一種配戴式多模式生物電阻抗頻譜測量裝置的製作方法
2023-09-19 23:35:10 1
專利名稱：一種配戴式多模式生物電阻抗頻譜測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量裝置，特別是一種基於微型化、低功耗設計實現的配戴式多模式生物電阻抗頻譜測量裝置，該裝置可在電池供電條件下隨身配戴使用，實現寬頻率範圍條件下的生物電阻抗的高速、高精度測量，結合無線通訊接口還可以實現多目標生物電阻抗的同時監測。
背景技術：
生物組織一般由細胞和細胞間質共同構成。其中的細胞間質中含有大量電解質溶液，從而會表現出純電阻特性，其導電特性與電解質溶液的含量和離子濃度密切相關。細胞則由細胞膜及其包裹的細胞質、細胞器和細胞核構成。其中細胞器和細胞核分布於細胞質之中，細胞質的電特性與細胞間質相似，也表現為純電阻特性，且導電特性與電解質溶液的含量和離子濃度相關。由於細胞膜是一層非導電的脂雙層結構，其上嵌著若干離子通道。因而其電特性與電容相似。基於以上的生物物理基礎，生物組織的電阻抗特性主要由膜外電阻、膜電容和膜內電阻等成分構成。其阻抗值與測量頻率密切相關，在音頻範圍內，其阻抗隨頻率的變化特性與其細胞形態結構、細胞的排列方式、細胞間質含量及電解質濃度密切相關。因而獲取這一頻段的組織或器官的電阻抗特性在了解組織的狀態、評價器官功能、病變組織識別等方面均有著重要的應用價值，因而在健康狀態評估、疾病的早期診斷、藥物療效監測與危重疾病的動態監測等領域有著誘人的發展前景。生物電阻抗頻譜測量技術就是在較寬的頻率範圍內，通過一系列頻率點處的電阻抗信息測量，獲取生物組織電阻抗隨測量頻率變化的規律信息，分析其與組織功能狀態之間的相關性的技術。在這一技術中，如何準確獲取各頻率下的電阻抗信息是分析的關鍵。目前的生物電阻抗頻譜測量技術多採用掃頻的工作模式，在同一時刻只採集一種頻率下的電阻抗信息，通過逐次掃描的方式獲取全部信息。這一技術的優勢在於其測量精度相對較高，但其不足之處在於測量速度相對較慢，難以適於電阻抗隨時間快速變化的組織(如心臟、肺部和腦部)測量要求。與此同時，根據生物電阻抗頻譜測量技術要求，其測量系統往往由高精度多頻信號源、激勵信號輸出緩衝器、響應電壓或電流檢測電路、相敏解調、模數轉換、中央控制器等模塊構成，系統結構相對複雜，特別是多頻信號源、相敏解調等模塊往往需要採用較多的集成晶片實現，因而系統體積較大，功耗較高，難以滿足運動目標的測量與監測要求。
發明內容
針對上述現有的生物電阻抗頻譜測量系統在阻抗測量速度和運動目標監測等方面存在的不足，本發明的目的在於，提供一種微型、低功耗的配戴式多模式生物電阻抗頻譜
測量裝置。為了實現上述任務，本發明採取如下的技術解決方案予以實現
一種配戴式多模式生物電阻抗頻譜測量裝置，其特徵在於，該裝置用電池供電，包括一個手持的主體，主體內的主要電路包括兩個激勵電極和兩個測量電極，其中，兩個激勵電極用於在被測目標體內建立交流電場，兩個測量電極用於拾取響應電壓信號；一個電壓放大器，用於接收兩個測量電極上的電壓差，並對其進行電壓放大、濾波；一個微處理器，用於對阻抗測量的參數控制與阻抗測量結果的讀取、顯示、存儲與傳輸；一個激勵信號發生器，用於通過變更合成數據的方式產生單一頻率成份的正弦波或具有多個頻率分量的混頻波形，輸出信號的頻率在ΙΗζ-ΙΜΗζ之間編程選擇；一個電流源，用於將激勵信號發生器產生的電壓信號轉換成具有高輸出阻抗的交流信號，並引入兩個激勵電極中；連接在微處理器上的無線通訊模塊，用於實現與外部某一主控系統進行採樣控制和數據結果傳輸；微處理器上還連接有電源調整與管理模塊。