CN1127628A - 生物体体液分布测量分析仪 - Google Patents

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余珏
鲁勇军
张建新
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Beijing Baochuan Electronic Technology Co
Institute of Basic Medical Sciences of CAMS
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Abstract

一种生物体体液分布测量分析仪，包括交流信号发生器、隔离电路、电压电流转换电路、前置放大器、信号处理电路、数模转换电路、微机、打印显示单元及四个电极板；测量时电极板分别位于测量部位的内、外侧；交流信号发生器产生的信号，经隔离电路输入到电压电流转换电路，将电压信号转换为电流信号，信号加在外侧电极板上；由内侧电极板检测的信号经前置放大器放大后，经信号处理电路处理，再经模数转换电路转换为数字信号，由微机处理。

Description

生物体体液分布测量分析仪
本发明涉及一种测量分析仪，特别是一种用于测量及分析生物体体液分布状况的生物体体液分布测量分析仪。
测量生物体细胞内外液体分布，对于了解人体生理和临床状态有重要意义，其在一定程度上可用于水肿的检测、新陈代谢的估计、循环系统疾病的诊断和危重病人监护及人工透析监护等。对体液分布的测定国际上曾有一些方法报道，如临床诊断法、影像学诊断法(超声或放射学诊断)、同位素示踪剂细胞外液测定法、生化指标测定法(cGMP测定法)等，这些方法或因主观因素影响大而且不易定量，或因仪器昂贵和有放射性，或测定方法操作复杂等等原因，使之仅能在实验室中有所应用而难以广泛用于临床。
本发明的目的在于提供一种可定量测量及便于实施的生物体体液分布测量分析仪。
本发明的另一目的在于提供一种对被测体无创伤的生物体体液分布测量分析仪。
本发明的生物体体液分布测量分析仪是根据生物体在外加电场作用下其电阻抗的频率响应特性是随体液的分布而变化的；例如：当外加低频电场时，体内细胞膜容抗很大，细胞呈绝缘状态，激励电流主要经由细胞外液传导；随激励电场频率的提高，细胞膜逐渐呈容性短路，即低频下测量的阻抗特性反映了细胞外液的性质，而高频下的阻抗响应则由细胞内外液两者所贡献。因此，可通过测量外加电场作用下生物体电阻抗的频率响应可得知生物体体液的分布状况。
为达到上述目的，基于以上机理本发明采取如下方法：
本发明采用四电极系统测定外加电场作用下人体的阻抗频率响应：四个电极平行地加到人体下肢皮肤表面，其中两外电极施加激励电流，两内电极用于阻抗检测。采用四电极系统的目的是满足如下所述的相关检测的需要，能有效地消除生物物质低频电性测量中普通存在的电极极化问题，并提高抗外来干扰能力。
上述激励电流信号是由一交流信号发生器产生的正弦信号，该正弦信号经隔离电路加到电压电流转换电路，将经转换的电流信号加在电极板上；本发明中的检测电路采用相关接收技术；由电极板检测到的信号经前置放大器放大，再经隔离电路后，经信号处理电路处理后，再由微处理器数据处理并由数码管显示测量结果；其中的隔离电路是因安全性而设置的，其作用是将外电源与被测体隔开，以避免不必要的电信号加在被测体上，造成意外。
本发明的生物体体液分布测量分析仪包括四个电极板、一信号产生电路及一信号检测电路；
其中两个电极板位于测量部位的外侧，另两个电极板位于测量部位的内侧；
所述信号产生电路包括一交流信号发生器、一隔离电路、一电压电流转换电路；所述交流信号发生器产生一激励电压信号，经一隔离电路将该信号输入到所述电压电流转换电路，其将正弦电压信号转换为电流信号，该信号加在所述两外侧电极板(电流电极)上；
