CN111700612B - 具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置和方法 - Google Patents

具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111700612B
CN111700612B CN202010654728.1A CN202010654728A CN111700612B CN 111700612 B CN111700612 B CN 111700612B CN 202010654728 A CN202010654728 A CN 202010654728A CN 111700612 B CN111700612 B CN 111700612B
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode plate
excitation
double
array
current source
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010654728.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111700612A (zh
Inventor
李芳�
刘凯
王松
吴阳
王欢
陈奇
姚佳烽
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Jiantong Medical Technology Co ltd
Original Assignee
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Sanjiang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Sanjiang University filed Critical Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority to CN202010654728.1A priority Critical patent/CN111700612B/zh
Publication of CN111700612A publication Critical patent/CN111700612A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111700612B publication Critical patent/CN111700612B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves
    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves
    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
    • A61B5/0536—Impedance imaging, e.g. by tomography
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G05B19/0423—Input/output
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/46—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
    • G05F1/461—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using an operational amplifier as final control device
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/46—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
    • G05F1/462—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC as a function of the requirements of the load, e.g. delay, temperature, specific voltage/current characteristic
    • G05F1/467—Sources with noise compensation
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/80—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used using non-linear magnetic devices; using non-linear dielectric devices
    • H03K17/81—Switching arrangements with several input- or output-terminals, e.g. multiplexers, distributors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2560/00—Constructional details of operational features of apparatus; Accessories for medical measuring apparatus
    • A61B2560/02—Operational features
    • A61B2560/0204—Operational features of power management
    • A61B2560/0214—Operational features of power management of power generation or supply
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K2017/515—Mechanical switches; Electronic switches controlling mechanical switches, e.g. relais

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)

Abstract

本发明公开了一种具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置和方法，其中包含电压控制电流源，使用双通道反馈补偿来实现系统高频时的稳定性，并在反馈通道增加RC网络提高驱动容性负载的能力；多路复用器模块采用双刀干簧管继电器实现物理切换，保证了较高信噪比和快速响应的特性。其中的电压控制电流源具有高带宽和驱动容性负载的能力，非常适用于生物组织的测量，能够大大提高系统的信噪比，获取到更丰富的生物阻抗信息。

