CN1723844A - 模拟解调方式的混频生物阻抗测量系统 - Google Patents

Abstract

采用模拟解调方式混频测量生物电阻抗的系统。系统分为上位机和下位机两部分。上位机设定正弦电流激励信号的幅值和频率配置信息，通过串口送到下位机。下位机以数字信号处理器作为主控制器，由信号发生单元产生包含高低两种频率成分的混频激励电压信号和参考信号，混频激励电压信号经电压控制电流源变为混频激励电流信号，经模拟开关和电极驱动连接于激励电极。测量电极经电极缓冲与开关阵列相连，来自测量电极的电压信号经差分放大电路放大后，经解调滤波电路获得与生物体阻抗信息相关的直流信号。通过采用两种频率的混频激励模态方式配合虚参考矢量方法，获取两种频率下的电阻抗信息的实部和虚部，消除了电流转换和传输过程中相移造成的误差。

Description

模拟解调方式的混频生物阻抗测量系统

                              技术领域

本发明属于生物信息检测领域，具体涉及到在混频激励模式下采用模拟解调方式测量生物电阻抗的系统。

                              背景技术

生物电阻抗测量技术是利用生物组织与器官的电特性(阻抗、导纳、介电常数等)及其变化，提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术。早期，主要采用单频率激励模式，根据生物组织频率阻抗特性，在β频散段内，细胞膜电容基本稳定，随着频率的增加，膜电容的容抗减小，外加电流由低频时绕过细胞膜流经细胞外液到高频时穿过细胞膜流经细胞内外液。为了获取细胞内信息，必须利用高频电流流经细胞内外液的特性，因此单一激励频率下测得的生物组织电阻抗信息不能全面反映生物体状况。目前多采用多频率的激励模式，即分别采用不同频率的信号进行激励，并测量该频率的生物阻抗，但是人体是动态的，该方法不能分析同一生命活动在不同激励频率下的信息，而且不同测量频点切换时，新频率下生物电阻抗信息测量的建立时间较长，所以这种分时测量的方法所提供的数据不能准确反映某时刻生物体的电阻抗信息。由于通过人体的激励电流必须符合安全标准，往往采用小于1mA的交流电流，因此测量的信号非常微弱，主要通过相敏解调的方法进行信号的测量。目前常用的解调方法有开关解调、数字解调和乘法解调。开关解调方法在运放增益切换过程中，不可避免的要引入干扰，而且参考信号不是理想的方波，当激励频率提高，其影响越来越大；数字解调方法对模数转换(A/D)和处理器的计算能力的要求很高，处理也相对复杂，将其应用于生物电阻抗测量系统中的可行性研究正在进行当中；而乘法解调方法实现相对简单，不易引入干扰，且不受频率影响。常规的开关解调、乘法解调和数字解调主要针对单频率信号的处理。

                              发明内容

本发明的目的是提供一种采用模拟解调方式的混频生物阻抗测量的系统，可测量同一时刻不同频率下的生物阻抗。

本发明的工作原理如附图1～3所示。模拟解调方式的混频生物阻抗测量系统，具有上位机1、数字信号处理器2、信号发生单元3、电流源4、模拟开关5、电极驱动6、激励电极7、测量电极8、电极缓冲9、开关阵列10、差分放大电路11、解调滤波电路12、串口13、A/D转换14、下位机15、锁存器21、译码器22和加法器24等。系统分为上位机1和下位机15两部分，上位机1设定正弦电流激励信号的幅值和频率配置信息，通过串口13传送到下位机15进行配置，上位机1将下位机15传送来的信号进行分析计算，在屏幕上显示出计算结果，同时画出实时曲线。下位机以数字信号处理器2(DSP)作为主控制器，主要负责根据上位机配置信息产生作用于生物体的电流激励信号，采集由此激励产生的电压信号，并对该信号进行解调滤波后传送到上位机。即由信号发生单元3产生包含高低两种频率成分的混频激励电压信号18和参考信号17，混频激励电压信号经电压控制电流源4变为混频激励电流信号19，经一个8选1模拟开关5和电极驱动6连接于8个激励电极7。测量电极8经电极缓冲9与开关阵列10相连。来自测量电极的电压信号经差分放大电路11放大后，经解调滤波电路12获得与生物体阻抗信息相关的直流信号20，此直流信号再经A/D转换14和数字信号处理器2送往上位机1。由上位机进行数据处理及显示结果，从而完成整个测量过程。

信号发生单元是该系统的重要组成部分，如图2所示，根据虚参考矢量方法，参考信号V_r1必须正交于参考信号V_r2，激励电流频率必须与对应的参考信号频率完全相等。该信号发生单元3用6片直接数字合成(DDS)芯片产生正弦信号，其中以DDS_1和DDS_2作为激励电压源，DDS_1产生低频激励电压信号；DDS_2产生高频激励电压信号；DDS_3和DDS_4产生正交的低频参考信号；DDS_5和DDS_6产生正交的高频参考信号。DSP通过锁存器21和译码器22对DDS芯片进行控制。DDS_1和DDS_2，DDS_3和DDS_4以及DDS_5和DDS_6三组由数字信号处理器2分别进行控制，利用AD7008的LOAD功能，使信号控制保持同步，并保证同频参考信号的正交性。所有直接数字合成(DDS)芯片产生的波形包含高次谐波，通过低通滤波与放大单元23滤除高次谐波，同时对信号进行放大，获得频率成分纯净的正弦信号，对于两种频率的激励电压信号经加法器24进行混频后，由电压控制电流源4变为混频激励电流信号。

