CN113143242A - 一种用于测量人体脊柱骨电抗的电路系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量人体脊柱骨电抗的电路系统，电路系统接上测量电极，可测量得到电极两端的电阻电容特性从而实现分辨脊柱骨的种类以及判断是否患病。所述电路系统包括主控系统、开关电流源电路、电极端子、双差分信号放大器和模数转换电路。所述主控系统提供开关信号到开关电流源电路，开关电流源电路给电极端子提供开关电流激励，开关电流源的电压信号通过电极端子进入人体脊柱骨中，并将电极端子的响应信号发送到双差分信号放大器中，经过两级放大后由模数转换电路转换为数字信号传递至主控系统中，通过主控系统对比测量的数字信号与正常的人体脊柱骨电抗的数字信号，监测是否有出血现象，分辨脊柱骨的种类以及判断是否患病。
Description
技术领域
本发明涉及脊柱骨电抗测量领域，特别涉及一种用于测量人体脊柱骨电抗的电路系统。
背景技术
生物电阻抗测量技术，是一种利用生物组织或器官的电特性及其变化规律提取与人体病理特征、身体状况相关信息的检测技术。该技术具有微创、高精度、高识别率等特点，可用于对生物体内的各种电参数进行测量与监视。由于人体脊柱内的不同骨组织具有不同的介电特性，且同一种脊柱骨组织在生理病理状态下的介电特性也是不同的，因此，可以通过给脊柱骨注入很小的安全电流，测量脊柱骨组织的介电特性，来为诊断脊柱骨是否患病提供参考信息。
对于现有的测量生物体电抗特性的电路系统，有许多因素对其准确性造成不良影响。其中，由于血液的介电特性与生物组织相差较大，因此测量时周围出血会对测量结果造成十分巨大的影响。本发明通过开关电流源电路充放电的测量方法，能有效地检测出测量脊柱骨发生出血的状态，并正确区分人体脊柱骨的种类以及判断是否患病。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种专用于测量人体脊柱骨电抗的电路系统，可以测量脊柱骨的种类以及判断其是否患病，为医生诊断脊柱骨提供参考信息。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于测量人体脊柱骨电抗的电路系统，电路系统接上测量电极，可测量得到电极两端的电阻电容特性从而实现分辨脊柱骨的种类以及判断是否患病。所述电路系统包括主控系统、开关电流源电路、电极端子、双差分信号放大器和模数转换电路。
所述主控系统提供开关信号到开关电流源电路，开关电流源电路给电极端子提供开关电流激励，开关电流源的电压信号通过电极端子进入人体脊柱骨中，并将电极端子的响应信号发送到双差分信号放大器中，经过两级放大后由模数转换电路转换为数字信号传递至主控系统中，通过主控系统对比测量的数字信号与正常的人体脊柱骨电抗的数字信号，分辨脊柱骨的种类以及判断是否患病。
进一步地，所述主控系统由单片机和其外围电路构成，外围电路给单片机提供纯净的电源和时钟源以稳定单片机的工作状态。由单片机软件控制主控系统的工作状态。主控系统输出开关信号到开关电流源电路中，以控制电路系统的采样间隔。主控系统从模数转换电路中读取测量的数字信号，由单片机软件处理。当发现异常或者需要给测量者做出指示时，主控电路控制外围的LED报警电路及蜂鸣器电路，发出不同的灯光组合或者不同频率的声音报警信号。
进一步地，所述单片机软件通过软件编程的方式控制单片机对硬件电路实现可编程操作。单片机软件主要功能在于，计算主控电路给电极端子提供的开关电流源频率，高电平时间和低电平时间，计算主控电路给模数转换电路的采样触发时间，采样触发间隔和采样触发次数。单片机软件的执行流程为：电路系统上电时进行软硬件初始化，开始工作后单片机软件控制电流源高电平激励并持续一段时间，令电路系统充电。单片机软件控制电流源关闭激励，令测量电路放电，测量电压会根据待测电路的阻容特性而下降。单片机软件控制模数转换电路按照一定时间间隔采集测量电压，并通过该电压曲线求出人体脊柱骨电抗。