Description

具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种生物阻抗测量装置和方法，特别涉及一种应用于生物阻抗测量领域，具有高信噪比、低直流偏置、高带宽、能够驱动较大的生物容性负载的生物阻抗测量装置和方法。
背景技术：
生物阻抗测量是一种通过多电极向待测场域注入安全电流或电压，进一步采集边界电压并进行数据处理，从而获取生物阻抗信息的方法。该方法具有无创无害、可连续实时测量的特点，广泛应用于电阻抗成像和生物阻抗谱等技术中，并在肺部呼吸监测、乳腺癌检测、腹部内出血检测等方向都取得较大进展。上述技术所使用的硬件系统都不可避免的要求一种满足生物阻抗测量要求的激励源。
激励源分为电压源和电流源两种，但电压源对阻抗变化比较敏感，生物阻抗测量一般采用电流源。电流源的激励分为直流激励和交流激励，为了减小生物组织与电极接触时的极化现象，电流源输出要求为交流激励并且无直流偏置。交流电流源则需要考虑输出的频率范围，根据Cole-Cole理论和频散理论，若要获取丰富的生物组织信息，电流源输出频率需要达到1MHz以上，特别是生物阻抗谱技术。随着频率的升高，由于信号链中寄生电容的影响，电流源的输出阻抗会大大降低，高频时难以实现理想的恒流效果。而且生物组织的细胞结构决定了生物阻抗中具有一部分容性负载，电流源在驱动容性负载时会导致整个系统的传递函数发生变化，甚至发散振荡。
目前的硬件系统常采用Howland电流源以及一些改进电路。例如增强型Howland电流源通过调整平衡电阻的分布，提高电源的利用效率；镜像电流源通过对称的镜像电路提高系统的驱动能力；基于差分运算放大器或者仪表放大器的电流源，使用集成芯片内部的高精度电阻降低平衡电路对外接电阻的要求。为了降低容性负载的影响，一般使用阻抗转换器(GIC)产生电感和负阻抗转换器(NIC)产生负电容来抵消容性负载的影响。相关学者研究的电流源已经能很好的实现无偏置的交流输出，但在高频保持较大输出阻抗上仍然存在瓶颈。GIC、NIC也只能在固定频率下消除容性负载的影响，不适用于扫频和多频场景，而且补偿电路引入额外的运算放大器使硬件成本增大。
发明内容：
本发明针对上述存在的问题，对电路拓扑结构进行改进，实现在高频、高带宽时仍然具有较好的输出特性，并使用简单的RC补偿电路，增强系统对容性负载的驱动能力。
技术方案如下：
具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置，包括FPGA控制器、数模转换模块、前置滤波模块、电流源模块、电极片阵列、数据采集模块，其特征在于：
该装置中至少包括两个控制回路，激励发生控制回路和数据采集回路；电极片阵列与待测生物负载连接并固定；激励发生控制回路的输出端分别连接电极片阵列中的两个电极片、即第一电极片、第二电极片，第一电极片接地、第二电极片连接激励电流信号；数据采集回路的输入端分别连接电极片阵列中的另外两个电极片、即第三电极片、第四电极片；数据采集模块通过第三电极片和第四电极片采集施加激励后的生物阻抗数据；
在激励发生控制回路中，包括电流源模块，所述的电流源模块为双通道反馈控制电流源模块；由FPGA控制器产生离散信号，DAC数模转换模块将其转化为模拟信号，通过前置滤波模块滤除低频信号作为双通道反馈控制电流源模块的控制电压，再由双通道反馈控制电流源模块产生等比例的激励电流信号、连接到电极片阵列、并注入到待测场域、即完成对生物阻抗的激励；
其中，所述双通道反馈控制电流源模块由两个高速的差分运算放大器组成，第一差分运算放大器配置为单位增益，并在输出端与电极片阵列相连接；进一步的，在输出端连接第二差分运算放大器，并配置为固定增益，作为第一差分运算放大器的第一反馈回路；再进一步的，为了保证串联的两个高速的差分运算放大器具有较高的稳定裕度，在第一差分运算放大器的输出端直接连接电容到第一差分运算放大器的反向端，构成第二反馈回路；最后，在第一反馈回路中，配置RC容性补偿电路，提高驱动生物型容性负载的能力。
具体的：所述FPGA控制器中的ROM里存储离散的正弦数据，随着时钟信号输入DAC芯片中，转化为模拟信号。由于DAC芯片的输出电压较小，进一步经过调理电路转化为较大范围的双极性电压信号。所述FPGA控制器产生数字信号不限于正弦信号的产生，进一步可以实现任何模拟信号的发生。所述前置滤波模块是由于上级的输入电压可能存在直流偏置，并且电流源的工作环境中存在大量的50Hz工频干扰，该频率信号会对生物阻抗的测量形成干扰；因此，前置滤波模块可以设计为截止频率为200Hz的二阶高通滤波器；从而消除了直流信号以及50Hz工频干扰的影响，有效避免由于直流偏置而导致的电极极化问题，进一步提高了系统的精度。