为了保证激励与参考信号同频，并避免不同DDS芯片采用的不同晶振动输出频率存在误差的影响，所有6个DDS芯片共有一个50MHz的晶振。本发明利用AD844第二代电流传输器功能，设计的电压控制电流源将信号发生器的正弦波电压信号转换为电流信号。该电压控制电流源4在低频段具有较好稳流特性，但随频率增加其输出阻抗仍有所下降，为了保证不同频率下电流输出幅值恒定，本发明利用参考电阻r作为反馈电阻，并对其电压信号不断采样，动态调整信号源输出幅值，其控制框图如图3所示。

本发明的有益效果是：通过采用两种频率的混频激励模态方式配合虚参考矢量方法，应用模拟解调方式，同时获取两种频率下的电阻抗信息的实部和虚部，且消除了电流转换和传输过程中相移造成的误差，从而为临床应用提供更加完备的信息。

                              附图说明

附图1为测量系统结构图。图中：上位机-1；数字信号处理器-2；信号发生单元-3；电流源-4；模拟开关-5；电极驱动-6；激励电极-7；测量电极-8；电极缓冲-9；开关阵列-10；差分放大电路-11；解调滤波电路-12；串口-13；A/D转换-14；下位机-15；RS232接口-16；参考信号-17；混频激励电压信号-18；混频激励电流信号-19；与生物体阻抗信息相关的直流信号-20；锁存器-21；译码器-22；放大单元-23；加法器24。

附图2为信号发生单元结构图。

附图3为激励电流幅值动态调整。

附图4为差分放大后电阻上压降波形图。

附图5为两个相位差为90°、频率为10KHz的参考信号波形图。

附图6为两个相位差为90°、频率为10KHz的参考信号的李萨育图形。

                           具体实施方式

以下通过具体实施例并结合附图1～6，对本发明作进一步的说明。

本发明的工作原理前面已说明，在此不再赘述。信号发生单元是保证本方法实现的重要部分，通过实验对信号发生单元及电流源进行测试，通过上位机1设定的信号特征如下：

两个激励电流信号频率分别为10KHz、1MHz，峰峰值均为1mA，相位相同；

两组参考电压信号频率分别为10KHz、1MHz，峰峰值均为10V，要求每组中两信号相角差为90°。

实验测得200Ω电阻上压降经差分放大后波形如图4所示(差分放大电路将被测电阻上的压降放大8倍)；测得频率为10KHz的两个参考信号波形图与李萨育图如图8所示。由于被测电阻为200Ω，其上压降经差分放大电路放大8倍后，得到图7中混频电压信号峰峰值约为3.2V，可知与配置信息一致。图5为信号发生单元产生的同一频率的参考信号的波形图。为了清晰的体现其相位差，采用李萨育图形进行表示，如图6所示。两参考信号的李萨育图形为一个正圆，可知两参考信号相位差为90°，符合配置要求。

在符合要求的信号发生单元的保证下，该系统实现了在混频激励模式下两种频率阻抗信息的同时提取，且生物阻抗信息的实部和虚部也同时获得。以实际RC模拟电路为测量对象对系统进行测试，并将测量结果与Aligent4294A阻抗分析仪进行比较，测量相对误差＜5％。

利用该阻抗测量系统对人体进行测量，分别测量人体手-手之间、手-脚之间以及脚-脚之间的电阻抗，测量结果与经验数据一致。

Claims (2)

1.模拟解调方式的混频生物阻抗测量系统，具有上位机(1)、数字信号处理器(2)、信号发生单元(3)、电流源(4)、模拟开关(5)、电极驱动(6)、激励电极(7)、测量电极(8)、电极缓冲(9)、开关阵列(10)、差分放大电路(11)、解调滤波电路(12)、串口(13)、A/D转换(14)、下位机(15)、锁存器(21)、译码器(22)和加法器(24)，其特征是：系统分为上位机(1)和下位机(15)两部分，上位机(1)设定正弦电流激励信号的幅值和频率配置信息，通过串口(13)传送到下位机(15)，下位机以数字信号处理器(2)作为主控制器，由信号发生单元(3)产生包含高低两种频率成分的混频激励电压信号(18)和参考信号(17)，混频激励电压信号经电压控制电流源(4)变为混频激励电流信号(19)，经模拟开关(5)和电极驱动(6)连接于激励电极(7)，测量电极(8)经电极缓冲(9)与开关阵列(10)相连，来自测量电极(8)的电压信号经差分放大电路(11)放大后，经解调滤波电路(12)获得与生物体阻抗信息相关的直流信号(20)，此直流信号再经A/D转换(14)和数字信号处理器(2)送往上位机(1)。

2.按照权利要求1所述的模拟解调方式的混频生物阻抗测量系统，其特征是所述信号发生单元(3)用6片直接数字合成(DDS)芯片产生正弦信号，其中以DDS_1和DDS_2作为激励电压源，DDS_1产生低频激励电压信号；DDS_2产生高频激励电压信号；DDS_3和DDS_4产生正交的低频参考信号；DDS_5和DDS_6产生正交的高频参考信号；DSP通过锁存器(21)和译码器(22)对DDS芯片进行控制，DDS_1和DDS_2，DDS_3和DDS_4以及DDS_5和DDS_6三组由数字信号处理器(2)分别进行控制，并保证同频参考信号的正交性，所有直接数字合成(DDS)芯片产生的波形包含高次谐波，通过低通滤波与放大单元(23)滤除高次谐波，同时对信号进行放大，获得频率成分纯净的正弦信号，对于两种频率的激励电压信号经加法器(24)进行混频后，由电压控制电流源(4)变为混频激励电流信号。

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