專利名稱：細(xì)胞膜的導(dǎo)納測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及導(dǎo)納測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種細(xì)胞膜的導(dǎo)納測量裝置。
背景技術(shù)：
導(dǎo)納測量裝置是一種根據(jù)物體對電路參數(shù)的約束關(guān)系測定該物體的導(dǎo)納、阻抗的電子儀器。細(xì)胞膜的導(dǎo)納測量技術(shù)是利用生物組織器官和細(xì)胞的電特性阻抗、導(dǎo)納值及其 變化關(guān)系提取與人體組織器官生理狀況信息的無損傷檢測技術(shù)。這種技術(shù)具有安全、無創(chuàng)、 操作簡便和信息高效等特點。通過對腦細(xì)胞導(dǎo)納圖測量和導(dǎo)納微分換面積測量為醫(yī)學(xué)人士 提供腦部病理的重要信息，同時可以對心臟及其他生物器官進行功能評價，因此具有廣泛 的應(yīng)用前景。目前細(xì)胞膜導(dǎo)納測量系統(tǒng)的激勵頻率還局限于幾百KHz —下的低頻范圍內(nèi)，真正 具有穿透細(xì)胞膜能夠提取細(xì)胞內(nèi)液信息的IMHz 5MHz激勵頻率的測量系統(tǒng)還不多見。而 且，當(dāng)前醫(yī)用的細(xì)胞膜導(dǎo)納測量系統(tǒng)大多采用DSP芯片作為控制核心，耗能高、代價大。針 對上述狀況提出了本實用新型的技術(shù)方案，設(shè)計了一套單片機和FPGA作為控制核心、激勵 頻率在0 IMHz之間的細(xì)胞膜導(dǎo)納測量裝置。并且針對實際測量中實效性問題，設(shè)計了一 種基于實時離散傅里葉變換測量細(xì)胞膜導(dǎo)納的實部和虛部的方法。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種醫(yī)用細(xì)胞膜的導(dǎo)納測量裝置，利用DFT的測相原 理，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)控制技術(shù)，針對目標(biāo)物體的導(dǎo)納進行高精度自動測量、顯示，適用于醫(yī) 療上對細(xì)胞膜導(dǎo)納的高精度、微量級測量。為達(dá)到上述目的，本實用新型采用如下的技術(shù)方案包括微控制系統(tǒng)、測量電路、探測端口，其中微控制系統(tǒng)包括單片機、FPGA芯片、 LCD液晶顯示器，測量電路包括DDS正弦信號發(fā)生器、多通道A/D采樣器、I/V轉(zhuǎn)換電路；單 片機、FPGA芯片、DDS正弦信號發(fā)生器依次電連接，DDS正弦信號發(fā)生器分兩路輸出，一路連 接探測端口，一路連接多通道A/D采樣器；探測端口與I/V轉(zhuǎn)換電路電連接，I/V轉(zhuǎn)換電路 連接多通道A/D采樣器，多通道A/D采樣器連接至FPGA芯片；IXD液晶顯示器連接至FPGA
-H-· I I心片。所述DDS正弦信號發(fā)生器(104)采用集成DDS芯片AD9851構(gòu)成。所述I/V轉(zhuǎn)換電路(107)由輸入限流電阻Rg、運算放大器0PA656和一組反饋電阻組成。所述多通道A/D采樣器(105)采用同步采樣芯片THS1206組成，包括兩路輸入隔 離放大器、控制信號和數(shù)據(jù)總線。本實用新型具有以下優(yōu)點和積極效果1)結(jié)構(gòu)簡單實用，使用方便，而且可以根據(jù)不同的應(yīng)用要求進行靈活變換；2)實現(xiàn)了快速，高效，高精度測量，提高了醫(yī)藥分析人員測量細(xì)胞膜導(dǎo)納的工作效率。

