處理也相對(duì)復(fù)雜，將其應(yīng)用于生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)中的可行性研究正在進(jìn)行當(dāng)中；而乘法解調(diào)方法實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，不易引入干擾，且不受頻率影響。常規(guī)的開(kāi)關(guān)解調(diào)、乘法解調(diào)和數(shù)字解調(diào)主要針對(duì)單頻率信號(hào)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(cè)量的系統(tǒng)，可測(cè)量同一時(shí)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(cè)量系統(tǒng)，具有上位機(jī)1、數(shù)字信號(hào)處理器2、信號(hào)發(fā)生單元3、電流源4、模擬開(kāi)關(guān)5、電極驅(qū)動(dòng)6、激勵(lì)電極7、測(cè)量電極8、電極緩沖9、開(kāi)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(jī)15、鎖存器21、譯碼器22和加法器24等。系統(tǒng)分為上位機(jī)1和下位機(jī)15兩部分，上位機(jī)1設(shè)定正弦電流激勵(lì)信號(hào)的幅值和頻率配置信息，通過(guò)串口13傳送到下位機(jī)15進(jìn)行配置，上位機(jī)1將下位機(jī)15傳送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，在屏幕上顯示出計(jì)算結(jié)果，同時(shí)畫(huà)出實(shí)時(shí)曲線。下位機(jī)以數(shù)字信號(hào)處理器2(DSP)作為主控制器，主要負(fù)責(zé)根據(jù)上位機(jī)配置信息產(chǎn)生作用于生物體的電流激勵(lì)信號(hào)，采集由此激勵(lì)產(chǎn)生的電壓信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行解調(diào)濾波后傳送到上位機(jī)。即由信號(hào)發(fā)生單元3產(chǎn)生包含高低兩種頻率成分的混頻激勵(lì)電壓信號(hào)18和參考信號(hào)17，混頻激勵(lì)電壓信號(hào)經(jīng)電壓控制電流源4變?yōu)榛祛l激勵(lì)電流信號(hào)19，經(jīng)一個(gè)8選1模擬開(kāi)關(guān)5和電極驅(qū)動(dòng)6連接于8個(gè)激勵(lì)電極7。測(cè)量電極8經(jīng)電極緩沖9與開(kāi)關(guān)陣列10相連。來(lái)自測(cè)量電極的電壓信號(hào)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(hào)20，此直流信號(hào)再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換14和數(shù)字信號(hào)處理器2送往上位機(jī)1。由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示結(jié)果，從而完成整個(gè)測(cè)量過(guò)程。
信號(hào)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(hào)Vr1必須正交于參考信號(hào)Vr2，激勵(lì)電流頻率必須與對(duì)應(yīng)的參考信號(hào)頻率完全相等。該信號(hào)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(hào)，其中以DDS_1和DDS_2作為激勵(lì)電壓源，DDS_1產(chǎn)生低頻激勵(lì)電壓信號(hào)；DDS_2產(chǎn)生高頻激勵(lì)電壓信號(hào)；DDS_3和DDS_4產(chǎn)生正交的低頻參考信號(hào)；DDS_5和DDS_6產(chǎn)生正交的高頻參考信號(hào)。DSP通過(guò)鎖存器21和譯碼器22對(duì)DDS芯片進(jìn)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(hào)處理器2分別進(jìn)行控制，利用AD7008的LOAD功能，使信號(hào)控制保持同步，并保證同頻參考信號(hào)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(guò)低通濾波與放大單元23濾除高次諧波，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，獲得頻率成分純凈的正弦信號(hào)，對(duì)于兩種頻率的激勵(lì)電壓信號(hào)經(jīng)加法器24進(jìn)行混頻后，由電壓控制電流源4變?yōu)榛祛l激勵(lì)電流信號(hào)。
為了保證激勵(lì)與參考信號(hào)同頻，并避免不同DDS芯片采用的不同晶振動(dòng)輸出頻率存在誤差的影響，所有6個(gè)DDS芯片共有一個(gè)50MHz的晶振。本發(fā)明利用AD844第二代電流傳輸器功能，設(shè)計(jì)的電壓控制電流源將信號(hào)發(fā)生器的正弦波電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。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(duì)其電壓信號(hào)不斷采樣，動(dòng)態(tài)調(diào)整信號(hào)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(guò)采用兩種頻率的混頻激勵(lì)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(shí)獲取兩種頻率下的電阻抗信息的實(shí)部和虛部，且消除了電流轉(zhuǎn)換和傳輸過(guò)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(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖中上位機(jī)-1；數(shù)字信號(hào)處理器-2；信號(hào)發(fā)生單元-3；電流源-4；模擬開(kāi)關(guān)-5；電極驅(qū)動(dòng)-6；激勵(lì)電極-7；測(cè)量電極-8；電極緩沖-9；開(kāi)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(jī)-15；RS232接口-16；參考信號(hào)-17；混頻激勵(lì)電壓信號(hào)-18；混頻激勵(lì)電流信號(hào)-19；與生物體阻抗信息相關(guān)的直流信號(hào)-20；鎖存器-21；譯碼器-22；放大單元-23；加法器24。
附圖2為信號(hào)發(fā)生單元結(jié)構(gòu)圖。
附圖3為激勵(lì)電流幅值動(dòng)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(gè)相位差為90°、頻率為10KHz的參考信號(hào)波形圖。
附圖6為兩個(gè)相位差為90°、頻率為10KHz的參考信號(hào)的李薩育圖形。
具體實(shí)施例方式
以下通過(guò)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖1～6，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
