CN1723845A - 数字解调方式的混频生物阻抗测量系统 - Google Patents
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Abstract
采用数字解调方式的混频生物阻抗测量系统。该系统由信号源模块、信号调理模块、数据采集卡和上位机组成。信号源模块内嵌单片机通过RS－232接口接收由上位机发出的配置信息，根据配置信息设置改变信号源模块输出混频信号的幅值、频率和相角。信号调理模块包括电极缓冲、差分运放、可编程增益放大和抗混叠滤波四部分，完成A/D采集前的信号预处理。数据采集卡将调理后的测量信号转换为数字信号，送入上位机中进行数字解调，数据采集卡的数字I/O与信号调理模块的放大单元构成自适应增益放大环节。本发明采用数字解调有效的消除大量模拟器件不匹配以及噪声所引入的干扰，从而为临床应用提供更加完备准确的信息。
Description
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，采用数字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，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，当激励频率提高时，其影响越来越大。乘法解调方法一般用乘法器和低通滤波器来实现模拟相敏解调。低通滤波器建立时间比较长，当阶数和截止频率确定后，建立时间也随之确定，速度不受控制，也很难提高。
数字解调相比谐波抑制能力强，无直流漂移，实行数字处理有好的灵活性等优点。可以根据需要随时调整采样速率，提高处理速度，测量精度高。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数字解调方式的混频生物阻抗测量系统，可同时测量同一时刻不同频率下的生物阻抗。
本发明系统结构如图1～2所示。数字解调方式的混频生物阻抗测量系统，具有信号源模块1、信号调理模块2、数据采集卡3、上位机4、单片机5、Rs-232接口6、EEPROM7、信号发生器8、加法器9、电压控制电流源10、运算放大器13、可编程增益放大器14和抗混叠滤波器15组成。测量系统由信号源模块1、信号调理模块2、数据采集卡3和上位机4组成。信号源模块1产生正弦混频激励电流信号，该模块内嵌单片机5通过RS-232接口6接收由上位机4发出的配置信息，根据配置信息设置改变正弦信号发生器8输出信号的幅值、频率和相角。信号调理模块2包括电极缓冲12、差分运算放大器13、可编程增益放大器14和抗混叠滤波器15四部分，完成A/D采集前的信号预处理。数据采集卡3一方面将调理后的测量信号转换为数字信号，送入上位机4机中；另一方面数据采集卡3的数字I/O与信号调理模块的放大单元构成自适应增益放大环节。具体到信号源模块1，是由单片机5、EEPROM 7、正弦信号发生器8、加法器9和电压控制电流源10组成，结构如图2所示。单片机5发出的配置信息、控制正弦信号发生器8产生设置的正弦电压信号，通过加法器9变为混频信号，经电压控制电流源10变为电流激励信号，施加于测量对象。系统工作时，首先由信号源模块1产生要求的电流激励信号，然后将激励信号加在被测阻抗上，响应信号经信号调理模块2进行预处理(放大，滤波)后由数据采集卡3转换成数字信号，送入PC机，完成计算、分析处理、显示和存储等功能。由于生物电阻抗信号属于强噪声背景下的微弱信号，由测量电极获取的信号均为毫伏级电压信号，在传输过程中容易耦合大量的噪声，使有用信号的提取变得困难。为了对此信号进行处理、测量，需要对其进行信号预处理。信号调理模块2包括电极缓冲12、差分运算放大器13、可编程增益放大器(PGA)14和抗混叠滤波器15，如图4所示。系统工作时，通过差分运算放大器13，消除共模干扰，然后根据信号的强弱，由多功能数据采集卡3的数字I/O产生控制信号，利用可编程增益放大器14将信号进行适当的放大，再经抗混叠滤波器15处理后，送到数据采集卡3，完成信号的调理。