进一步地，所述开关电流源电路主要由开关器件，可调电流源以及运放电路构成。所述开关器件选用MOS管，接受主控系统的开关信号控制开关电流源电路的开关状态。可调电流源主要由开关电流源芯片组成，给开关电流源电路提供稳定纯净的参考电流源。运放电路起到电压跟随，给电极端子输出冲激激励信号以及过流保护的功能。
进一步地，所述电极端子用于电路系统与测量电极之间的电气连接。为了保证电气连接不影响测量特性，电极端子直插式接触测量电极以增加接触面积，减小接触电阻以减小测量误差。电极端子接收开关电流源电路输出的开关电流激励信号，经过测量电极输出到待测的人体脊柱骨中，再通过测量电极将待测的人体脊柱骨响应信号反馈回电极端子，并输出至双差分信号放大器中。
进一步地，所述双差分信号放大器由两个运算放大器级联组成，用于将采样到的电压信号放大到模数转换器可以转换的最佳量程内，以使得模数转换器达到最佳的转换精度。所述双差分信号放大器中的两个运算放大器级联电路中，包含两个反向的肖特基二极管以及两个阻值差值较大的电阻，所述肖特基二极管将运算放大器的充电回路和放电回路分开，并分别使用不同的电阻串联至充电或者放电电路中，以此改变运算放大器的充电时常数和放电时常数。
进一步地，充电时常数决定了测量电极响应电压的上升时间，响应电压的上升时间越长，测量越精确；放电时常数决定了测量电极响应电压的下降时间，由于模数转换电路不采样响应电压的下降时间，所以下降时间越快越好。
进一步地，所述电路系统中还包括零点调整电路与过压保护电路，所述零点调整电路可通过手动或主控系统调整双差分信号放大器的偏置电压，使得在没有信号输入时保证双差分信号放大器的输出为零伏特，而不是产生一个零点漂移电压；所述过压保护电路在电路系统输入电压超过安全电压时，对整个电路系统进行断电保护，以保证待测生物体以及测量电路的安全。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种用于测量人体脊柱骨电抗的电路系统，通过采用开关电流源电路充放电的测量方法，能准确测量出脊柱骨的介电特性，对比测量结果与参考结果可以区分人体脊柱骨的种类以及判断该脊柱骨是否患病。此外，该方法可以有效地检测出测量脊柱骨时是否发生出血现象。
附图说明
图1为主控系统、开关电流源电路和双差分放大器电路原理图；
图2为动物实验中测量猪脊柱骨不同骨组织的电压曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种用于测量人体脊柱骨电抗的电路系统，其特征在于，电路系统接上测量电极，可测量得到电极两端的电阻电容特性从而实现分辨脊柱骨的种类以及判断是否患病。如图1所示，所述电路系统包括主控系统、开关电流源电路、电极端子、双差分信号放大器和模数转换电路。
所述主控系统提供开关信号到开关电流源电路，开关电流源电路给电极端子提供误差小于6％的10mA开关电流激励，开关电流源的电压信号通过电极端子进入人体脊柱骨中，并将电极端子的响应信号发送到双差分信号放大器中，经过两级放大后由模数转换电路转换为数字信号传递至主控系统中，通过主控系统对比测量的数字信号与正常的人体脊柱骨电抗的数字信号，分辨脊柱骨的种类以及判断是否患病。
所述主控系统由单片机和其外围电路构成，外围电路给单片机提供纯净的电源和时钟源以稳定单片机的工作状态。由单片机软件控制主控系统的工作状态。主控系统输出开关信号到开关电流源电路中，以控制电路系统的采样间隔。主控系统从模数转换电路中读取测量的数字信号，由单片机软件处理。当检测到出血状况或者需要给测量者做出指示时，主控电路控制外围的LED报警电路及蜂鸣器电路，发出不同的灯光组合或者不同频率的声音报警信号。
所述单片机软件通过软件编程的方式控制单片机对硬件电路实现可编程操作。单片机软件主要功能在于，计算主控电路给电极端子提供的开关电流源频率，高电平时间和低电平时间，计算主控电路给模数转换电路的采样触发时间，采样触发间隔和采样触发次数。单片机软件的执行流程为：电路系统上电时进行软硬件初始化，开始工作后单片机软件控制电流源高电平激励并持续10到100ms，令电路系统充电。单片机软件控制电流源关闭激励，令测量电路放电，测量电压会根据待测电路的阻容特性而下降。单片机软件控制模数转换电路按照一定时间间隔采集测量电压，并通过该电压曲线求出人体脊柱骨电抗。具体方法为：通过放电公式
