CN110558982B - 一种侵入式一次性的检测人体组织生物阻抗的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种侵入式一次性的检测人体组织生物阻抗的装置和方法，其特征在于设计了一种测量阻抗系统，设计了一种限定装置仅可一次性使用的方法。本发明所设计的解调方法可提高阻抗测量的精度，降低了处理器和模数转换器的负担，成本低适合做一次性耗材，设计的电源控制器可避免装置被重复使用。该发明适合外科手术中需要实时检测组织生物阻抗的情况。

Description

一种侵入式一次性的检测人体组织生物阻抗的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种侵入式一次性的检测人体组织生物阻抗的装置和方法，属于医疗工程技术领域。
背景技术
生物阻抗特性在一定程度上能反映人体组织的成分的不同，能够用与区分肌肉、软组织、液体、骨骼等，生物阻抗的测量可以实现对不同的人体组织的区分，在外科手术中为医生提供参考信息，降低手术对医生经验的依赖。生物阻抗测量装置通过在生物组织上施加激励信号，检测响应信号，可以实现生物阻抗的测量，进而实现对人体成分的区分。
目前，生物阻抗测量系统中阻抗解调方法可分为傅里叶变换法和正交解调法。傅里叶变换法给被测生物组织施加交流电压或电流信号，对被生物组织产生的响应信号进行采样转换为数字信号，然后进行傅里叶变换，计算出阻抗值。傅里叶变换需要对测量信号进行采样，采样频率必须大于测量信号的两倍；傅里叶变换需要大量的计算，对处理器要求相对高。此外，傅里叶变换中存在频谱泄漏的风险。而正交解调法对相位敏感，相位测量精度更高。正交解调法输出为直流信号，对后级采样频率要求低，可大大降低模数转换器的成本。正交变换输出为直接可用结果，无需大量计算，可大大减轻处理器的负担
目前的医疗器械中对电路没有使用限制，电源开关可以多次打开闭合，对于要求器械不可重复使用的情况下，存在器械被重复使用的风险。
由于做人体实验的困难，很难获取大量实验数据，人体组织的阻抗数据非常稀少。
发明内容
针对上述问题本发明实施了一种侵入式一次性的检测人体组织生物阻抗的装置和方法。
一种侵入式一次性的检测人体组织生物阻抗的装置和方法，其特征在于，包括：主体、电源控制电路、阻抗测量系统、数据存储装置、计时器；其中，所述的主体包括前端的接触杆，以及后端的手柄，所述的接触杆内有两路电极，所述的手柄内有电源、电源控制电路、处理器、阻抗测量系统、存储装置和警示装置；所述所述的两个电极之间有绝缘材料，两电极后方连接阻抗测量系统。
本发明实施提供了一种基于正交解调的阻抗测量系统，所述的阻抗测量系统包括：信号发生装置、高通滤波器、电压电流转换模块、混频模块、低通滤波器、模数转换器和校准模块，其中：
信号发生模块：产生所述激励信号和两路参考信号。
高通滤波器：滤除所述激励信号中的低频分量，保留高频分量。
电压电流转换模块：将所述激励信号转换为激励电流信号施加到人体生物组织上。
混频模块：将所述人体组织产生的电压信号与所述参考信号分别混频。
低通滤波器：滤除所述混频后的信号中的高频分量，保留低频分量。
模数转换器：将低通滤波之后的信号分别转换为数字码。
校准模块：为所述测量装置提供已知阻抗，所述测量装置通过测量校准电路测量系统误差，为所述阻抗测量提供补偿参数。
针对[0004]所述问题，本发明提供了一种电源控制电路和计时器，其特征在于：所述电源控制电路包括机械开关和电子开关。所述装置未启用时，机械开关断开，系统处于断电状态。所述装置启用时机械开关，所述装置的电源将不能被断开。计时器计算装置累计启用时间，当仪器累积使用时间达到限制值时关闭部分或全部电路模块。通过电源开关限制和累计使用时间限制保证装置只可以被一次性使用。
