CN101496720B - 基于usb的生物阻抗分析仪 - Google Patents
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Abstract
基于USB的生物阻抗分析仪，包括上位机和下位机，上位机与下位机通过USB通信连接，上位机为PC，下位机包括主控制器LPC2148、阻抗分析芯片AD5933、存储器和电源，阻抗分析芯片AD5933通过四电极法模拟前端并使用芯片内DSP计算出人体的特性阻抗，主控制器通LPC2148过I2C接口获得特性阻抗数据，所述数据再经USB通信传送至上位机PC作显示和分析，最终完成对人体阻抗模值和相位的扫频测量。本发明采用四电极法模拟前端，以LPC2148微控制器控制AD公司芯片AD5933进行人体阻抗信息的多频点测量和采集，并通过USB2.0接口送达PC机控制系统，以应用于人体成分分析，是一个小型化、低成本、高性能的数字式医疗仪器。
Description
技术领域
本发明属于医疗电子仪器技术领域，具体为一种基于USB的生物阻抗分析仪。
背景技术
生物电阻抗(Bioimpedance)技术，亦称医学电阻抗(Medical Electrical Impedance)技术，或简称为阻抗(Impedance)技术，是利用生物组织与器官的特性(阻抗、导纳、介电常数等)及其变化提取人体生理、病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术。其通过安置在体表的电极向检测对象送入微弱的交流电，检测相应的电阻变化情况，然后根据不同的应用目的，获得相关的生理和病理信息进行疾病诊断、人体成份分析或阻抗断层成像等。
对于医学电阻抗的研究最早始于19世纪末20世纪初，这种技术或方法，具有无创、廉价、安全、无毒无害、操作简单和信息丰富等特点，医生和病人易于接受。
生物阻抗分析仪测量时对人体没有任何伤害和副作用，是人体医学发展的一个方向之一。生物阻抗分析仪的机理在于：生物组织对外加电流场具有不同导电作用，当在人体表面加一固定频率的低电平电流时，含水70％以上的肌肉组织是良好导体，而含水较少的脂肪组织近似为绝缘体，因此通过测出阻抗值可用于计算出身体成份及其它人体信息。
目前已出现多种生物阻抗分析仪器，可分为两类，第一类如韩国百斯公司InBody系列人体成分分析仪，可进行多频点阻抗测量(一般为五个频点)，自带大屏幕液晶显示器，人机交互方便，但成本昂贵(市场售价人民币10万以上)，体积庞大，不利于便携，使用烦琐，设计复杂，难以在家庭保健方面得到普及；第二类体积较小，但功能较差，一般只在50KHz频点处测量阻抗信息，不能进行多频点阻抗测量，而且分析功能弱，人机交互不方便。
本发明设计了一种高性能小型生物阻抗分析仪，可以进行多频点阻抗扫频测量，测量频点可由软件设定，数量不限。并使用PC机进行阻抗信息分析和人机交互，显示效果更好而成本低廉。阻抗分析仪与PC机间通过USB接口通信，将人体阻抗信息传递至PC，供PC端做人体成分分析，阻抗分析仪也是通过USB总线供电，体积小，性能高，即插即用，成本低廉。
发明内容
本发明要解决的问题是：目前市场上的生物阻抗分析仪器成本昂贵，使用烦琐，设计复杂，难以在家庭保健方面得到普及，需要提供一种新的高性能小型生物阻抗分析仪，集成度高，成本较低，使用方便，安全可靠。
本发明的技术方案为：基于USB的生物阻抗分析仪，包括上位机和下位机，上位机与下位机通过USB通信连接，上位机为PC，下位机包括主控制器LPC2148、阻抗分析芯片AD5933和存储器，主控制器LPC2148经I2C连接阻抗分析芯片AD5933和存储器；阻抗分析芯片AD5933外接八个测量电极，其中四个电流电极，四个电压电极，基于四电极法原理进行阻抗信息测量，并使用片内DSP计算人体的特性阻抗，主控制器LPC2148通过I2C接口获得特性阻抗数据，所述数据再经USB通信传送至上位机PC作显示和分析，完成对人体阻抗模值和相位的多频点扫频测量。