信号源模块1还具有掉电保护功能，配置信息存于EEPROM 7中。信号发生器8是系统的一个重要环节。系统要求正弦波信号波形失真小、幅值稳定，且必须具有频率、幅值、相位可调节的功能。本发明采用两片具有50MHz时钟频率的直接数字合成芯片AD7008配以相应的接口电路及放大、滤波电路构成信号发生器。这两路正弦波可设定各自的频率、幅值和相位，由单片机进行控制，通过合理使用AD7008的LOAD功能及同一个晶振，可确保两路正弦波信号以准确的相位差输出。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10将信号发生器的正弦波电压信号转换为电流信号。电压控制电流源10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作为电流反馈单元，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，应用数字解调方式，同时获取两种频率下的电阻抗信息的实部和虚部，即幅值和相角，且消除了电流转换和传输过程中相移造成的误差，同时采用数字解调有效的大量模拟器件不匹配以及噪声所引入的干扰，从而为临床应用提供更加完备准确的信息。
附图说明
附图1为本发明系统结构图。
附图2为信号源模块结构图。
附图3为激励电流幅值动态调整。
附图4为信号调理模块结构图。
附图5为人体手-手之间电阻抗幅值曲线。
具体实施过程
本发明的工作原理前面已说明，在此不再赘述。以下通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步的说明。
本实施例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。以实际纯电阻、和由电阻和电容构成的三元件模型为测量对象对系统进行测试，混频激励信号的频率为50kHz和500kHz，并将测量结果与Aligent4294A阻抗分析仪进行比较，测量幅值相对误差＜2％，相角绝对误差＜0.1°。
以频率为50kHz和800kHz的混频激励信号对人体进行测量，分别测量人体手-手之间、手-脚之间以及脚-脚之间的电阻抗，测量结果如表1所示，在同一激励频率下，测量阻抗的幅值符合手-手之间最大，其次是手-脚之间，脚-脚之间阻值最小的规律，且人体阻抗的幅值在高频下的值小于低频下的值，相角在高频下的值小于低频下的值，所有测量结果与经验数据一致。
表1 人体测量结果
| 测量部位 | 50kHz阻抗值 | 800kHz阻抗值 | ||
| 幅值(Ω) | 相角(°) | 幅值(Ω) | 相角(°) | |
| 手-手 | 458.05 | -6.153 | 388.64 | -4.504 |
| 手-脚 | 414.94 | -7.195 | 350.70 | -1.154 |
| 脚-脚 | 306.40 | -10.035 | 233.96 | -4.869 |
图5所示为采用频率为100kHz和500kHz的混频进行激励，测量人体手-手之间电阻抗的幅值曲线(其中，横坐标为点数，每秒钟4个点，纵坐标为电阻抗幅值，单位为Ω，曲线①为低频幅值，曲线②为高频幅值)。由该曲线可以看出，该测量系统实现了在同时测量同一时刻不同频率下的生物阻抗的目的，测量结果精确的反映了人体电阻抗幅值随呼吸而起伏变化规律。
Claims (2)
1.数字解调方式的混频生物阻抗测量系统，具有数据采集卡(3)、上位机(4)、单片机(5)、RS-232接口(6)、EEPROM(7)、信号发生器(8)、加法器(9)、电压控制电流源(10)、运算放大器(13)、可编程增益放大器(14)和抗混叠滤波器(15)组成，其特征是：测量系统由信号源模块(1)、信号调理模块(2)、数据采集卡(3)和上位机(4)组成，在信号源模块(1)内嵌单片机(5)通过RS-232接口(6)接收由上位机(4)发出的配置信息，根据配置信息设置改变正弦信号发生器(8)输出信号的幅值、频率和相角；信号调理模块(2)包括电极缓冲(12)、差分运算放大器(13)、可编程增益放大器(14)和抗混叠滤波器(15)四部分，完成A/D采集前的信号预处理，数据采集卡(3)将调理后的测量信号转换为数字信号，送入上位机(4)中；数据采集卡(3)的数字I/O与信号调理模块的放大单元构成自适应增益放大环节。
2.按照权利要求1所述的数字解调方式的混频生物阻抗测量系统，其特征是所述信号源模块(1)由单片机(5)、EEPROM(7)、正弦信号发生器(8)、加法器(9)和电压控制电流源(10)组成，所述单片机(5)发出的配置信息、控制正弦信号发生器(8)产生设置的正弦电压信号，通过加法器(9)变为混频信号，经电压控制电流源(10)变为电流激励信号，施加于测量对象。
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