针对[0005]所述问题，本发明提供了一种数据采集方法，在设备中放置数据存储模块，对装置使用过程中产生的数据进行存储，设备使用结束手机存储的数据。
本发明所述的装置和方法的阻抗测量系统的实施过程：信号发生装置由直接数字频率合成器(DDS)和数模转换器(DAC)组成，DDS生成的数字码送到DAC输入端，DAC输出激励电压信号；高通滤波器由一阶RC滤波器实现，信号发生器同时产生激励信号S和两路参考信号V1、V2，其中S和V1、V2的频率相同，S和V1相位相同，V1和V2相位相差90°，激励信号S经过高通滤波器滤除直流分量；电压电流转换模块由电阻和运算放大器实现，电压滤波后的电压激励信号输入至电压电流转换模块，激励信号被转换为电流信号，通过电极施加到待测组织上；激励电流信号经过待测组织后，在两电极之间产生电压信号；两电极之间的电压信号经过差分放大器转变为单端电压信号V0；电压信号V0输入至两路混频器，分别与V1和V2进行混频；混频之后的信号经过低通滤波即可得到与待测组织阻抗值成比例关系的实部和虚部，所得实部和虚部输入至模数转换器(ADC)，ADC将实部和虚部值转换为数字信号输出值处理器，处理器经简单比例运算可得待测阻抗的实部和虚部，或模值和相位。
本发明所述的装置和方法的具体校准电路为一个高精度标准电阻，阻抗测量电路测量该标准电阻，测得阻抗的实际值与真实值的差值即为系统误差，使用该系统误差对阻抗测量结果进行补偿。
本发明所述的装置和方法的具体电流源控制电路包括机械开关和电子开关，所述机械开关与所述电子开关并联，所述装置未启用时，机械开关断开，系统处于断电状态，所述装置启用时机械开关闭合，通电时电子开关闭合，机械开关被短路，所述装置的电源将不能被断开。
本发明所述的装置和方法的具体计时器工作流程，计时器计时初始值默认为零，存储在非易失存储器中；上电后，计时器首先从存储器中取读计时初始值，在初始值的基础上开始累积计时，计时器每计一段时间将当时计时值更新至存储器中，这样每次重新上电后计时器会在原来计时的基础上继续计时，实现累积计时；当计时值达到限定值后，计数器向处理器发出信号，处理器关闭部分或者全部电路模块。
在本申请中，如果没有特别地说明，则各个制备步骤是基于附图所示的模式，所采用的装置、仪器、组件、尺寸及其他条件等都为本领域众所周知的，或者是本领域技术人员根据申请的描述结合现有技术可以实现的。
关于本发明中术语的描述，若与本领域之前的描述有所差异，应以本申请中的描述为准。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的电路系统；
图3是本发明的阻抗测量模块；
图4是本发明的电源控制电路；
图5是本发明的解调模块结构图
图6是本发明的计时器工作流程图；
图中标号名称：(1)手柄；(2)接触杆；(3)第一电极；(4)第二电极；(5)第一接触面；(6)第二接触面；(7)处理装置；(8)电源；(9)电源控制器；(10)阻抗测量系统；(11)控制器；(12)存储器；(13)警示灯；；(16)蜂鸣器；(17)正弦波发生器；(18)放大器；(19)电压电流转换器；(20)解调电路；(21)差分放大器；(22)选择器；(23)校准电路；(24)待测组织；(25)电子开关；(26)机械开关；(27)混频器；(28)混频器；(29)低通滤波器；(30)低通滤波器；(31)模数转换器；(32)模数转换器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明装置做进一步说明
实施方式1：