本发明通过USB总线供电，即插即用，使用方便，成本低廉；还设有电源隔离和I2C信号隔离，下位机主控制器LPC2148和阻抗分析芯片AD5933的测量电极之间设有电源隔离和I2C信号隔离，电源隔离采用DC/DC电源隔离模块，I2C信号的隔离采用ADUM2251，总隔离电压达到4000V以上，电源隔离采用DC/DC电源隔离模块，I2C信号的隔离采用ADUM2251，总隔离电压4000V，满足医疗器械生物安全性的要求。本发明主控制器LPC2148还连接PCA9535芯片，控制选取测量所需要的测量电极时，主控制器LPC2148由I2C总线发出控制信号，PCA9535芯片将I2C信号转为I/O信号，发送给阻抗分析芯片AD5933，即下位机的主控制器LPC2148在切换模拟开关进行分段阻抗测量时，需要的控制信号不是通过LPC2148自身的IO总线给出，而是通过I2C总线给出，并使用PCA9535芯片，将I2C信号转为I/O信号，作为控制信号控制选取测量所需要的前端电极，从而可以保证主控制器与阻抗测量模拟前端之间只需要进行I2C总线信号的隔离，降低成本，提高安全性；存储器为E2PROM，存储AD5933的增益因子信息，用以对多频点阻抗测量过程的标定；本发明还设有改进的Holland电路，进行压流转换，其中改进的Holland电路的连接输出端的放大器接-5V电源，从而基于AD5933进行四电极法测量，测量精度高于AD5933常规应用中的二电极法。
本发明采用了上下位机的设计方法，整个系统全部由上位机PC通过USB发送相应命令来控制，通过PC应用程序将扫查频率起点、终点和步长设置好，通过USB接口发送到下位机，下位机解析相应的协议后，转换成对AD5933的控制指令，配置AD5933完成相应的操作，下位机则使用了ARM7内核的LPC2148芯片作为主控制器，经I2C总线控制AD5933芯片，AD5933芯片通过四电极法模拟前端并使用片内DSP计算出人体的特性阻抗，主控制器通过I2C接口将其取回，数据经USB接口传送至上位机PC作显示和分析，最终完成对人体阻抗模值和相位的扫频测量。同时在人体和PC之间采用了安全隔离措施，保证了测试人体的安全。本发明中为了方便校准测量，使用了I2C总线接口的E2PROM存储主控制器所获得的参数，另外利用PCA9535芯片将I2C信号转为I/O信号，作为控制位控制选取测量所需要的前端电极，这样就可以同时测量人体多个区间段的阻抗信息。
本发明阻抗分析仪采用使用了高集成度的阻抗分析芯片AD5933，并使用改进Holland电路，进行压流转换，从而可以使用四电极法进行阻抗测量，测量精度高于AD5933常规应用中的二电极法。集成阻抗分析芯片的和其相关调理电路的应用不仅使设备的成本得到了有效控制，而且在测试结果的精度上有良好的表现。USB接口的采用使得本发明具有总线供电，即插即用，体积小，容易便携等优点，PCA9535芯片的设置可以同时测量人体多个区间段的阻抗信息，另外使用了隔离技术也保证测试人体的安全。在小型化生物阻抗分析仪器的设计上提供了一个新的思路和较好的构建框架。
附图说明
图1是本发明硬件原理框图。
图2是本发明下位机的四电极法模拟前端的采集信号原理图。
图3是改进的Holland电路。
图4是本发明的软件系统原理图。
图5是本发明上位机对人体阻抗测量的结果显示。
具体实施方式
本发明的生物阻抗分析仪如图1所示，包括上位机和下位机，上位机与下位机通过USB通信连接，上位机为PC，下位机包括主控制器LPC2148、阻抗分析芯片AD5933、存储器和电源，主控制器LPC2148经I2C连接阻抗分析芯片AD5933和存储器；阻抗分析芯片AD5933通过四电极法模拟前端并使用芯片内DSP计算出人体的特性阻抗，主控制器通LPC2148过I2C接口获得特性阻抗数据，所述数据再经USB通信传送至上位机PC作显示和分析，最终完成对人体阻抗模值和相位的扫频测量。目前的USB通信主要使用USB2.0接口，本发明采用LPC2148片上集成的USB2.0控制器来完成USB通信；为保证被测生物体与PC机电压隔开，采用隔离技术，包括电源隔离和I2C信号的隔离两个部分。I2C信号的隔离采用ADUM2251，该芯片提供了一个双向通道和一个单向通道来实现I2C接口的隔离，具有很强的隔离和保护性能，额定的隔离电压为4000V，并可以持续1分钟时间。电源隔离采用DC/DC电源隔离模块，该模块内置EMI滤波单元，输入过压、过流及输出短路、过载保护电路。
本发明测量前端电极采用了四电极法，即采用一对激励电极提供激励电流，以及一对电极测量人体上的电压降，如图2所示。激励电极采用了压流转换设计，通过改进的Holland电路将AD5933所发出的激励电压信号转换为交流恒流信号，如图3所示，与原Holland电路中R7下端接地不同，本设计中将其改为接5V，可在压流转换的同时将电平抬升至2.5V，转换后的多频率恒流经过人体，测量电极所测得的在人体上产生的电压通过高输入阻抗和高共模抑制比的差分放大器，送至后端作AD转换处理和阻抗特性计算。
