CN109394214B - 一种基于隔离激励电流锁相法的生物阻抗测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于隔离激励电流锁相法的生物阻抗测量装置，用以对人体或其它生物组织结构的电阻抗进行测量，包括：隔离激励部件，用于产生谐振电压信号，作为测量过程的激励源信号；信号调整与数字化部件，激励源信号经过人体或其他生物组织后产生携带生物电阻抗信息的测量电信号，测量电信号通过信号调整与数字化部件实现测量电信号的滤波处理和信号数字化处理；信号处理与控制部件，用于计算获得被测人体或其他生物组织的阻抗和对应相位角在激励源信号频率的测量结果，获得被测人体或其他生物组织的阻抗‑频率关系和对应相位角‑频率的关系；本发明采用交流激励源和对比测量方法，消除接触电动势和馈线电动势等测量误差。

Description

一种基于隔离激励电流锁相法的生物阻抗测量装置和方法
技术领域
本发明属于生物电阻抗测量技术领域，具体涉及一种基于隔离激励电流锁相法的生物阻抗测量装置和方法。
背景技术
微小电阻的开尔文四线测量法，也简称四线法，用一对导线接电流源，另一对线(感知线)把被测样品上的电压降引入数字万用表进行测量。由于流过感知线的电流很小，所以测量的电阻值更接近真实值。相对于不分开测量样品的电流和电压值的传统两线测量方法，四线法没有电桥，电压和电流测量回路独立，减少了电流测量的误差，精度较高。
四端子测试时电流供给回路与电压测定回路是个别独立的，由于电压测定计内部阻抗非常高，故电压测定回路中排线阻抗、接触阻抗、内部阻抗皆可忽略，因此可精确测得被测电阻之微小阻值。该测量原理的误差主要来自于恒流源的精度、电压的测量精度、引线的固有热电势。
锁相放大技术是进行微弱信号检测的有效技术，微弱信号常淹没在各种噪声中，锁相放大技术可以将微弱信号从噪声中提取出来并对其进行准确测量。锁相放大技术是基于相干方法的微弱信号检测手段，其核心是相敏检测技术，利用与待测信号有相同频率和固定相位关系的参考信号作为基准，滤掉与其频率不同的噪声，从而提取出有用信号成分。因而广泛应用于光学测量、超声测量、弱磁测量等领域。
目前市场上大部分的生物电阻抗检测仪器，大多是用小幅值、恒流源作为检测激励信号，测量仪器多以电压计为测量手段，实际的测量效果准确性不理想。加之测量系统存在着接触电动势和馈线电动势的误差，会对测量结果造成很大影响，甚至使得测量结果完全失去正确性。由于人体或其它生物组织的电阻抗较小，对于测量系统而言，其输出阻抗较小，这对于测量系统的测量稳定度要求较高。此外，出于生物特性和人体保护的因素，系统还需要限制电路中电流的有效值，以免因电流过大而对待测生物组织造成伤害，导致测量结果不稳定、精度低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种基于隔离激励电流锁相法的生物阻抗测量装置和方法，解决了现有技术中存在的测量结果精度低的技术问题。
为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：
一种基于隔离激励电流锁相法的生物阻抗测量装置，用以对人体或其它生物组织结构的电阻抗进行测量，包括：
隔离激励部件，用于产生谐振电压信号，作为测量过程的激励源信号；
信号调整与数字化部件，所述激励源信号经过人体或其他生物组织后产生携带生物电阻抗信息的测量电信号，所述测量电信号通过所述信号调整与数字化部件实现测量电信号的滤波处理和信号数字化处理；
信号处理与控制部件，用于计算获得被测人体或其他生物组织的阻抗和对应相位角在激励源信号频率的测量结果，获得被测人体或其他生物组织的阻抗-频率关系和对应相位角-频率的关系。
更优地，所述隔离激励部件包括数模转换器、信号驱动器、第一隔离放大器、可控交流电流源、四线测量装置、第二隔离放大器、模拟信号调整模块，所述数模转换器、所述信号驱动器、所述第一隔离放大器、所述可控交流电流源、所述四线测量装置、所述第二隔离放大器、所述模拟信号调整模块依次通过电连接；所述第一隔离放大器、所述第二隔离放大器均与所述信号调整与数字化部件、所述信号处理与控制部件信号相互隔离。
