專(zhuān)利名稱(chēng)：數(shù)字解調(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，采用數(shù)字解調(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，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)頻率提高時(shí)，其影響越來(lái)越大。乘法解調(diào)方法一般用乘法器和低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬相敏解調(diào)。低通濾波器建立時(shí)間比較長(zhǎng)，當(dāng)階數(shù)和截止頻率確定后，建立時(shí)間也隨之確定，速度不受控制，也很難提高。
數(shù)字解調(diào)相比諧波抑制能力強(qiáng)，無(wú)直流漂移，實(shí)行數(shù)字處理有好的靈活性等優(yōu)點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)需要隨時(shí)調(diào)整采樣速率，提高處理速度，測(cè)量精度高。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數(shù)字解調(diào)方式的混頻生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)，可同時(shí)測(cè)量同一時(shí)刻不同頻率下的生物阻抗。
本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1～2所示。數(shù)字解調(diào)方式的混頻生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)，具有信號(hào)源模塊1、信號(hào)調(diào)理模塊2、數(shù)據(jù)采集卡3、上位機(jī)4、單片機(jī)5、Rs-232接口6、EEPROM7、信號(hào)發(fā)生器8、加法器9、電壓控制電流源10、運(yùn)算放大器13、可編程增益放大器14和抗混疊濾波器15組成。測(cè)量系統(tǒng)由信號(hào)源模塊1、信號(hào)調(diào)理模塊2、數(shù)據(jù)采集卡3和上位機(jī)4組成。信號(hào)源模塊1產(chǎn)生正弦混頻激勵(lì)電流信號(hào)，該模塊內(nèi)嵌單片機(jī)5通過(guò)RS-232接口6接收由上位機(jī)4發(fā)出的配置信息，根據(jù)配置信息設(shè)置改變正弦信號(hào)發(fā)生器8輸出信號(hào)的幅值、頻率和相角。信號(hào)調(diào)理模塊2包括電極緩沖12、差分運(yùn)算放大器13、可編程增益放大器14和抗混疊濾波器15四部分，完成A/D采集前的信號(hào)預(yù)處理。數(shù)據(jù)采集卡3一方面將調(diào)理后的測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入上位機(jī)4機(jī)中；另一方面數(shù)據(jù)采集卡3的數(shù)字I/O與信號(hào)調(diào)理模塊的放大單元構(gòu)成自適應(yīng)增益放大環(huán)節(jié)。具體到信號(hào)源模塊1，是由單片機(jī)5、EEPROM 7、正弦信號(hào)發(fā)生器8、加法器9和電壓控制電流源10組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。單片機(jī)5發(fā)出的配置信息、控制正弦信號(hào)發(fā)生器8產(chǎn)生設(shè)置的正弦電壓信號(hào)，通過(guò)加法器9變?yōu)榛祛l信號(hào)，經(jīng)電壓控制電流源10變?yōu)殡娏骷?lì)信號(hào)，施加于測(cè)量對(duì)象。系統(tǒng)工作時(shí)，首先由信號(hào)源模塊1產(chǎn)生要求的電流激勵(lì)信號(hào)，然后將激勵(lì)信號(hào)加在被測(cè)阻抗上，響應(yīng)信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊2進(jìn)行預(yù)處理(放大，濾波)后由數(shù)據(jù)采集卡3轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入PC機(jī)，完成計(jì)算、分析處理、顯示和存儲(chǔ)等功能。由于生物電阻抗信號(hào)屬于強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號(hào)，由測(cè)量電極獲取的信號(hào)均為毫伏級(jí)電壓信號(hào)，在傳輸過(guò)程中容易耦合大量的噪聲，使有用信號(hào)的提取變得困難。為了對(duì)此信號(hào)進(jìn)行處理、測(cè)量，需要對(duì)其進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理。信號(hào)調(diào)理模塊2包括電極緩沖12、差分運(yùn)算放大器13、可編程增益放大器(PGA)14和抗混疊濾波器15，如圖4所示。系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)差分運(yùn)算放大器13，消除共模干擾，然后根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱，由多功能數(shù)據(jù)采集卡3的數(shù)字I/O產(chǎn)生控制信號(hào)，利用可編程增益放大器14將信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，再?jīng)抗混疊濾波器15處理后，送到數(shù)據(jù)采集卡3，完成信號(hào)的調(diào)理。
信號(hào)源模塊1還具有掉電保護(hù)功能，配置信息存于EEPROM 7中。信號(hào)發(fā)生器8是系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)要求正弦波信號(hào)波形失真小、幅值穩(wěn)定，且必須具有頻率、幅值、相位可調(diào)節(jié)的功能。本發(fā)明采用兩片具有50MHz時(shí)鐘頻率的直接數(shù)字合成芯片AD7008配以相應(yīng)的接口電路及放大、濾波電路構(gòu)成信號(hào)發(fā)生器。這兩路正弦波可設(shè)定各自的頻率、幅值和相位，由單片機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)合理使用AD7008的LOAD功能及同一個(gè)晶振，可確保兩路正弦波信號(hào)以準(zhǔn)確的相位差輸出。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10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)。電壓控制電流源10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)明利用參考電阻作為電流反饋單元，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)用數(shù)字解調(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，即幅值和相角，且消除了電流轉(zhuǎn)換和傳輸過(guò)程中相移造成的誤差，同時(shí)采用數(shù)字解調(diào)有效的大量模擬器件不匹配以及噪聲所引入的干擾，從而為臨床應(yīng)用提供更加完備準(zhǔn)確的信息。


附圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
附圖2為信號(hào)源模塊結(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為信號(hào)調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)圖。
附圖5為人體手-手之間電阻抗幅值曲線(xiàn)。
具體實(shí)施過(guò)程本發(fā)明的工作原理前面已說(shuō)明，在此不再贅述。以下通過(guò)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
本實(shí)施例實(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)際純電阻、和由電阻和電容構(gòu)成的三元件模型為測(cè)量對(duì)象對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，混頻激勵(lì)信號(hào)的頻率為50kHz和500kHz，并將測(cè)量結(jié)果與Aligent4294A阻抗分析儀進(jìn)行比較，測(cè)量幅值相對(duì)誤差＜2％，相角絕對(duì)誤差＜0.1°。
以頻率為50kHz和800kHz的混頻激勵(lì)信號(hào)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)果如表1所示，在同一激勵(lì)頻率下，測(cè)量阻抗的幅值符合手-手之間最大，其次是手-腳之間，腳-腳之間阻值最小的規(guī)律，且人體阻抗的幅值在高頻下的值小于低頻下的值，相角在高頻下的值小于低頻下的值，所有測(cè)量結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。
表1人體測(cè)量結(jié)果

圖5所示為采用頻率為100kHz和500kHz的混頻進(jìn)行激勵(lì)，測(cè)量人體手-手之間電阻抗的幅值曲線(xiàn)(其中，橫坐標(biāo)為點(diǎn)數(shù)，每秒鐘4個(gè)點(diǎn)，縱坐標(biāo)為電阻抗幅值，單位為Ω，曲線(xiàn)①為低頻幅值，曲線(xiàn)②為高頻幅值)。由該曲線(xiàn)可以看出，該測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在同時(shí)測(cè)量同一時(shí)刻不同頻率下的生物阻抗的目的，測(cè)量結(jié)果精確的反映了人體電阻抗幅值隨呼吸而起伏變化規(guī)律。
權(quán)利要求
1.數(shù)字解調(diào)方式的混頻生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集卡(3)、上位機(jī)(4)、單片機(jī)(5)、RS-232接口(6)、EEPROM(7)、信號(hào)發(fā)生器(8)、加法器(9)、電壓控制電流源(10)、運(yùn)算放大器(13)、可編程增益放大器(14)和抗混疊濾波器(15)組成，其特征是測(cè)量系統(tǒng)由信號(hào)源模塊(1)、信號(hào)調(diào)理模塊(2)、數(shù)據(jù)采集卡(3)和上位機(jī)(4)組成，在信號(hào)源模塊(1)內(nèi)嵌單片機(jī)(5)通過(guò)RS-232接口(6)接收由上位機(jī)(4)發(fā)出的配置信息，根據(jù)配置信息設(shè)置改變正弦信號(hào)發(fā)生器(8)輸出信號(hào)的幅值、頻率和相角；信號(hào)調(diào)理模塊(2)包括電極緩沖(12)、差分運(yùn)算放大器(13)、可編程增益放大器(14)和抗混疊濾波器(15)四部分，完成A/D采集前的信號(hào)預(yù)處理，數(shù)據(jù)采集卡(3)將調(diào)理后的測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入上位機(jī)(4)中；數(shù)據(jù)采集卡(3)的數(shù)字I/O與信號(hào)調(diào)理模塊的放大單元構(gòu)成自適應(yīng)增益放大環(huán)節(jié)。
2.按照權(quán)利要求1所述的數(shù)字解調(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)源模塊(1)由單片機(jī)(5)、EEPROM(7)、正弦信號(hào)發(fā)生器(8)、加法器(9)和電壓控制電流源(10)組成，所述單片機(jī)(5)發(fā)出的配置信息、控制正弦信號(hào)發(fā)生器(8)產(chǎn)生設(shè)置的正弦電壓信號(hào)，通過(guò)加法器(9)變?yōu)榛祛l信號(hào)，經(jīng)電壓控制電流源(10)變?yōu)殡娏骷?lì)信號(hào)，施加于測(cè)量對(duì)象。
全文摘要
采用數(shù)字解調(diào)方式的混頻生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由信號(hào)源模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)組成。信號(hào)源模塊內(nèi)嵌單片機(jī)通過(guò)RS－232接口接收由上位機(jī)發(fā)出的配置信息，根據(jù)配置信息設(shè)置改變信號(hào)源模塊輸出混頻信號(hào)的幅值、頻率和相角。信號(hào)調(diào)理模塊包括電極緩沖、差分運(yùn)放、可編程增益放大和抗混疊濾波四部分，完成A/D采集前的信號(hào)預(yù)處理。數(shù)據(jù)采集卡將調(diào)理后的測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入上位機(jī)中進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O與信號(hào)調(diào)理模塊的放大單元構(gòu)成自適應(yīng)增益放大環(huán)節(jié)。本發(fā)明采用數(shù)字解調(diào)有效的消除大量模擬器件不匹配以及噪聲所引入的干擾，從而為臨床應(yīng)用提供更加完備準(zhǔn)確的信息。
文檔編號(hào)A61B5/053GK1723845SQ20051001431
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, 孫宏軍, 劉俊霞 申請(qǐng)人:天津大學(xué)