圖1是本實用新型提供的醫(yī)用細(xì)胞膜的導(dǎo)納測量裝置的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本實用新型提供的醫(yī)用細(xì)胞膜的導(dǎo)納測量裝置中正弦信號發(fā)生器的電路 圖。圖3是本實用新型提供的醫(yī)用細(xì)胞膜的導(dǎo)納測量裝置中I/V轉(zhuǎn)換電路的電路圖。圖4是本實用新型提供的醫(yī)用細(xì)胞膜的導(dǎo)納測量裝置中A/D采集電路的電路圖。
具體實施方式
下面以具體實施例結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明本實用新型提供的醫(yī)用細(xì)胞膜的導(dǎo)納測量裝置，具體采用如下技術(shù)方案，參見圖 1，包括微控制系統(tǒng)(101、102、103)、測量電路(104、105、107)、探測端口 (106)，微控制系統(tǒng) (101、102、103)控制整個導(dǎo)納測量裝置的工作，并且該微控制系統(tǒng)與測量電路(104、105、 107)直接相連，測量電路分為輸出電路和輸入電路，分別與探測端口(106)的兩端相連，測 量被測物體的導(dǎo)納，具體組成及電氣連接關(guān)系為微控制系統(tǒng)(101、102、103)包括單片機(101)、FPGA芯片(102)、LCD液晶顯示器 (103)，測量電路(104、105、107)包括DDS正弦信號發(fā)生器(104)、多通道A/D采樣器(105)、 I/V轉(zhuǎn)換電路(107)，單片機、FPGA芯片、DDS正弦信號發(fā)生器依次電連接，DDS正弦信號發(fā) 生器分兩路輸出，一路連接探測端口，一路連接多通道A/D采樣器；探測端口與I/V轉(zhuǎn)換電 路連接，I/V轉(zhuǎn)換電路連接多通道A/D采樣器，多通道A/D采樣器連接至FPGA芯片；LCD液 晶顯示器連接至FPGA芯片。單片機與FPGA芯片相連，單片機發(fā)出控制信號，啟動FPGA芯片中的DDS正弦信號 發(fā)生器的接口程序，AD9851產(chǎn)生正弦激勵信號，經(jīng)過信號調(diào)理形成測量激勵信號；DDS正弦 信號發(fā)生器與探測端口相連，由于被測物體的導(dǎo)納特性，影起了激勵信號的變化；探測端口 另一端與I/V轉(zhuǎn)換電路相連，經(jīng)過I/V變換，被測物體的導(dǎo)納特性反應(yīng)到輸出信號與原激勵 信號的變化中；ΙΛ轉(zhuǎn)換電路與多通道A/D采樣器相連，I/V轉(zhuǎn)換電路后的信號經(jīng)過后級信 號調(diào)理，并未引入新的相移和幅度變化，該信號和原激勵信號同時通過A/D采樣，得到采樣 數(shù)據(jù)，供處理分析；多通道A/D采樣器與微控制系統(tǒng)相連，多通道A/D采樣器將兩路信號的 采樣數(shù)據(jù)送往FPGA芯片中進行DFT (離散傅里葉變換)運算，單片機控制FPGA的運算流程， 將計算結(jié)果轉(zhuǎn)為被測導(dǎo)納值，并通過LCD液晶顯示器顯示出來。由于物體導(dǎo)納隨激勵信號頻率改變，在有些全面的測量要求，需要測量出物體導(dǎo) 納隨頻率改變情況的頻率特性曲線，因此，本裝置在單片機的控制下，通過改變激勵信號頻 率，實現(xiàn)頻率掃描測量，以得到物體導(dǎo)納的頻率特性曲線，在LCD液晶顯示器上顯示出來。在上述的醫(yī)用細(xì)胞膜的導(dǎo)納測量裝置中，DDS正弦信號發(fā)生器采用集成DDS芯片 AD9851構(gòu)成；I/V轉(zhuǎn)換電路由輸入限流電阻Rg、運算放大器0PA656和一組反饋電阻組成； 多通道A/D采樣器采用同步采樣芯片THS1206組成，包括兩路輸入隔離放大器、控制信號 和數(shù)據(jù)總線。