更优地，所述模拟信号调整模块包括噪声前置放大器和抗混叠滤波器，所述噪声前置放大器用于减少输入的电压噪声，所述抗混叠滤波器对噪声前置放大器的电压信号进行数字化处理。
更优地，所述信号调整与数字化部件包括模数转换器，所述模数转换器对所述激励源信号进行信号的滤波处理和信号数字化处理。
更优地，所述信号处理与控制部件包括数字处理器，所述数字处理器对激励源信号进行频率测量、相敏检测、相位锁定和数据计算。
更优地，所述数字处理器包括数控振荡器、环路滤波器；所述数控振荡器产生谐振信号，所述谐振信号通过所述环路滤波器、所述数模转换器后产生第一谐振电压信号。
一种基于隔离激励电流锁相法的生物阻抗测量装置进行的方法，其特征在于，包括：
S1：数字处理器中的数控振荡器产生谐振信号，通过数字处理器中的环路滤波器、数模转换器后产生第一谐振电压信号，同时产生两路同频率同相位的正交正余弦谐振信号作为参考信号，分别是第一参考信号和第二参考信号；
S2：所述第一谐振电压信号经过第一隔离放大器产生隔离后的谐振电压信号，隔离后的所述谐振电压信号经过可控交流电流源，产生交流激励电流信号；
S3：所述交流激励电流信号通过四线测量连接装置，经过人体或其它生物组织后，产生携带生物电阻抗信息的第一测量电信号；
S4：携带生物电阻抗信息的所述第一测量电信号通过第二隔离放大器、模拟信号调整模块、模数转换器产生经过数字化的第一待测信号，并将所述第一待测信号放入数字处理器内存储数据。
更优地，所述S4之后还包括：
S5：通过数字处理器中的数据处理与控制模块改变四线测量装置中的内置开关使被测人体或其它生物组织不接入电路，重复步骤S2-S4，产生无生物电阻抗信息的第二测量电信号；
S6：携带生物电阻抗信息的第二测量电信号，并将所述第二测量电信号放入数字处理器内存储数据。
更优地，所述步骤S6后还包括：
S7：数字化的所述第一待测信号和所述第二待测信号与所述第一参考信号、所述第二参考信号均进入所述数字处理器，经过相敏检测、相位锁定、数据计算，计算获得在交流激励电流信号频率下被测人体或其它生物组织的电阻抗和对应相位角的测量结果。
S8：多次改变所述第一谐振电压信号的信号频率，重复步骤S1-S6，获得被测人体或其它生物组织的阻抗-频率关系和对应相位角-频率关系。
本发明的有益效果是：
本发明采用交流激励源和对比测量方法，消除接触电动势和馈线电动势等测量误差；测量电路与主控装置设计为信号隔离，测试信号为信号隔离的交流信号，工作电流小，并且通过串联保护电阻，减少仪器对人体或其它生物组织的影响；测量时间短，可进行快速检测和观察；测量电路测量范围大，精度高，利于使用；测量电流为交流信号，电流小，对人体或其它生物组织的影响小，同时测量时间短，对人体无任何不适作用，可进行长期检测和观察测量检测人体或其它生物组织电阻抗，重复测量的一致性高；测量电路与激励电路存在电器隔离，使得测量准确性更高，同时可以达到保护生物组织的作用。
附图说明
图1为本发明的基于隔离激励电流锁相法的生物电阻抗测量装置的示意图；
图2为本发明的基于隔离激励电流锁相法的生物电阻抗测量装置的数字处理器示意图；
图3为本发明的基于隔离激励电流锁相法的生物电阻抗测量装置的四线测量装置电路逻辑图；
图4为本发明的基于隔离激励电流锁相法的生物电阻抗测量装置的涉及人体电阻抗测量连接装置四线连接的示意图。
其中：