进一步的，通过FPGA控制器和DAC数模转换模块，不限于产生正弦模拟信号，能够产生任意波形模拟信号。
进一步的，当所述的电极片阵列由大量电极片组成时，该测量装置需要轮流对各个电极施加激励、并逐一进行数据采集；此时，设置多路复用器模块、并设置激励选通控制回路和采集选通控制回路；现有的多路复用器模块采用模拟开关多路复用器，其缺点是切换过程会引入噪声、影响测量准确性；本发明采用模拟开关多路复用器与干簧管继电器阵列联合控制，实现物理切换。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明所述FPGA控制器产生数字信号不限于正弦信号的产生，进一步可以实现任何模拟信号的发生。
2、本发明所述的双通道反馈控制电流源模块结构简单，避免了Howland电流源中苛刻的平衡电桥。进一步选用高速差分运算放大器，使用双反馈补偿电路提高了系统的稳定性、尤其提升了在输入信号高频、高带宽时的系统表现,并采用简单的RC容性补偿电路，提高了对生物性容性负载的驱动能力。
3、本发明所述的多路复用器使用干簧管继电器实现物理切换，具有较高的切换速度并且避免了直接使用模拟多路复用器芯片时会引入噪声的问题。
附图说明：
图1：为本发明的测量装置的结构图；
图2：为本发明的双通道反馈控制电流源模块的电路原理图；
图3：为本发明的测量装置的结构图(包含多路复用器)；
图4：为本发明的双通道反馈控制电流源模块的电路原理图(包含多路复用器)；
图5：为本发明的多路复用器结构示意图；
其中，图4中与补偿电容Cc对应的局部放大区域显示的是补偿切换电路示意图。
具体实施方式：
实施例1：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的结构示意图。如图所示，本发明是用于生物阻抗测量的电压控制电流源，其中包括FPGA控制器1、DAC数模转换模块2、前置滤波模块3、双通道反馈控制电流源模块7、电极片阵列4。首先，FPGA控制器1从ROM中读取离散数据，并通过频率控制字和相位控制字来调节输出信号的频率和幅值大小。FPGA控制器1与DAC数模转换器2之间通过并行的数据线连接，数据线根数的多少与DAC的位数有关，位数越高，波形的精度越高，成本也随之增高。接着，DAC芯片将输入的离散信号转化为模拟信号输出，由于DAC芯片的功率限制，模拟信号的输出电压范围较低，需要在后级增加调理电路，增大电压输出范围。进一步，后级的前置滤波模块3过滤掉DAC产生的直流偏置电压以及50Hz的工频干扰。更进一步，纯净的无偏置电压信号进入双通道反馈控制电流源模块7，将电压信号转化为电流信号，跨导系数的大小与电路的配置参数相关。最后，输出的电流信号连接电极片阵列4中的两个电极片、即第一电极片401、第二电极片402；完成了向待测生物负载注入电流的操作；数据采集回路中，数据采集模块5的输入端分别连接电极片阵列4中的另外两个电极片、即第三电极片403、第四电极片404；数据采集模块5通过第三电极片403和第四电极片404采集施加激励后的生物阻抗数据；数据采集模块5的输出端与FPGA控制器1连接，将采集数据发送给FPGA控制器1进行分析处理。
图2是本发明的双通道反馈控制电流源模块的原理图，如图所示，双通道反馈控制电流源模块7由两个高速差分运算放大器组成，第一差分运算放大器701配置为单位增益的缓冲器，具有两条反馈回路FB#1、FB#2，输出端连接电极片阵列4、并作用于待测量的生物负载。第二个差分运算放大器处于第一差分运算放大器的第一反馈回路FB#1上，并将固定增益配置为G。然后，对于具有不同开环增益曲线的运算放大器，需要分析设计不同的反馈电阻R1和反馈电容Cfb2的大小以满足系统的稳定性；由于若仅存在第一反馈回路FB#1，有可能出现系统稳定裕度较低或者发散的问题，因此需要采用第二反馈回路FB#2进行补偿，维持系统较高的稳定裕度，即在第一差分运算放大器的输出端直接连接反馈电容CFB2到第一差分运算放大器701的反向端，构成第二反馈回路FB#2。
容性负载补偿电路是针对生物阻抗存在较大容性成分时设计，较大容性负载改变了系统的传递函数，导致系统稳定裕度骤降甚至振荡，该容性负载补偿电路与“双通道反馈控制电路”相结合，通过产生相反的效果抵消生物型容性负载的不利影响，从而使系统稳定。