下面進一步描述該醫(yī)用細(xì)胞膜的導(dǎo)納測量裝置的工作原理[0024]裝置產(chǎn)生信號階段中，由fpga中的控制程序控制ad9851產(chǎn)生用于測量的正弦信 號。fpga向ad9851芯片寫入工作控制字，使其產(chǎn)生特定頻率和幅度的正弦波，然后進入信 號調(diào)理與濾波電路得到用于測量的激勵信號。其中信號調(diào)理電路包括10倍反向放大器，芯 片為0pa656 ；濾波電路為iohz 100k的帶通濾波器，采用8階巴特沃斯濾波器實現(xiàn)，芯片 為 0p37 和 0p07。然后進行物體的導(dǎo)納測量，上訴激勵信號流過該物體，由于其導(dǎo)納的特性，在電路 中引起了信號的幅度和相位變化，這種變化用一個i/v轉(zhuǎn)換電路表現(xiàn)出來。i/v轉(zhuǎn)換電路實 際是一個反向放大電路，其中，可調(diào)檔位的固定電阻置于反向放大器的負(fù)反饋支路上，被測 物體置于反向放大器輸入端。為避免被測物體導(dǎo)納過小而影起電流過大的問題，輸入端還 串聯(lián)了一個100歐電阻限流。這樣物體的導(dǎo)納特性就體現(xiàn)在這個放大電路中輸出信號對于 輸入激勵信號的幅度和位相變化上。由于微量級導(dǎo)納測量中電流很大，因此該放大器芯片 應(yīng)能承受大電流，為0pa335。再然后裝置接受測量物體后的信號。上述i/v轉(zhuǎn)換電路后的信號需要先進入后級 的信號調(diào)理與濾波電路，經(jīng)過調(diào)理后的信號再經(jīng)a/d采樣，轉(zhuǎn)化為離散數(shù)據(jù)進入fpga，通過 單片機的控制，在fpga中進行數(shù)據(jù)的處理以得到測量結(jié)果。在a/d采樣過程中，由于要對 兩路信號進行相位區(qū)別，因此需進行同步采樣，使用同步采樣芯片ths1206。此處信號調(diào)理 電路為限幅放大電路，目的是限制信號幅度，供a/d采樣。為了實現(xiàn)自動檔位選擇和微量級 測量，需要測量動態(tài)范圍大。ιλ轉(zhuǎn)換電路知，反饋支路上的可調(diào)檔位固定電阻就決定了測 量范圍和檔位。因此，在a/d采集到信號后，判斷信號幅度，通過模擬開關(guān)選擇合適的反饋 電阻，實現(xiàn)自動檔位選擇，測量動態(tài)范圍大。最后，在單片機的控制下，fpga對采樣數(shù)據(jù)進行處理，運算，得到導(dǎo)納測量結(jié)果。根 據(jù)dft原理，對同時采樣的兩路信號就行dft變換，可得到兩路信號的相位差，同時得到各 信號幅度，再根據(jù)導(dǎo)納計算公式計算出被測導(dǎo)納，完成導(dǎo)納測量。同時，為了自動判別被測 物體是成阻性，感性還是容性，需要對dft結(jié)果進行自動判別。根據(jù)相位角的大小及符號即 可判斷出阻抗特性，從而實現(xiàn)導(dǎo)納特性的自動判斷，方便測量人員實時判別。下面根據(jù)裝置的四個工作流程進一步介紹系統(tǒng)的實施方式如圖2，正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生用于測量的激勵信號；圖中，ad9851的數(shù)據(jù)總線 data_bus和控制線w_clk和fq_ud與fpga相連，由fpga產(chǎn)生ad9851工作需要的控制信號 和數(shù)據(jù)信號；ad9851的out端與信號調(diào)理和濾波電路相連，產(chǎn)生所需要的正弦信號。首先單片機向fpga發(fā)出啟動指令，fpga中的ad9851接口程序開始工作，向 ad9851寫了相應(yīng)的頻率控制字，和工作方式控制字，本裝置中，ad9851外接25mhz晶振，內(nèi) 部工作時鐘通過倍頻技術(shù)達(dá)到150mhz，此時頻率分辨率為0. 