101-数字处理器、102-数模转换器、103-信号驱动器、104-第一隔离放大器、105-可控交流电流源、106-四线测量装置、107-第二隔离放大器、108-模拟信号调整模块、109-模数转换器、201-噪声前置放大器、202-抗混叠滤波器、203-第一相敏检测器、204-第一滤波器、205-第二相敏检测器、206-第二滤波器、207-数据处理与控制模块、210-高速鉴相器、211-数控振荡器、212-环路滤波器、301-内置开关、302-保护电阻。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-3所示，本发明提供一种基于隔离激励电流锁相法的生物阻抗测量装置，用以对人体或其它生物组织结构的电阻抗进行测量，包括：隔离激励部件，用于产生谐振电压信号，作为测量过程的激励源信号；信号调整与数字化部件，所述激励源信号经过人体或其他生物组织后产生携带生物电阻抗信息的测量电信号，所述测量电信号通过所述信号调整与数字化部件实现测量电信号的滤波处理和信号数字化处理；信号处理与控制部件，用于计算获得被测人体或其他生物组织的阻抗和对应相位角在激励源信号频率的测量结果，获得被测人体或其他生物组织的阻抗-频率关系和对应相位角-频率的关系。
隔离激励部件产生两路与所述激励源信号同频率同相位的正交正余弦谐振信号作为数据处理的参考信号，分别为第一参考信号和第二参考信号。
隔离激励部件包括数模转换器102、信号驱动器103、第一隔离放大器104、可控交流电流源105、四线测量装置106、第二隔离放大器107、模拟信号调整模块108，所述数模转换器102、所述信号驱动器103、所述第一隔离放大器104、所述可控交流电流源105、所述四线测量装置106、所述第二隔离放大器104、所述模拟信号调整模块108依次通过电连接；所述第一隔离放大器104、所述第二隔离放大器107均与所述信号调整与数字化部件、所述信号处理与控制部件信号相互隔离。
可控交流电流源105可以根据数字处理器中的数据处理与控制模块设置改变电压-电流转化因子的大小。
如图4所示，四线测量装置106中的保护电阻可以根据数字处理器101中的数据处理与控制模块207控制内置开关301切换，以实现对有无人体或其它生物组织的对比测量。保护电阻保证通过人体或其它生物组织电流不会过大同时又不影响测量精度，可以是阻值分立可选的10-100Ω，阻值精度为0.1-0.5‰的金属箔电阻。
模拟信号调整模块108包括噪声前置放大器201和抗混叠滤波器202，所述噪声前置放大器201用于减少输入的电压噪声，所述抗混叠滤波器202对噪声前置放大器201的电压信号进行数字化处理。
信号调整与数字化部件包括模数转换器109，所述模数转换器109对所述激励源信号进行信号的滤波处理和信号数字化处理。
信号处理与控制部件包括数字处理器101，所述数字处理器101对激励源信号进行频率测量、相敏检测、相位锁定和数据计算。
数字处理器101集成逻辑门的现场可编辑逻辑门阵列和双核先进精简指令集处理器，核心计算速度高达1GHz，片上内存256KB，片上随机存储达到26.5MB，拥有大量可编程数字信号处理模块。
数字处理器101包括第一相敏检测器203、第一滤波器204、第二相敏检测器205、第二滤波器206、数据处理与控制模块207、高速鉴相器210、数控振荡器211、环路滤波器212。
第一相敏检测器203、第二相敏检测器205均利用与待测信号有相同频率和固定相位关系的交流激励电流信号作为相位参考基准信号，基本模块包含一个将输入信号与参考基准信号相乘的乘法模块。分别与第一相敏检测器203、第二相敏检测器205对应的第一滤波器204、第二滤波器206用于滤掉与其频率不同的噪声，提取待测频率信号成分。数字处理器101内使用两路参考基准信号相位相互正交的相敏检测，完成对测量电信号的高信噪比测量。
高速鉴相器210、数控振荡器211、环路滤波器212，构成数字高速锁相环，用于对数据处理与控制模块207的信号进行，产生高频率准确度和高相位精度的谐振数字信号，通过数模转换器102最终产生谐振电压信号，同时该数字高速锁相环产生两路同频率同相位的正交正余弦谐振信号作为参考信号。
一种基于隔离激励电流锁相法的生物阻抗测量方法，包括：
S1：数字处理器101中的数控振荡器产生谐振信号，通过数字处理器101中的环路滤波器、数模转换器102后产生第一谐振电压信号，同时产生两路同频率同相位的正交正余弦谐振信号作为参考信号，分别是第一参考信号和第二参考信号；