以下，对双通道反馈控制电流源模块7的建立过程进行分析：
第一差分运算放大器701为运算放大器AD8130，第二差分运算放大器702为运算放大器AD8130；
首先，忽略第二反馈路径FB#2,根据虚短理论，第一差分运算放大器701的同向端的输入控制电压Vin1和第二反向端电压Vout2相等：
进一步的，通过第一电阻Rf和第二电阻Rg将第一差分运算放大器701配置为固定增益G，同时也确定第二输入控制电压Vin2：
Figure BDA0002576260710000051
当第一差分运算放大器701的增益为为固定增益G时，输出电流IL只与输入控制电压Vin1和采样电阻Rs有关，输出电流IL为：
Figure BDA0002576260710000052
但由于AD8130自身的开环增益特性，串联两个运算放大器将会引入至少四个极点，不同的运算放大器具有不同的极点频率，每个极点引入90°相移，如果系统的截至频率在第三个极点之后，则会导致AD8130的反向输入端反馈回来的信号相位已经偏移180°。负反馈变成了正反馈，使得系统发散。所以需要增加第二条反馈路径FB#2,即在第一差分运算放大器701的输出端直接连接反馈电容Cfb2到第一差分运算放大器701的反向端；根据电路的叠加原理，使得高频时第二条反馈路径FB#2占主导地位，保证系统具有足够的稳定裕度。
当待测生物负载中含生物型容性负载时，相当于在系统中增加了传递函数，该传递函数引入的零极点频率特性是，极点频率始终高于零点的频率，所以环路增益曲线会由于生物型容性负载产生一个抬升量，这导致截至频率后移，相位裕度减小，最终导致系统稳定裕度过低甚至发散。
本发明的RC容性补偿电路，相当于在系统中引入了一个与容性负载效果相反的传递函数传递函数，该传递函数引入的零极点对频率特性是，零点频率始终大于极点频率，恰好与生物型容性负载引入的效果相反，从而抵消了生物型容性负载对系统稳定性的影响。
但需要说明的是，RC容性补偿电路将导致系统的固定增益G变为了随频率变化的增益，因此必须根据生物型容性负载的特性选取合适的补偿电阻Rc和补偿电容Cc，从而能使得系统的输出特性在一定范围内维持恒定，满足生物阻抗测量的要求。
实施例2：
在实施例1中，将电极片阵列4简化为四个电极片进行描述。而实际使用过程中，电极片阵列4中包含的电极片数量较多，电极片数量为几十个到几百个、例如人体肿瘤检测电阻抗层析成像(EIT)系统，肺、胃、心脏等器官功能检测系统。因此为控制系统成本、通常采用巡回式的采集模式，具体方案如下：
如图3、图4所示，所述的电极片阵列4由大量电极片组成时，该测量装置需要轮流对各个电极施加激励、并逐一进行数据采集；此时，设置多路复用器模块、并设置激励选通控制回路和采集选通控制回路；
多路复用器模块由第一模拟开关多路复用器601、第一双刀干簧管继电器阵列602、第二模拟开关多路复用器603、第二双刀干簧管继电器阵列604组成；
第一双刀干簧管继电器阵列602，输入端与激励发生控制回路的输出端相连接、输出端与电极片阵列4中的各个电极片相连接；由FPGA控制器1向第一模拟开关多路复用器601发出控制信号，再由第一模拟开关多路复用器601控制第一双刀干簧管继电器阵列602中的双刀干簧管继电器的通或断；
第二双刀干簧管继电器阵列604，输入端与数据采集回路的输出端相连接、输出端与电极片阵列4中的各个电极片相连接：由FPGA控制器1向第二模拟开关多路复用器603发出控制信号，再由第二模拟开关多路复用器603控制第二双刀干簧管继电器阵列604中的双刀干簧管继电器的通或断；
激励选通控制回路中，由FPGA控制器1向第一模拟开关多路复用器601发出控制信号，并控制第一双刀干簧管继电器阵列602、每次选通其中的两个干簧管继电器、将双通道反馈控制电流源模块产生的电流信号作用于电极片阵列4中的对应的两个电极片上；然后依次循环连接不同的电极片、依次完成对各个电极片的电流注入操作、即实现对生物阻抗的激励；
采集选通控制回路中，由FPGA控制器1向第二模拟开关多路复用器603发出控制信号，并控制第二双刀干簧管继电器阵列604、每次选通其中的两个干簧管继电器、并连接到两个对应的电极片，然后依次循环连接不同的电极片；使得数据采集回路依次与电极片阵列4中的各个电极片连通，并与激励选通控制回路相配合、实现对施加激励后的生物阻抗数据的采集。
图5是本发明的多路复用器结构示意图，以包含十六个电极的电极片阵列4为例叙述本发明具体内容：