035hz，頻率掃描的不僅要求， 提高掃描精度，有利于得到更詳盡的頻率特性曲線，反應(yīng)出物體導(dǎo)納的詳細(xì)特性。為避免高 頻干擾，將ad9851及其外圍電路采用pcb制版實現(xiàn)，調(diào)節(jié)圖中接入在引腳iout和iout輸 出端的電阻將輸出信號峰峰值穩(wěn)定在iv，作為測量物體的原激勵信號。如圖3，i/v轉(zhuǎn)換電路實際是一個反向放大器。被測端口的輸出信號與i/v轉(zhuǎn)換電 路的輸入端相連，又反向放大器工作原理可以知道|y| = |v2|/(|vi|*rf)，|νι|為正弦信 號發(fā)生器的輸出信號幅值，|v1| = 1/2v，|v2|為ι/ν轉(zhuǎn)換電路的輸出信號幅值，rf為ι/ν 轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻。所以ι/ν轉(zhuǎn)換電路的輸出信號峰峰值為2*|v2| = |y|*rf。為了提高測量精度，2*|V2|需要在IOOmV 1.5V，多通道A/D采樣器的范圍之內(nèi)。Rf的選擇決定了測量精度，因此對不同的物體要切換不同的Rf，圖中Rf與模擬開關(guān)相連，在整個裝置工 作過程中，程序預(yù)先設(shè)定一個檔位，通過采集到的數(shù)據(jù)分析，重新選擇合適的檔位再開始測 量，以此實現(xiàn)了自動檔位調(diào)整，提高測量精度。同時，在輸入端串聯(lián)一小電阻，如圖3中電阻 Rg，為了避免測量純電容物體時，I/V轉(zhuǎn)換電路容易自激震蕩的問題。此電路中運放芯片為 0PA551，因為此芯片幾乎不引起額外相移，可保證I/V轉(zhuǎn)換電路完全反應(yīng)出輸出信號與原 激勵信號間的幅度相位變化，從而供后面的多通道A/D采樣器采集。I/V轉(zhuǎn)換電路后的信號流經(jīng)多通道A/D采樣器，如圖4。I/V轉(zhuǎn)換電路的輸出端和 正弦信號發(fā)生器的輸出端與多通道A/D采樣器的兩個輸入端相連。兩路信號經(jīng)過如圖的加 法器，將輸入信號電平移到1. 5V 3. 5V，即A/D采樣芯片THS1206的采樣范圍內(nèi)。THS1206 的數(shù)據(jù)總線與FPGA相連，控制總線受FPGA中的A/D驅(qū)動程序控制，單片機發(fā)出采集指令， FPGA的A/D采樣控制程序啟動，對THS1206實現(xiàn)工作方式設(shè)定，使THS1206工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換 模式，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入其內(nèi)部集成的FIFO中，然后由FPGA提取。兩路信號將被同時轉(zhuǎn)換，以 此放入寄存器中，供微處理器1下一步數(shù)據(jù)處理。兩路高速多通道A/D采樣器同步采樣正弦信號發(fā)生器輸出信號和I/V變換電路輸 出信號，采樣率為信號頻率的128倍頻，即fs = 128*f，分別采樣N= 1024點，fs為采樣 頻率，f為信號頻率。如上所述，已采集到的兩采樣序列分別為vl [η]和ν2[η]存于FPGA 的RAM中。在單片機的控制下，分別對兩個采樣序列進行N點DFT運算，由數(shù)字角頻率w = 2 π f/fs = 231 kO/N,得k0 = fN/fs = 8，基波頻譜為DFT的第k0 = 8根譜線。序列vl [η] 的基波譜為 其中vl [η]基波頻譜的實部和虛部分別為
相角為 θ1，tanθ1 =Vilm/Vire。
同理序列ν2[η]的基波譜的實部、虛部和相角分別為 則可得導(dǎo)納角為θ = θ2-θ10設(shè)I/V變換電路的反饋電阻為Rf，則導(dǎo)納模為