本發(fā)明的工作原理前面已說(shuō)明，在此不再贅述。信號(hào)發(fā)生單元是保證本方法實(shí)現(xiàn)的重要部分，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)信號(hào)發(fā)生單元及電流源進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)上位機(jī)1設(shè)定的信號(hào)特征如下兩個(gè)激勵(lì)電流信號(hào)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(hào)頻率分別為10KHz、1MHz，峰峰值均為10V，要求每組中兩信號(hào)相角差為90°。
實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)電阻上的壓降放大8倍)；測(cè)得頻率為10KHz的兩個(gè)參考信號(hào)波形圖與李薩育圖如圖8所示。由于被測(cè)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(hào)峰峰值約為3.2V，可知與配置信息一致。圖5為信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生的同一頻率的參考信號(hào)的波形圖。為了清晰的體現(xiàn)其相位差，采用李薩育圖形進(jìn)行表示，如圖6所示。兩參考信號(hào)的李薩育圖形為一個(gè)正圓，可知兩參考信號(hào)相位差為90°，符合配置要求。
在符合要求的信號(hào)發(fā)生單元的保證下，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在混頻激勵(lì)模式下兩種頻率阻抗信息的同時(shí)提取，且生物阻抗信息的實(shí)部和虛部也同時(shí)獲得。以實(shí)際RC模擬電路為測(cè)量對(duì)象對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)量結(jié)果與Aligent4294A阻抗分析儀進(jìn)行比較，測(cè)量相對(duì)誤差＜5％。
利用該阻抗測(cè)量系統(tǒng)對(duì)人體進(jìn)行測(cè)量，分別測(cè)量人體手-手之間、手-腳之間以及腳-腳之間的電阻抗，測(cè)量結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)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(cè)量系統(tǒng)，具有上位機(jī)(1)、數(shù)字信號(hào)處理器(2)、信號(hào)發(fā)生單元(3)、電流源(4)、模擬開(kāi)關(guān)(5)、電極驅(qū)動(dòng)(6)、激勵(lì)電極(7)、測(cè)量電極(8)、電極緩沖(9)、開(kāi)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(jī)(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(jī)(1)和下位機(jī)(15)兩部分，上位機(jī)(1)設(shè)定正弦電流激勵(lì)信號(hào)的幅值和頻率配置信息，通過(guò)串口(13)傳送到下位機(jī)(15)，下位機(jī)以數(shù)字信號(hào)處理器(2)作為主控制器，由信號(hào)發(fā)生單元(3)產(chǎn)生包含高低兩種頻率成分的混頻激勵(lì)電壓信號(hào)(18)和參考信號(hào)(17)，混頻激勵(lì)電壓信號(hào)經(jīng)電壓控制電流源(4)變?yōu)榛祛l激勵(lì)電流信號(hào)(19)，經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)(5)和電極驅(qū)動(dòng)(6)連接于激勵(lì)電極(7)，測(cè)量電極(8)經(jīng)電極緩沖(9)與開(kāi)關(guān)陣列(10)相連，來(lái)自測(cè)量電極(8)的電壓信號(hào)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(hào)(20)，此直流信號(hào)再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換(14)和數(shù)字信號(hào)處理器(2)送往上位機(jī)(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(cè)量系統(tǒng)，其特征是所述信號(hào)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(hào)，其中以DDS_1和DDS_2作為激勵(lì)電壓源，DDS_1產(chǎn)生低頻激勵(lì)電壓信號(hào)；DDS_2產(chǎn)生高頻激勵(lì)電壓信號(hào)；DDS_3和DDS_4產(chǎn)生正交的低頻參考信號(hào)；DDS_5和DDS_6產(chǎn)生正交的高頻參考信號(hào)；DSP通過(guò)鎖存器(21)和譯碼器(22)對(duì)DDS芯片進(jìn)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(hào)處理器(2)分別進(jìn)行控制，并保證同頻參考信號(hào)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(guò)低通濾波與放大單元(23)濾除高次諧波，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，獲得頻率成分純凈的正弦信號(hào)，對(duì)于兩種頻率的激勵(lì)電壓信號(hào)經(jīng)加法器(24)進(jìn)行混頻后，由電壓控制電流源(4)變?yōu)榛祛l激勵(lì)電流信號(hào)。
全文摘要
采用模擬解調(diào)方式混頻測(cè)量生物電阻抗的系統(tǒng)。系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。上位機(jī)設(shè)定正弦電流激勵(lì)信號(hào)的幅值和頻率配置信息，通過(guò)串口送到下位機(jī)。下位機(jī)以數(shù)字信號(hào)處理器作為主控制器，由信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生包含高低兩種頻率成分的混頻激勵(lì)電壓信號(hào)和參考信號(hào)，混頻激勵(lì)電壓信號(hào)經(jīng)電壓控制電流源變?yōu)榛祛l激勵(lì)電流信號(hào)，經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)和電極驅(qū)動(dòng)連接于激勵(lì)電極。測(cè)量電極經(jīng)電極緩沖與開(kāi)關(guān)陣列相連，來(lái)自測(cè)量電極的電壓信號(hào)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(hào)。通過(guò)采用兩種頻率的混頻激勵(lì)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(shí)部和虛部，消除了電流轉(zhuǎn)換和傳輸過(guò)程中相移造成的誤差。
文檔編號(hào)A61B5/053GK1723844SQ200510014310
公開(kāi)日2006年1月25日 申請(qǐng)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(qǐng)人:天津大學(xué)