激励选通控制回路中，FPGA控制器1通过八根地址选通控制线与第一模拟开关多路复用器601相连，并使用光电耦合器8进行电磁隔离。第一模拟开关多路复用器601的输出与第一双刀干簧管继电器阵列602中的双刀干簧管继电器的控制线圈相连接，双刀干簧管继电器为常开状态，只有当通道选通时，线圈通电，双路开关闭合；
采集选通控制回路中，FPGA控制器1通过八根地址选通控制线与第二模拟开关多路复用器603相连，并使用光电耦合器8进行电磁隔离。第二模拟开关多路复用器603的输出与第二双刀干簧管继电器阵列604中的双刀干簧管继电器的控制线圈相连接，双刀干簧管继电器为常开状态，只有当通道选通时，线圈通电，双路开关闭合；
第一双刀干簧管继电器阵列602通过双路与激励发生控制回路的输出端相连，一路连接激励、另一路连接接地；当一个双刀干簧管继电器控制线圈通电时，其中一路激励和一个电极连通，另一路连接其它电极和“地”，构成闭合回路，当连接的其它电极为相邻电极时，则为相邻激励法，相对电极时，则为相对激励法，最终完成所有电极上遍历注入电流。第二双刀干簧管继电器阵列604通过双路与数据采集回路相连，实现巡回式遍历和采集。
实施例3：
在实施例1中，已说明RC容性补偿电路在选取合适的补偿电阻Rc和补偿电容Cc时，能够对一定范围内的生物型容性负载进行补偿。
再结合实施例2，若待测生物体范围较大、相应的电极片阵列4中包含的电极片较多时，由不同电极片构成的各个待测场域的生物型容性负载特性可能会有较大差异。若所述的差异超过RC容性补偿电路能够进行自适应的补偿的范围时，将导致系统发散。
因此，有必要对RC容性补偿电路进行改进，具体方法如下：
生物阻抗测量装置中至少包括电极片阵列4、激励发生控制回路和数据采集回路；激励发生控制回路中至少包括用于对生物容性负载进行补偿的RC容性补偿电路、RC容性补偿电路中至少包括补偿电阻Rc和补偿电容Cc；在测量过程中，激励发生控制回路和数据采集回路分别依次连接电极片阵列4中不同的电极片形成若干个待测场域，再由激励发生控制回路施加激励、然后由数据采集回路进行生物阻抗数据采集；
尤其当的电极片阵列4由大量电极片组成时，由于各个待测场域的生物容性负载存在差异，需要通过RC容性补偿电路进行补偿；当所述的若干个待测场域的生物容性负载数值差异较大时，则需要对RC容性补偿电路进行动态设定，以适应驱动不同生物型容性负载的要求，具体方法如下：
S01、在RC容性补偿电路配置补偿电容切换电路，并对应形成若干个预设的补偿电容Cc的数值；采用不同数值的补偿电容Cc能够分别对不同区间范围的生物型容性负载进行补偿；
S02、完成测试准备工作，将电极片阵列4与待测生物负载连接并固定；
S03、将数据采集回路设置为测定待测场域的生物容性负载电容值的模式，然后单独启动数据采集回路、依次连接各个待测场域、测定其生物容性负载电容值，并保存；
S04、通过数据分析将各个待测场域与其匹配的预设的补偿电容Cc组合建立对应关系；
S05、在测量过程中，当激励发生控制回路和数据采集回路连接到任意一个待测场域时，通过补偿切换电路将补偿电容Cc设置为与该待测场域相匹配的数值，再由激励发生控制回路施加激励、然后由数据采集回路进行生物阻抗数据采集；然后依次循环、完成测量过程。
以下，对补偿切换电路进行具体介绍。首先如下表所示，为本技术方案在测试过程中，经过分析整理和调试，所获得的生物负载特性、以及能够实现补偿功能的相对应的RC容性补偿电路参数的对照表(节选)。
Figure BDA0002576260710000081
如图4中的局部放大区域所示，为所述的补偿切换电路的示例,该电路是对补偿电容Cc的扩展。该电路中，并联了三个继电器(K1、K2、K3)和三个不同规格的补偿电容Cc(Cc1、Cc2、Cc3)；
当K1选通、K2、K3断开时，则配置为第一区间、对应的补偿电容Cc选定为Cc1；
当K2选通、K1、K3断开时，则配置为第二区间、对应的补偿电容Cc选定为Cc2；
当K3选通、K1、K2断开时，则配置为第三区间、对应的补偿电容Cc选定为Cc3；
当然，该补偿切换电路可以实现更多的排列组合、从而进一步扩展。
进一步的，在采取上述方法后，若仍然按照电极片的物理顺序进行数据采集，则有可能需要频繁启动补偿切换电路进行切换，这样不仅影响采集速度、还有可能引入不必要的噪音干扰，因此采用以下方法进行处理：