所述信号检测电路包括一前置放大器、一隔离电路、一信号处理电路、一模数/数模转换电路、一微机、一单片微机及一打印显示电路；由所述两内侧电极板(电压电极)检测的电压信号经前置放大器放大后，经隔离电路将该信号输入到所述信号处理电路，以消除信号中的相移、频率偏移以及由被测体在低频测量中存在的电极化影响，经处理后的信号再经模数转换电路转换为数字信号，以便于所述微机、单片微机及打印显示电路进行数字化处理。
所述信号处理电路可包括一相移电路、一相关检测电路及一参考信号形成电路；其中相移电路用于消除或补偿由电路所造成的附加相移；
参考信号形成电路用于产生参考信号，如正弦信号或方波信号；经相移电路处理的信号与参考信号同时输入到相关检测电路，经两信号相乘，检出与参考信号同频率的被测信号，输出一直流模拟信号；该信号通过模-数/数-模转换电路的模-数转换电路送到单片微机。
单片微机通过其控制输出信号和模-数/数-模转换电路的数-模转换部份，对测量过程进行控制。
单片微机的控制输出信号用以选通信号发生器1的开关和振动频率。
单片微机通过数-模转换电路选通相关检测电路，并控制数据读入。
单片微机的存储器ROM中驻留了监控程序(如图4所示)；
测量要求通过外部面板键码输入。
单片微机的ROM中驻留了大量样本，其包括不同性别和不同年龄健康人组体液分布的标准值(用阻抗率计，为50-1000Ω.cm)表示。
经单片微机处理分析后的测量结果由打印显示单元上显示。
所述交流信号发生器可采用精密函数发生器或数字波形发生器或分立LRC或晶振构成的波形发生器；
相关检测电路的相关器可采用模拟乘法器、开关乘法器或锁相环；
相关检测电路的目的在于消除被测信号及参考信号之间的频率偏移和相位偏移，与四电极一起可消除生物物质低频电性测量中普遍存在的电极极化问题。到达相关检测电路的来自参考信号形成电路的参考方波信号与同时到达相关检测电路的来自移相电路的被测信号相乘，检出与参考方波信号同频率的被测信号成份。相关检测电路利用参考信号与被测信号在时间轴上的前后相关性，给出由直流模拟量表示的被测信号信息。
本发明具有以下效果：
本发明的生物体体液分布测量分析仪是一种用于测量及分析生物体体液分布状况的新型的生物体体液分布测量分析仪，用于血透时间和超滤量的确定及血透后体液状态的确定。其为一种价格便宜可广泛用于临床诊断的生物体体液分布定量测量分析仪；其对生物体的测量无创伤、易行、准确。
本发明在信号产生及检测电路中设置了隔离电路，以将电源与被测体隔开，避免不必要的电信号加在被测体上，造成意外，保证了测量的安全性。
由于本发明的电路中采用了相关检测技术，能有效地消除生物物质低频电性测量中普遍存在电极极化问题，使测量结果准确可靠，并可提高信噪比。
附图说明：
图1：本发明的电路方框图；
图2、3：本发明一实施例的电路图；
图4：本发明的主程序流程图。
结合附图及实施例对本发明的生物体体液分布测量分析仪详细说明如下：
如图1所示，本发明的生产体体液分布测量分析仪的实施例，其中信号产生电路包括信号发生器1、一隔离电路2、一电压电流转换电路3；所述信号检测电路包括一前置放大器6、一隔离电路7、信号处理电路、一模数/数模转换电路11、以及PC微机14、单片微机12、打印显示电路13；其中信号发生器1产生的激励信号为交变正弦电压信号，该信号经隔离电路2输入至电压电流转换电路3，将电压信号转变为电流信号后加在两个外电极31、32上；两内电极61、62，检测由激励电流在所测二点产生的电压差信号，将该信号加到前置放大器6，经放大后通过隔离电路7，该信号被耦合到信号处理电路；本实施例中信号处理电路包括：一相关检测电路9及一参考信号形成电路10，本实施例中参考信号电路10产生一正弦信号，该参考信号和经相移电路8补偿的检测信号同时输入到相关检测电路9，二信号相乘检出与参考信号相同频率的被测信号成份，给出由直流模拟量表示的被测信号，该信号再经模数转换电路11转换为数字式信号，再由微机部分处理及显示或打印，参考信号形成电路10可将信号发生器1所产生的正弦电压信号转变成所需的参考信号，如正弦信号或方波信号；单片微机12的控制输出端信号用于选通信号发生器的开关和信号频率；单片微机12通过数模转换电路11选通相关检测电路9并控制数据读入；单片微机12的ROM中存储了大量样本(大于700例)经微机12处理分析后的测量结果由打印显示电路13显示。