如附图1-3所示，为本发明所述的装置和方法的阻抗测量系统的实施过程：信号发生装置(17)由直接数字频率合成器(DDS)和数模转换器(DAC)组成，DDS生成的数字码送到DAC输入端，DAC输出激励电压信号；高通滤波器由一阶RC滤波器和放大器实现(18)，信号发生器(17)同时产生激励信号S和两路参考信号V1、V2，其中S和V1、V2的频率相同，S和V1相位相同，V1和V2相位相差90°，激励信号S经过高通滤波器(18)滤除直流分量；电压电流转换模块(19)由电阻和运算放大器实现，滤波后的电压激励信号输入至电压电流转换模块(19)，激励信号被转换为电流信号，通过电极施加到待测组织(24)上；激励电流信号经过待测组织(24)后，在两电极之间产生电压信号；两电极之间的电压信号经过差分放大器(21)转变为单端电压信号V0；电压信号V0输入至两路混频器(27、28)，分别与V1和V2进行混频；混频之后的信号经过低通滤波器(29、30)即可得到与待测组织(24)阻抗值成比例关系的实部和虚部，所得实部和虚部输入至模数转换器(ADC)(31、32)，ADC(31、32)将实部和虚部值转换为数字信号输出值处理器(11)，处理器(11)经简单比例运算可得待测阻抗的实部和虚部，或模值和相位。
实施方式2：
如附图4所示，本发明所述的装置和方法的具体电流源控制电路包括机械开关(26)和电子开关(25)，所述机械开关(26)与所述电子开关(25)并联，所述装置未启用时，机械开关(26)断开，系统处于断电状态，所述装置启用时机械开关(26)闭合，通电时电子开关(25)闭合，机械开关(26)被短路，所述装置的电源(8)将不能被断开。
实施方式3：
如附图5所示，本发明所述的装置和方法的具体计时器工作流程，计时器计时初始值默认为零，存储在非易失存储器(12)中；上电后，计时器首先从存储器(12)中取读计时初始值，在初始值的基础上开始累积计时，计时器每计一段时间将当时计时值更新至存储器(12)中，这样每次重新上电后计时器会在原来计时的基础上继续计时，实现累积计时；当计时值达到限定值后，计数器向处理器发出信号，处理器关闭部分或者全部电路模块。
如上所述的实施方式的目的在于对本发明装置的具体实施方式作进一步的说明，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质所作的任何简单修改、变更及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种侵入式一次性的检测人体组织生物阻抗的装置，其特征在于，包括：主体、电源控制电路、阻抗测量系统、数据存储装置、计时器；其中，所述的主体包括前端的接触杆，以及后端的手柄，所述的接触杆内有两个电极，所述的手柄内有电源、电源控制电路、处理器、阻抗测量系统、存储装置和警示装置；所述两个电极之间有绝缘材料，两电极后方连接阻抗测量系统，所述阻抗测量系统包括：信号发生装置、高通滤波器、电压电流转换模块、混频模块、低通滤波器、模数转换器和校准模块，其中：所述信号发生装置产生激励信号和两路参考信号；所述高通滤波器滤除所述激励信号中的低频分量，保留高频分量；所述电压电流转换模块：将所述激励信号转换为激励信号施加到人体生物组织上；所述混频模块将所述人体组织产生的电压信号与所述参考信号分别混频；所述低通滤波器滤除所述混频后的信号中的高频分量，保留低频分量；所述模数转换器将低通滤波器之后的信号分别转换为数字码；所述校准模块为测量装置提供已知阻抗；测量装置通过测量校准电路测量系统误差，为所述阻抗测量提供补偿参数，所述信号发生模块产生的激励信号频率为多种频率，产生的两路参考信号频率与激励信号频率相同；所述两路参考信号的幅值比例固定、相位差值固定，所述混频模块使用乘法器进行混频，包含两个混频通道，其中一个通道使测量信号和一路参考信号混频，另一个通道对测量信号和另一路参考信号混频，所述低通滤波器包含两个滤波通道，滤波器截止频率小于激励信号频率两倍。
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