S2：所述第一谐振电压信号经过第一隔离放大器104产生隔离后的谐振电压信号，隔离后的所述谐振电压信号经过可控交流电流源105，产生交流激励电流信号；
S3：所述交流激励电流信号通过四线测量连接装置106，经过人体或其它生物组织后，产生携带生物电阻抗信息的第一测量电信号；
S4：携带生物电阻抗信息的所述第一测量电信号通过第二隔离放大器107、模拟信号调整模块108、模数转换器109产生经过数字化的第一待测信号，并将所述第一待测信号放入数字处理器101内存储数据。
所述S4之后还包括：
S5：通过数字处理器101中的数据处理与控制模块207改变四线测量装置106中的内置开关301使被测人体或其它生物组织不接入电路，重复步骤S2-S4，产生无生物电阻抗信息的第二测量电信号；
S6：携带生物电阻抗信息的第二测量电信号，并将所述第二测量电信号放入数字处理器101内存储数据。
所述步骤S6后还包括：
S7：数字化的所述第一待测信号和所述第二待测信号与所述第一参考信号、所述第二参考信号均进入所述数字处理器101，经过相敏检测、相位锁定、数据计算，计算获得在交流激励电流信号频率下被测人体或其它生物组织的电阻抗和对应相位角的测量结果。
S8：多次改变所述第一谐振电压信号的信号频率，重复步骤S1-S6，获得被测人体或其它生物组织的阻抗-频率关系和对应相位角-频率关系。
通过硬件语言在FPGA内部构造对应模块功能，经过数字处理器101中的数控振荡器211产生谐振信号，同时产生两路同频率同相位的、相互正交的正余弦谐振信号作为参考信号，分别为第一参考信号Srs与第二参考信号Src，通过数字处理器101中的环路滤波器212、数模转换器102后产生第一谐振电压信号Sout。
数字处理器101集成277400个逻辑门的现场可编辑逻辑门阵列(FieldProgrammable Gate Array,FPGA)和双核先进精简指令集处理器(Advanced RISCMachine,ARM)Cortex-A9，核心计算速度到高近1GHz，片上内存256KB，片上随机存储达到26.5MB，拥有2020个18位╳25可编程数字信号处理模块(Digital Signal Processing,DSP)。可选地，采用赛灵思公司(Xilinx)的SoC中的Zynq-7000系列产品XC7Z020或同系列产品作为核心处理芯片。
数字处理器101包括数控振荡器211、环路滤波器212；所述数控振荡器211产生谐振信号，所述谐振信号通过所述环路滤波器212、所述数模转换器102后产生第一谐振电压信号。第一谐振电压信号可以通过不同的环路滤波器212的设置，使其波形为幅度与频率可调的方波、正弦波、三角波中的一种，信号频率工作范围可以根据实际情况采用不用的频率范围，例如：102-1.02kHZ。
下面以正弦信号为激励信号介绍激励电流锁相法检测方法：
记谐振信号的频率为f0，对应的角频率为ω0＝2πf0，第一谐振电压信号Sout＝Asinω0t，第一参考信号Srs＝Asinω0t，第二参考信号Src＝Acosω0t。第一谐振电压信号Sout经过第一隔离放大器104产生隔离后的谐振电压信号
Figure BDA0001872293270000071
其中
Figure BDA0001872293270000072
是通过上述模块后的产生的相位差。
第一隔离放大器104与信号调整与数字化部件、信号处理与控制部件是信号隔离的。
经过第一隔离放大器104隔离后的谐振电压信号经过可控交流电流源105，产生交流激励电流信号I0,即交流激励信号
Figure BDA0001872293270000073
其中电压-电流转化因子为α，交流激励电流信号I0幅度为AI，即AI＝αA。可控交流电流源105可以根据隔离后的谐振电压信号精确产生交流激励信号。
交流激励电流信号I0幅度为AI，最大不超过100mA。电压-电流转化因子α的大小可以通过数字处理器101中的数据处理与控制模块207设置改变，可选地，电压-电流转化因子α的数值可以设置为256级可调，以满足激励电流的安全性。