测量结果还可由总线RS-232传输给PC微机14以便于数据的保存与计算。本测量仪的测量数据可以阻抗率Ω.CM表示。
如图2及3所示，其为本发明的一实施例电路图；
在信号产生电路中，交流信号发生器1采用型号为ICL 8038的精密函数发生器21，隔离电路2采用变压器24，电压电流转换电路3采用运算放大器26；精密函数发生器21所产生信号的频率及波形由其外围的电阻、电容元件调节；精密函数发生器21产生的正弦信号通过由一运算放大器构成的缓冲器23，输至隔离变压器24，再经一由一运算放大器构成的缓冲器25输至运算放大器26，其将电压信号转换为电流信号，该电流信号加在电极板31、32上；
在检测电路中，前置放大器6为一前置差分放大器，其包括三个运算放大器34，隔离电路7采用变压器36，移相电路8采用一运算放大器38，相关检测电路9包括一开关乘法器39及一运算放大器40，运算放大器组成二阶低通滤波器作平滑处理；开关乘法器39可采用型号为CMOS4053的集成电路，参考信号形成电路10为一高速比较器43；电路中二个并接在二内侧电极61、62间的二极管33起输入过载保护作用；由激励电流在被测体上产生的电位差由内侧电极板61、62检测到，该检测信号经由一运算放大器构成的缓冲器35，输至隔离变压器36，再经一由一运算放大器构成的缓冲器37输至运算放大器38，其输出信号输至开关乘法器39，来自高速比较器43的参考信号同时输至开关乘法器39，两信号相乘检出与参考方波信号同频率的被测信号成份。相关检测电路9给出由直流模拟量表示的被测信号信息；该模拟信号输至经模数转换电路11转换为数字信号，以便于后序微机14、单片微机12及打印显示电路13的进行处理。
所述交流信号发生器(1)产生激励信号电流频率可分别选择低频点为：100Hz～10KHz，高频点为：100KHz～20MHz，特征频点为：30～50KHz。
本发明的实施例中的单片微机12采用Intel P8031AH；精密函数发生器21采用型号为ICL 8038的集成电路；电压电流转换电路(3)采用运算放大器26的型号LF356H；高速比较器43的型号为LM319三个运算放大器34的型号为TL082；开关乘法器39采用型号为CMOS4053的集成电路；两内电极上并接的二极管采用ES1588二极管。
本发明的实施例中的隔离变压器24、36及隔离变压器36可采用1∶1铁氧体高频隔离变压器；电极31、32、61、62的形状为带状：d＞1.5R或盘式：d＞2.3R，其中d为相邻的电流电极和电压电极之间的距离，R为电压电极所在处肢体的半径。
本发明的实施例中的电极采用带状电极板，其材料采用0.08MM厚6MM宽的不锈钢。

Claims (13)

1.一种生物体体液分布测量分析仪，其特征在于，包括四个电极板、一信号产生电路及一信号检测电路；
其中两个电极板位于测量部位的外侧，另两个电极板位于测量部位的内侧；
所述信号产生电路包括一交流信号发生器(1)、一隔离电路(2)、一电压电流转换电路(3)；所述交流信号发生器(1)产生一激励电压信号，经隔离电路(2)将该信号输入到所述电压电流转换电路(3)，其将电压信号转换为电流信号，该信号加在所述两外侧电极板(31)、(32)上；
所述信号检测电路包括一前置放大器(6)、一隔离电路(7)、一信号处理电路、一模数/数模转换电路(11)、一微机(14)、一单片微机(12)及一打印显示单元(13)；由所述两内侧电极板(61)、(62)检测的电压信号经所述前置放大器(6)放大后，经所述隔离电路(2)将该信号输入到所述信号处理电路，以消除信号中的相移、频率偏移以及由被测体在低频测量中存在的电极化影响，经处理后的信号再经所述模数/数模转换电路(11)转换为数字信号，以便于所述微机(14)、单片微机(12)及打印/显示电路(13)进行数字化处理。