其中Vt和t为所测的电压曲线数据对；A为常数，与双差分放大器的放大倍数和模数转换电路有关；V0为开始放电时的电压，即是电压曲线上的第一个电压；r为与电极端子串联的电阻阻值；R与C为待测脊柱骨的电阻值与电容值。通过该公式，利用电压曲线上的Vt与t的数据对、串联电阻阻值r和常数e，可以求出脊柱骨的介电特性R与C。
所述开关电流源电路主要由开关器件，可调电流源以及运放电路构成。所述开关器件选用MOS管，接受主控系统的开关信号控制开关电流源电路的开关状态。可调电流源主要由开关电流源芯片组成，给开关电流源电路提供稳定纯净的参考电流源。运放电路起到电压跟随，给电极端子输出冲激激励信号以及过流保护的功能。
所述电极端子用于电路系统与测量电极之间的电气连接。为了保证电气连接不影响测量特性，电极端子直插式接触测量电极以增加接触面积，减小接触电阻以减小测量误差。电极端子接收开关电流源电路输出的开关电流激励信号，经过测量电极输出到待测的人体脊柱骨中，再通过测量电极将待测的人体脊柱骨响应信号反馈回电极端子，并输出至双差分信号放大器中。
所述双差分信号放大器由两个运算放大器级联组成，用于将采样到的电压信号放大到模数转换器可以转换的最佳量程内，以使得模数转换器达到最佳的转换精度。所述双差分信号放大器中的两个运算放大器级联电路中，包含两个反向的肖特基二极管以及一个几十欧姆和一个几十千欧的电阻，所述肖特基二极管将运算放大器的充电回路和放电回路分开，并分别使用不同的电阻串联至充电或者放电电路中，以此改变运算放大器的充电时常数和放电时常数。
充电时常数决定了测量电极响应电压的上升时间，响应电压的上升时间越长，测量越精确；放电时常数决定了测量电极响应电压的下降时间，由于模数转换电路不采样响应电压的下降时间，所以下降时间越快越好。
所述电路系统中还包括零点调整电路与过压保护电路，所述零点调整电路可通过手动或主控系统调整双差分信号放大器的偏置电压，使得在没有信号输入时保证双差分信号放大器的输出为零伏特，而不是产生一个零点漂移电压；所述过压保护电路在电路系统输入电压超过安全电压时，对整个电路系统进行断电保护，以保证待测生物体以及测量电路的安全。
实施例
本发明可应用于人体脊柱骨诊断器械中，用于检测人体脊柱骨是否患病，为医生诊断提供参考信息。本发明可以通过监测测量数字信号的数值，判断是否在测量过程中发生出血现象，并通过外围的LED报警电路及蜂鸣器电路做出相应的灯光与声音警报。
由于猪的脊柱骨和人体的脊柱骨特性相似，因此选取了一只生长状况良好的猪做动物实验。将测量电路的电极端子连接锥形的测量电极，对该猪脊柱骨进行穿刺测量，从上位机上读取实时的电压曲线图。
我们一共进行了组实验，分别对猪脊柱骨的皮质骨、松质骨和血液的介电常数进行测量。实验结果如图2所示。在未插入脊柱骨时，由于电路断路未导通，测量到的电压为0。由于血液的电导率比骨头高很多，因此在发生出血现象时，电路系统可以立刻检测到并做出报警。插入脊柱骨后，松质骨和皮质骨响应的电压曲线区分度很高，松质骨的电压曲线比皮质骨高出将近一倍，且每次测量结果相对稳定。
本专利不局限于上述最佳实施方式。任何人在本专利的启示下都可以得出其他各种形式的用于测量人体脊柱骨电抗的电路系统，凡依照本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种用于测量人体脊柱骨电抗的电路系统，其特征在于，电路系统接上测量电极，可测量得到电极两端的电阻电容特性从而实现分辨脊柱骨的种类以及判断是否患病。所述电路系统包括主控系统、开关电流源电路、电极端子、双差分信号放大器和模数转换电路。