交流激励电流信号I0通过设计的四线测量连接装置106，经过人体或其它生物组织后，产生携带生物电阻抗信息的第一测量电信号U1。其中，为四线测量连接装置106中的保护电阻302，保证通过人体或其它生物组织电流不会过大同时又不影响测量精度。所述保护电阻302，可以是阻值分立可选的，阻值精度为0.1-0.5R的金属箔电阻。
携带生物电阻抗信息的第一测量电信号通过第二隔离放大器107、模拟信号调整模块108、模数转换器109，产生经过数字化的第一待测信号S1，并将其放入数字处理器101的内置存储器存储相关数据。
模拟信号调整模块108包括噪声前置放大器201、抗混叠滤波器202。噪声前置放大器201，由低噪声仪表放大器组成，用来减少输入信号前置放大器的电压噪声，提高信号的共模抑制比和信噪比。抗混叠滤波器202由五阶有源低通滤波器组成，滤除信号的高频噪声，并将滤波后的电信号输入到模数转换器109进行数字化处理，提高信噪比。
交流激励电流信号I0通过设计的四线测量连接装置106，产生没有生物电阻抗信息的对比第二测量电信号U2。四线测量装置106中的保护电阻302可以根据数字处理器101中的数据处理与控制模块207控制四线测量连接装置106内置的内置开关301切换是否使之接入电路，以实现对有无人体或其它生物组织的对比测量。
携带生物电阻抗信息的对比第二测量电信号通过模拟信号调整模块108、模数转换器109，产生经过数字化的第二待测信号S2，并将其放入数字处理器101的内置存储器存储相关数据。
将经过数字化的第一待测信号S1和第二待测信号S2，与数字处理器101、数模转换器102产生的参考信号Sref共同进入数字处理器101，经过频率测量、相敏检测、相位锁定、数据计算，计算获得被测人体或其它生物组织的阻抗Zx和对应相位角θ在激励信号频率f0的测量结果。
如图2所示，进一步说明具体的处理和计算如下：
数字处理器101检测过程中，输入被测信号有两路，分别是数字化的第一待测信号
Figure BDA0001872293270000081
和第二待测信号
Figure BDA0001872293270000082
其中，Zx为待测生物电阻抗信息；R为四线测量连接装置106中对比连接保护电阻302阻值；Z1为第一待测信号的幅值，具体为Z1＝(R+Zx)AI，Z2为第二待测信号的幅值，具体为Z2＝RAII，N1(ω)、N2(ω)均为噪声信号，其频谱是功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。
选取第一待测信号为例，说明信号检测过程计算。第一待测信号S1分别与第一参考信号Srs与第二参考信号Src相乘，得到：
Figure BDA0001872293270000083
Figure BDA0001872293270000084
Figure BDA0001872293270000085
Figure BDA0001872293270000086
将相乘后得到的信号经过低通滤波器201，滤除其它频率成分，保留包含待测信号幅度和相位相关的直流成分，得到输出端的信号为：
Figure BDA0001872293270000087
正交分量输出端的信号为：
Figure BDA0001872293270000091
将这两个信号输出到数据处理与控制模块207中，通过三角函数平方和、反三角函数的计算即可准确计算得到：
第一待测信号S1的幅值Z1，具体为
Figure BDA0001872293270000092
和第一待测信号与参考信号的相位差
Figure BDA0001872293270000093
具体为：
Figure BDA0001872293270000094
同理，可以获得第二待测信号S2的幅值Z2，具体为
Figure BDA0001872293270000095
和第二待测信号与参考信号的相位差
Figure BDA0001872293270000096
具体为：
Figure BDA0001872293270000097