2.根据权利要求1所述的生物体体液分布测量分析仪，其特征在于：所述信号处理电路包括一用于补偿由电路造成的附加相移的移相电路(8)、一相关检测电路(9)及一用于产生参考信号，如正弦信号或方波信号的参考信号形成电路(10)；
经所述相移电路处理(8)的信号与参考信号同时输入到所述相关检测电路(9)，经两信号相乘，检出与参考信号同频率的被测信号，输出一直流模拟信号。
3.根据权利要求1或2所述的生物体体液分布测量分析仪，其特征在于：所述信号产生电路中，所述交流信号发生器(1)采用精密函数发生器(21)，隔离电路(2)采用变压器(24)，电压电流转换电路(3)采用运算放大器(26)；
所述精密函数发生器(21)产生的激励电压信号为正弦信号，该正弦信号通过由一运算放大器构成的缓冲器(23)，输至所述隔离变压器(24)，再经由一运算放大器构成的缓冲器(25)输至所述运算放大器(26)，其将电压信号转换为电流信号，该电流信号加在所述外侧电极板(31)、(32)上；
4.根据权利要求1或2所述的生物体体液分布测量分析仪，其特征在于：所述信号检测电路中，所述前置放大器(6)采用前置差分放大器：其包括三个运算放大器(34)，隔离电路(7)采用变压器(36)，移相电路(8)采用一运算放大器(38)，相关检测电路(9)包括一开关乘法器(39)及一运算放大器(40)；参考信号形成电路(10)为一高速比较器(43)；
由内侧电极板(61)、(62)检测到的被测体上产生的电压信号经三个运算放大器(34)放大，再经由一运算放大器构成的缓冲器(35)，输至隔离变压器(36)，再经一由一运算放大器构成的缓冲器(37)输至运算放大器(38)，其输出信号输至开关乘法器(39)，来自高速比较器(43)的参考方波信号同时输至开关乘法器(39)，两信号相乘检出与参考方波信号同频率的被测信号成份；相关检测电路(9)给出由直流模拟量表示的被测信号；该模拟信号输至模数转换电路(11)转换为数字信号，以便于后续微机(14)、单片微机(12)及打印显示电路(13)进行处理。
5.根据权利要求1所述的生物体体液分布测量分析仪，其特征在于：所述交流信号发生器(1)产生激励正弦电压信号，频率分别选择低频点为：100Hz～10KHz，高频点为：100KHz～20MHz，特征频点为：30～50KHz。
6.根据权利要求1所述的生物体体液分布测量分析仪，其特征在于：所述交流信号发生器(1)采用数字波形发生器。
7.根据权利要求1所述的生物体体液分布测量分析仪，其特征在于：所述交流信号发生器(1)采用分立LRC或晶振构成的波形发生器。
8.根据权利要求1或2所述的生物体体液分布测量分析仪，其特征在于：所述相关检测电路采用模拟乘法器。
9.根据权利要求1或2所述的生物体体液分布测量分析仪，其特征在于：所述相关检测电路采用锁相环。
10.根据权利要求3所述的生物体体液分布测量分析仪，其特征在于：所述变压器(24)及变压器(36)采用1∶1铁氧体高频隔离变压器。
11.根据权利要求3所述的生物体体液分布测量分析仪，其特征在于：所述电极板(31)、(32)、(61)、(62)的形状为带状，其相邻的电流电极和电压电极之间的距离大于电压电极所在处肢体的半径的1.5倍。
12.根据权利要求3所述的生物体体液分布测量分析仪，其特征在于：所述电极板(31)、(32)、(61)、(62)的形状为盘状，其中相邻的电流电极和电压电极之间的距离大于电压电极所在处肢体的半径的2.3倍。
13.根据权利要求8所述的生物体体液分布测量分析仪，其特征在于：所述的带状电极板(31)、(32)、(61)、(62)的材料采用0.08MM厚6MM宽的不锈钢。
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