所述主控系统提供开关信号到开关电流源电路，开关电流源电路给电极端子提供开关电流激励，开关电流源的电压信号通过电极端子进入人体脊柱骨中，并将电极端子的响应信号发送到双差分信号放大器中，经过两级放大后由模数转换电路转换为数字信号传递至主控系统中，通过主控系统对比测量的数字信号与正常的人体脊柱骨电抗的数字信号，分辨脊柱骨的种类以及判断是否患病。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量人体脊柱骨电抗的电路系统，其特征在于，所述主控系统由单片机和其外围电路构成，外围电路给单片机提供纯净的电源和时钟源以稳定单片机的工作状态。由单片机软件控制主控系统的工作状态。主控系统输出开关信号到开关电流源电路中，以控制电路系统的采样间隔。主控系统从模数转换电路中读取测量的数字信号，由单片机软件处理。当发现异常或者需要给测量者做出指示时，主控电路控制外围的LED报警电路及蜂鸣器电路，发出不同的灯光组合或者不同频率的声音报警信号。
3.根据权利要求2所述的一种用于测量人体脊柱骨电抗的电路系统，其特征在于，所述单片机软件通过软件编程的方式控制单片机对硬件电路实现可编程操作。单片机软件主要功能在于，计算主控电路给电极端子提供的开关电流源频率、高电平时间和低电平时间，计算主控电路给模数转换电路的采样触发时间、采样触发间隔和采样触发次数。单片机软件的执行流程为：电路系统上电时进行软硬件初始化，开始工作后单片机软件控制电流源高电平激励并持续一段时间，令电路系统充电。单片机软件控制电流源关闭激励，令测量电路放电，测量电压会根据待测电路的阻容特性而下降。单片机软件控制模数转换电路按照一定时间间隔采集测量电压，并通过该电压曲线求出人体脊柱骨电抗。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量人体脊柱骨电抗的电路系统，其特征在于，所述开关电流源电路主要由开关器件，可调电流源以及运放电路构成。所述开关器件选用MOS管，接受主控系统的开关信号控制开关电流源电路的开关状态。可调电流源主要由开关电流源芯片组成，给开关电流源电路提供稳定纯净的参考电流源。运放电路起到电压跟随、给电极端子输出冲激激励信号以及过流保护的功能。
5.根据权利要求1所述的一种用于测量人体脊柱骨电抗的电路系统，其特征在于，所述电极端子用于电路系统与测量电极之间的电气连接。为了保证电气连接不影响测量特性，电极端子直插式接触测量电极以增加接触面积，减小接触电阻以减小测量误差。电极端子接收开关电流源电路输出的开关电流激励信号，经过测量电极输出到待测的人体脊柱骨中，再通过测量电极将待测的人体脊柱骨响应信号反馈回电极端子，并输出至双差分信号放大器中。
6.根据权利要求1所述的一种用于测量人体脊柱骨电抗的电路系统，其特征在于，所述双差分信号放大器由两个运算放大器级联组成，用于将采样到的电压信号放大到模数转换器可以转换的最佳量程内，以使得模数转换器达到最佳的转换精度。所述双差分信号放大器中的两个运算放大器级联电路中，包含两个反向的肖特基二极管以及两个阻值差值相差千倍的电阻，所述肖特基二极管将运算放大器的充电回路和放电回路分开，并分别使用不同的电阻串联至充电或者放电电路中，以此改变运算放大器的充电时常数和放电时常数。
7.根据权利要求6所述的一种用于测量人体脊柱骨电抗的电路系统，其特征在于，充电时常数决定了测量电极响应电压的上升时间，响应电压的上升时间越长，测量越精确；放电时常数决定了测量电极响应电压的下降时间，由于模数转换电路不采样响应电压的下降时间，所以下降时间越快越好。
8.根据权利要求1所述的一种用于测量人体脊柱骨电抗的电路系统，其特征在于，所述电路系统中还包括零点调整电路与过压保护电路，所述零点调整电路可通过手动或主控系统调整双差分信号放大器的偏置电压，使得在没有信号输入时保证双差分信号放大器的输出为零伏特，而不是产生一个零点漂移电压；所述过压保护电路在电路系统输入电压超过安全电压时，对整个电路系统进行断电保护，以保证待测生物体以及测量电路的安全。
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