則Re[Y]=|Y|cos9'Im[Y] = IYlsin0。由此將得到的導(dǎo)納角和導(dǎo)納模通過LCD液晶顯示器顯示出來，如果要得到不同頻 率下的物體導(dǎo)納特性，則通過單片機實現(xiàn)掃描測量，通過LCD液晶顯示器將該物體的頻率 特性曲線顯示出來，方便測量人員識別。
權(quán)利要求一種醫(yī)用細(xì)胞膜的導(dǎo)納測量裝置，其特征在于，包括微控制系統(tǒng)(101、102、103)、測量電路(104、105、107)、探測端口(106)，其中微控制系統(tǒng)(101、102、103)包括單片機(101)、FPGA芯片(102)、LCD液晶顯示器(103)，測量電路(104、105、107)包括DDS正弦信號發(fā)生器(104)、多通道A/D采樣器(105)、I/V轉(zhuǎn)換電路(107)；單片機(101)、FPGA芯片(102)、DDS正弦信號發(fā)生器(104)依次電連接，DDS正弦信號發(fā)生器(104)分兩路輸出，一路連接探測端口，一路連接多通道A/D采樣器；探測端口(106)與I/V轉(zhuǎn)換電路(107)電連接，I/V轉(zhuǎn)換電路連接多通道A/D采樣器，多通道A/D采樣器(105)連接至FPGA芯片；LCD液晶顯示器(103)連接至FPGA芯片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用細(xì)胞膜的導(dǎo)納測量裝置，其特征在于 所述DDS正弦信號發(fā)生器(104)采用集成DDS芯片AD9851構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的醫(yī)用細(xì)胞膜的導(dǎo)納測量裝置，其特征在于所述I/V轉(zhuǎn)換電路(107)由輸入限流電阻Rg、運算放大器OPA656和一組反饋電阻組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的醫(yī)用細(xì)胞膜的導(dǎo)納測量裝置，其特征在于所述多通道A/D采樣器(105)采用同步采樣芯片THS1206組成，包括兩路輸入隔離放 大器、控制信號和數(shù)據(jù)總線。
專利摘要本實用新型涉及導(dǎo)納測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種細(xì)胞膜的導(dǎo)納測量裝置。本實用新型包括微控制系統(tǒng)、測量電路、探測端口，其中微控制系統(tǒng)包括單片機、FPGA芯片、LCD液晶顯示器，測量電路包括DDS正弦信號發(fā)生器、多通道A/D采樣器、I/V轉(zhuǎn)換電路；單片機、FPGA芯片、DDS正弦信號發(fā)生器依次電連接，DDS正弦信號發(fā)生器分兩路輸出，一路連接探測端口，一路連接多通道A/D采樣器；探測端口與I/V轉(zhuǎn)換電路電連接，I/V轉(zhuǎn)換電路連接多通道A/D采樣器，多通道A/D采樣器連接至FPGA芯片；LCD液晶顯示器連接至FPGA芯片。本實用新型克服了膜導(dǎo)納微量級測量及高頻測量的難題，采用DFT分析技術(shù)，和高速FPGA運算能力，實現(xiàn)了快速，高效，高精度測量，提高了醫(yī)藥分析人員測量細(xì)胞膜導(dǎo)納的工作效率。
文檔編號G01N27/02GK201611340SQ20102012958
公開日2010年10月20日 申請日期2010年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月9日
發(fā)明者劉思勤, 胥鳴, 解娜, 陳小橋, 陳浩 申請人:武漢大學(xué)