在所述的S04步骤中，按照与各个待测场域相匹配的补偿电容Cc的预设数值为索引，对各个待测场域进行分组；然后，在所述的S05步骤中，先通过补偿切换电路设定一个补偿电容Cc的数值，然后依次对该分组内的各个待测场域进行激励和数据采集；再通过补偿切换电路设定为下一个补偿电容Cc的数值，然后依次对下一个分组内的各个待测场域进行激励和数据采集；并依此类推、完成测量过程。
需要说明的是，当补偿电容Cc的取值变化较大时，则可能影响系统恒流输出的特性；此时，可以根据补偿电容Cc的取值计算获得相匹配的第一电阻Rf、第二电阻Rg、采样电阻R1、补偿电阻Rc的取值，并在上述元件的位置采用与补偿电容Cc的补偿切换电路相似的电路，再通过联动控制对上述元件的取值进行同步联动调节，从而增强系统的稳定性、并达到最佳的配置效果。
通过上述技术手段，有效的提升了测量装置的适用范围，并使得测量装置具备了很高的抗干扰性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置，包括FPGA控制器(1)、DAC数模转换模块(2)、前置滤波模块(3)、电流源模块、电极片阵列(4)、数据采集模块(5)，其特征在于：该装置中包括激励发生控制回路和数据采集回路；电极片阵列(4)与待测生物负载连接并固定；激励发生控制回路的输出端分别连接电极片阵列(4)中的两个电极片、即第一电极片(401)、第二电极片(402)；第一电极片(401)接地、第二电极片(402)连接激励电流信号；数据采集回路中，数据采集模块(5)的输入端分别连接电极片阵列(4)中的另外两个电极片、即第三电极片(403)、第四电极片(404)；数据采集模块(5)通过第三电极片(403)和第四电极片(404)采集施加激励后的生物阻抗数据；
在激励发生控制回路中，包括电流源模块，所述的电流源模块为双通道反馈控制电流源模块(7)；由FPGA控制器(1)产生离散信号，DAC数模转换模块(2)将其转化为模拟信号，通过前置滤波模块(3)滤除低频信号、消除直流偏置，作为双通道反馈控制电流源模块(7)的控制电压，再由双通道反馈控制电流源模块(7)产生等比例的激励电流信号、连接到电极片阵列(4)、并注入到待测场域、即完成对生物阻抗的激励；
其中，所述双通道反馈控制电流源模块(7)由两个高速的差分运算放大器组成，第一差分运算放大器(701)配置为单位增益，并在输出端与电极片阵列(4)中的电极片相连接；进一步的，在第一差分运算放大器(701)的输出端连接第二差分运算放大器(702)，并配置为固定增益，作为第一差分运算放大器(701)的第一反馈回路FB#1；再进一步的，在第一差分运算放大器(701)的输出端直接连接反馈电容Cfb2到第一差分运算放大器(701)的反向端，构成第二反馈回路FB#2；最后，在第一反馈回路FB#1中，配置RC容性补偿电路，提高驱动生物型容性负载的能力，RC容性补偿电路中至少包括补偿电阻Rc和补偿电容Cc。
2.根据权利要求1所述的具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置，其特征在于：通过FPGA控制器(1)和DAC数模转换模块(2)，不限于产生正弦模拟信号，能够产生任意波形模拟信号。
3.根据权利要求1所述的具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置，其特征在于：所述的电极片阵列(4)由大量电极片组成时，该测量装置需要轮流对各个电极施加激励、并逐一进行数据采集；此时，设置多路复用器模块、并设置激励选通控制回路和采集选通控制回路；
多路复用器模块由第一模拟开关多路复用器(601)、第一双刀干簧管继电器阵列(602)、第二模拟开关多路复用器(603)、第二双刀干簧管继电器阵列(604)组成；
第一双刀干簧管继电器阵列(602)，输入端与激励发生控制回路的输出端相连接、输出端与电极片阵列(4)中的各个电极片相连接；由FPGA控制器(1)向第一模拟开关多路复用器(601)发出控制信号，再由第一模拟开关多路复用器(601)控制第一双刀干簧管继电器阵列(602)中的双刀干簧管继电器的通或断；
第二双刀干簧管继电器阵列(604)，输入端与数据采集回路的输出端相连接、输出端与电极片阵列(4)中的各个电极片相连接：由FPGA控制器(1)向第二模拟开关多路复用器(603)发出控制信号，再由第二模拟开关多路复用器(603)控制第二双刀干簧管继电器阵列(604)中的双刀干簧管继电器的通或断；