上述步骤完成两待测信号的信号检测，下一步进行被测阻抗Zx和对应相位角θ:
Figure BDA0001872293270000098
Figure BDA0001872293270000099
可以多次改变数字处理器101中的数控振荡器211产生低频谐振电压信号的信号频率f0，重复上述步骤，获得被测人体或其它生物组织的阻抗-频率关系Zx(f)和对应相位角-频率关系θ(f)。
示例性地，上述检测方法介绍的是以正弦信号激励信号的检测方法，进一步地，可以根据实际应用条件改变激励信号的波形，对激励信号作一定的调制，扩展其应用范围。例如，将激励信号改为占空比可调的方波信号，则根据方波傅里叶展开会出现信号频率的奇数倍的频率信号，可以获得相应倍数频率的信号，以扩展其测量范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种基于隔离激励电流锁相法的生物阻抗测量方法，其特征在于，包括：
S1：数字处理器中的数控振荡器产生谐振信号，通过数字处理器中的环路滤波器、数模转换器后产生第一谐振电压信号，同时产生两路同频率同相位的正交正余弦谐振信号作为参考信号，分别是第一参考信号和第二参考信号；
S2：所述第一谐振电压信号经过第一隔离放大器产生隔离后的谐振电压信号，隔离后的所述谐振电压信号经过可控交流电流源，产生交流激励电流信号；
S3：所述交流激励电流信号通过四线测量连接装置，经过人体或其它生物组织后，产生携带生物电阻抗信息的第一测量电信号；
S4：携带生物电阻抗信息的所述第一测量电信号通过第二隔离放大器、模拟信号调整模块、模数转换器产生经过数字化的第一待测信号，并将所述第一待测信号放入数字处理器内存储数据；所述S4之后还包括：
S5：通过数字处理器中的数据处理与控制模块改变四线测量装置中的内置开关使被测人体或其它生物组织不接入电路，重复步骤S2-S4，产生无生物电阻抗信息的第二测量电信号；
S6：无携带生物电阻抗的第二测量电信号，通过第二隔离放大器、模拟信号调整模块、模数转换器产生经过数字化的第二待测信号，并将所述第二测量电信号放入数字处理器内存储数据；步骤S6后还包括：
S7：数字化的所述第一待测信号和所述第二待测信号与所述第一参考信号、所述第二参考信号均进入所述数字处理器，经过相敏检测、相位锁定、数据计算，计算获得在交流激励电流信号频率下被测人体或其它生物组织的电阻抗和对应相位角的测量结果；
S8：多次改变所述第一谐振电压信号的信号频率，重复步骤S1-S6，获得被测人体或其它生物组织的阻抗-频率关系和对应相位角-频率关系。
2.权利要求1所述的基于隔离激励电流锁相法的生物阻抗测量方法所需的装置，用以对人体或其它生物组织结构的电阻抗进行测量，其特征在于，包括：
隔离激励部件，用于产生谐振电压信号，作为测量过程的激励源信号；所述隔离激励部件包括数模转换器、信号驱动器、第一隔离放大器、可控交流电流源、四线测量装置、第二隔离放大器、模拟信号调整模块，所述数模转换器、所述信号驱动器、所述第一隔离放大器、所述可控交流电流源、所述四线测量装置、所述第二隔离放大器、所述模拟信号调整模块依次通过电连接；
所述第一隔离放大器、所述第二隔离放大器均与所述信号调整与数字化部件、所述信号处理与控制部件信号相互隔离；
信号调整与数字化部件，所述激励源信号经过人体或其他生物组织后产生携带生物电阻抗信息的测量电信号，所述测量电信号通过所述信号调整与数字化部件实现测量电信号的滤波处理和信号数字化处理；
信号处理与控制部件，用于计算获得被测人体或其他生物组织的阻抗和对应相位角在激励源信号频率的测量结果，获得被测人体或其他生物组织的阻抗-频率关系和对应相位角-频率的关系。
3.根据权利要求2所述的生物阻抗测量装置，其特征在于：所述模拟信号调整模块包括噪声前置放大器和抗混叠滤波器，所述噪声前置放大器用于减少输入的电压噪声，所述抗混叠滤波器对噪声前置放大器的电压信号进行数字化处理。
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