本发明上下位机的控制包括下位机软件设计和上位机软件设计两个部分，如图4所示。下位机固件程序主要实现主控制器经I2C控制AD5933，E2PROM的存储，以及PCA9535的控制，通过USB与上位机通信，以及总的协调控制；上位机软件包含主机端的设备驱动程序和主机端应用程序，设备驱动程序为WDM模型的USB设备驱动，完成应用程序和操作系统底层的交互；主机端应用程序提供了一个人机交互的界面，用于客户控制系统硬件设备，读取下位机的各种测量结果并进行分析计算，然后以图形化的方式予以表现，主要包括USB设备接口、界面控制、校准处理、数据分析、数据存储几个功能模块。
图5是本发明对人体阻抗测量的结果显示，测量结果包含了两个测量结果，上面的曲线代表了人体阻抗模值随频率变化的情况，下面的曲线代表了人体阻抗相位随频率变化的情况，实验中频率变化的范围取为5KHz-100KHz，步进频率设为在1KHz。
Claims (9)
1.基于USB的生物阻抗分析仪，其特征是包括上位机和下位机，上位机与下位机通过USB通信连接，上位机为PC，下位机包括主控制器LPC2148、阻抗分析芯片AD5933和存储器，主控制器LPC2148经I2C连接阻抗分析芯片AD5933和存储器，阻抗分析芯片AD5933外接八个电极，其中四个电流电极，四个电压电极，基于四电极法原理进行阻抗信息测量，并使用片内DSP计算人体的特性阻抗，主控制器LPC2148通过I2C接口获得特性阻抗数据，所述数据再经USB通信传送至上位机PC作显示和分析，完成对人体阻抗模值和相位的多频点扫频测量。
2.根据权利要求1所述的基于USB的生物阻抗分析仪，其特征是生物阻抗分析仪通过USB总线供电，即插即用。
3.根据权利要求1或2所述的基于USB的生物阻抗分析仪，其特征是下位机主控制器LPC2148和阻抗分析芯片AD5933之间设有电源隔离和I2C信号隔离，电源隔离采用DC/DC电源隔离模块，I2C信号的隔离采用ADUM2251，总隔离电压达到4000V以上。
4.根据权利要求1或2所述的基于USB的生物阻抗分析仪，其特征是主控制器LPC2148还连接PCA9535芯片，控制选取测量所需要的测量电极时，主控制器LPC2148由I2C总线发出控制信号，PCA9535芯片将I2C信号转为I/O信号，发送给阻抗分析芯片AD5933。
5.根据权利要求1或2所述的基于USB的生物阻抗分析仪，其特征是存储器为E2PROM存储器，存储阻抗分析芯片AD5933的增益因子信息，用以对多频点阻抗测量过程的标定。
6.根据权利要求1或2所述的基于USB的生物阻抗分析仪，其特征是设有改进的Holland电路，所述改进为：Holland电路中放大器的正端接一5V电源，提升输出电压至2.5V，放大器与负载之间还设有一匹配运算放大器U1B，通过匹配运算放大器U1B的反相端再连接负载，同时将匹配运算放大器U1B的同相端偏置为2.5V；所述改进的Holland电路将阻抗分析芯片AD5933所发出的激励电压信号转换为交流恒流信号。
7.根据权利要求3所述的基于USB的生物阻抗分析仪，其特征是设有改进的Holland电路，所述改进为：Holland电路中放大器的正端接一5V电源，提升输出电压至2.5V，放大器与负载之间还设有一匹配运算放大器U1B，通过匹配运算放大器U1B的反相端再连接负载，同时将匹配运算放大器U1B的同相端偏置为2.5V；所述改进的Holland电路将阻抗分析芯片AD5933所发出的激励电压信号转换为交流恒流信号。
8.根据权利要求4所述的基于USB的生物阻抗分析仪，其特征是设有改进的Holland电路，所述改进为：Holland电路中放大器的正端接一5V电源，提升输出电压至2.5V，放大器与负载之间还设有一匹配运算放大器U1B，通过匹配运算放大器U1B的反相端再连接负载，同时将匹配运算放大器U1B的同相端偏置为2.5V；所述改进的Holland电路将阻抗分析芯片AD5933所发出的激励电压信号转换为交流恒流信号。
9.根据权利要求5所述的基于USB的生物阻抗分析仪，其特征是设有改进的Holland电路，所述改进为：Holland电路中放大器的正端接一5V电源，提升输出电压至2.5V，放大器与负载之间还设有一匹配运算放大器U1B，通过匹配运算放大器U1B的反相端再连接负载，同时将匹配运算放大器U1B的同相端偏置为2.5V；所述改进的Holland电路将阻抗分析芯片AD5933所发出的激励电压信号转换为交流恒流信号。
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