激励选通控制回路中，由FPGA控制器(1)向第一模拟开关多路复用器(601)发出控制信号，并控制第一双刀干簧管继电器阵列(602)、每次选通其中的两个干簧管继电器、将双通道反馈控制电流源模块产生的电流信号作用于电极片阵列(4)中的对应的两个电极片上；
然后依次循环连接不同的电极片、依次完成对各个电极片的电流注入操作、即实现对生物阻抗的激励；
采集选通控制回路中，由FPGA控制器(1)向第二模拟开关多路复用器(603)发出控制信号，并控制第二双刀干簧管继电器阵列(604)、每次选通其中的两个干簧管继电器、并连接到两个对应的电极片，然后依次循环连接不同的电极片；使得数据采集回路依次与电极片阵列(4)中的各个电极片连通，与激励选通控制回路相配合、实现对施加激励后的生物阻抗数据的采集。
4.具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量方法，其特征在于：生物阻抗测量装置中至少包括电极片阵列(4)、激励发生控制回路和数据采集回路；激励发生控制回路中至少包括用于对生物容性负载进行补偿的RC容性补偿电路、RC容性补偿电路中至少包括补偿电阻Rc和补偿电容Cc；在测量过程中，激励发生控制回路和数据采集回路分别依次连接电极片阵列(4)中不同的电极片形成若干个待测场域，再由激励发生控制回路施加激励、然后由数据采集回路进行生物阻抗数据采集；
由于各个待测场域的生物容性负载存在差异，需要通过RC容性补偿电路进行补偿；当所述的若干个待测场域的生物容性负载数值差异较大时，则需要对RC容性补偿电路进行动态设定，以适应驱动不同生物型容性负载的要求，生物阻抗测量装置的测量方法如下：
S01、在RC容性补偿电路配置补偿电容切换电路，并对应形成若干个预设的补偿电容Cc的数值；采用不同数值的补偿电容Cc能够分别对不同区间范围的生物型容性负载进行补偿；
S02、完成测试准备工作，将电极片阵列(4)与待测生物负载连接并固定；
S03、将数据采集回路设置为测定待测场域的生物容性负载电容值的模式，然后单独启动数据采集回路、依次连接各个待测场域、测定其生物容性负载电容值，并保存；
S04、通过数据分析将各个待测场域与其匹配的预设的补偿电容Cc组合建立对应关系；
S05、在测量过程中，当激励发生控制回路和数据采集回路连接到任意一个待测场域时，通过补偿切换电路将补偿电容Cc设置为与该待测场域相匹配的数值，再由激励发生控制回路施加激励、然后由数据采集回路进行生物阻抗数据采集；然后依次循环、完成测量过程。
5.根据权利要求4所述的具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量方法，其特征在于：在所述的S04步骤中，按照与各个待测场域相匹配的补偿电容Cc的预设数值为索引，对各个待测场域进行分组；然后，在所述的S05步骤中，先通过补偿切换电路设定一个补偿电容Cc的数值，然后依次对该分组内的各个待测场域进行激励和数据采集；再通过补偿切换电路设定为下一个补偿电容Cc的数值，然后依次对下一个分组内的各个待测场域进行激励和数据采集；并依此类推、完成测量过程。
CN202010654728.1A 2020-07-09 2020-07-09 具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置和方法 Active CN111700612B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010654728.1A CN111700612B (zh) 2020-07-09 2020-07-09 具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置和方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010654728.1A CN111700612B (zh) 2020-07-09 2020-07-09 具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置和方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111700612A CN111700612A (zh) 2020-09-25
CN111700612B true CN111700612B (zh) 2022-10-25

Family

ID=72546205

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010654728.1A Active CN111700612B (zh) 2020-07-09 2020-07-09 具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置和方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111700612B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105656489A (zh) * 2016-03-08 2016-06-08 天津大学 一种用于生物电阻抗成像的激励电流源
CN109728784A (zh) * 2017-10-30 2019-05-07 佛山芯珠微电子有限公司 一种可工作于50uA下的低功耗信号处理器前端IC设计改进方法
CN111293987A (zh) * 2018-12-10 2020-06-16 美国亚德诺半导体公司 具有前馈电流的跨阻放大器

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7253680B2 (en) * 2003-05-21 2007-08-07 World Energy Labs (2), Inc. Amplifier system with current-mode servo feedback

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105656489A (zh) * 2016-03-08 2016-06-08 天津大学 一种用于生物电阻抗成像的激励电流源
CN109728784A (zh) * 2017-10-30 2019-05-07 佛山芯珠微电子有限公司 一种可工作于50uA下的低功耗信号处理器前端IC设计改进方法
CN111293987A (zh) * 2018-12-10 2020-06-16 美国亚德诺半导体公司 具有前馈电流的跨阻放大器

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Comparison of three current sources for single-electrode capacitance measurement;Chen D X;《Measurement Science & Technology》;20100330;第23卷(第10期);全文 *
Development of a Portable Electrical Impedance Tomography System for Biomedical Applications;Xu Z;《IEEE Sensors Journal》;20180810;第18卷(第19期);全文 *
Galvanically Decoupled Current Source Modules for Multi-Channel Bioimpedance Measurement Systems;Roman Kusche;《Electronics》;20171023;全文 *
Performance evaluation of wideband bio-impedance spectroscopy using constant voltage source and constant current source;Mohamadou Y;《Measurement Science & Technology》;20120911;全文 *
用于生物阻抗测量的双反馈电流源研究;王超;《生物医学工程学杂志》;20060830;第23卷(第4期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111700612A (zh) 2020-09-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tucker et al. Biocompatible, high precision, wideband, improved Howland current source with lead-lag compensation
US9510768B2 (en) Device for measuring impedance of biologic tissues including an alternating current (AC) coupled voltage-to-current converter
EP2343560A3 (en) High frequency circuit analyser
CN108498096A (zh) 生物电阻抗谱的检测方法及系统
CN111700612B (zh) 具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置和方法
CN105895491A (zh) 一种质谱仪用射频电源及质谱仪
CN203759090U (zh) 轨道交通牵引数据采集系统的电流采样电路
CN108226654A (zh) 一种全自动介质损耗测量系统
CN109212448B (zh) 自稳零电路
CN102697500A (zh) 应用于多频电阻抗断层成像的电流源应用系统及其实现方法
CN104280679B (zh) 基于flex的高速运算放大器测试电路
CN109752597B (zh) 一种电感引线补偿装置及方法
CN102525456A (zh) 一种用于电阻抗断层成像的电压控制电流源
CN115363557B (zh) 基于任意波形与数字相敏解调的多频电阻抗测量方法
CN115902409A (zh) 一种用于测量阻抗谱的低共模电压误差测量电路
CN216117950U (zh) 一种高压电源的高精度低纹波测试装置
CN111812187B (zh) 应用于faims的多线程一体化集成式主控系统
CN209074612U (zh) 生物电阻抗谱的检测系统
US8896331B2 (en) Impedance measuring instrument
Menden et al. Bandwidth and Common Mode Optimization for Current and Voltage Sources in Bioimpedance Spectroscopy
CN113960353B (zh) 一种高压电源的高精度低纹波测试装置
CN101701977B (zh) 单端电信号测量仪
CN218037249U (zh) 一种用于开关电源的检测电路
Li et al. Design of current mode instrumentation amplifier for portable biosignal acquisition system
CN220045882U (zh) 美容仪阻抗检测系统及美容仪

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20230712

Address after: 215300 room 206, building 3, science and technology base, 189 Zhangji Road, Kunshan Development Zone, Suzhou City, Jiangsu Province

Patentee after: Suzhou Jiantong Medical Technology Co.,Ltd.

Address before: 210012 No.310, Longxi Road, Tiexinqiao, Yuhuatai District, Nanjing City, Jiangsu Province

Patentee before: SANJIANG University

Patentee before: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

TR01 Transfer of patent right