本發明的配戴式多模式生物電阻抗頻譜測量裝置，採用低功耗、微型化設計，實際應用中微處理晶片採用MSP430系列或其它具有微功耗、小體積特點的單片機，並採用常規的電池供電，使裝置可隨身攜帶，方便移動過程中的阻抗信息採集與記錄。綜上，本發明的配戴式多模式生物電阻抗頻譜測量裝置，帶來的技術效果在於1)採用數字合成技術產生具有多種輸出模式的激勵信號，輸出信號可靈活配置， 即可滿足掃頻激勵模式，又可滿足混頻激勵模式，可在較寬頻帶範圍內滿足快速、高精度測量要求，滿足快速電阻抗頻譜測量要求；2)採用運算量更少、計算速度更快的基於相關原理的正交數字解調法進行電阻抗信息的解調，使即使採用常規低功耗微處理器也能夠阻抗信息快速提取的要求；3)基於小型、低功耗要求設計，採用儘可能少的電子元件實現，體積小，功耗低，並滿足配戴使用要求。4)基於四電極法的激勵與測量接口單元設計，使系統滿足生物電阻抗測量的獨特要求；5)阻抗測量結果可通過無線網絡通訊方式傳輸給主控系統。
圖1是本發明的配戴式多模式生物電阻抗頻譜測量裝置的電路結構圖；圖2是本發明中激勵信號發生器的結構原理圖；圖3是本發明中混頻信號的合成方法示意圖；圖4是發明中採用的電流鏡結構的運算放大器原理圖；圖5是本發明中設計的電壓電流轉換器電路原理圖；圖6是本發明中解調模塊的工作流程示意圖；圖7是本發明所採用的差動電壓放大器的內部結構原理圖。圖中的標號分別表示301、基頻信號，302-304、基頻的不同倍頻信號，305、合成的混頻信號。以下結合附圖以及發明人提供的原理和實施例對本發明做進一步詳細說明。
具體實施例方式1、總體結構設計如圖1所示，本實施例給出一種配戴式多模式生物電阻抗頻譜測量裝置，該裝置用電池供電，包括一個手持的主體，主體內的主要電路採用低功耗的微處理器作為主控單元、基於數字合成技術的激勵信號發生器、電壓放大器、輸出激勵電流源和基於四電極法設計的激勵與測量電極及獨立的四個電極引線共同構成。其中，激勵與測量電極負責建立激勵電場和拾取響應電壓信號。主控單元負責對整個裝置的控制工作，並設置阻抗測量參數， 對激勵與測量電極採集的數據進行正交數字解調、儲存和傳輸管理，並對激勵與測量電極的工作狀態實時監控，控制測量參數；激勵信號發生器根據主控單元的模式選擇時鐘信號， 實現ΙΗζ-ΙΜΗζ之間的單一頻率或多頻率混合激勵信號輸出。根據生物電阻抗測量的相關技術要求，要求能夠產生一個頻率可調的多頻輸出激勵信號，本實施例給出了一個以數字合成技術為基礎的、具有多種輸出模式的激勵信號發生器，激勵信號發生器可以選擇某些符合要求的DDS商用晶片，也可採用可編程邏輯器件和數模轉換器(DAC)共同構成。其具體的信號產生過程是首先將一個完整周期的激勵信號波形按一定的等間隔點數位化，將信號的數值化樣本存入激勵信號發生器的存儲區域， 微處理器為激勵信號發生器提供一個控制時鐘。隨後，激勵信號發生器依照該時鐘依次循環讀取存儲區域裡事先存儲採樣值，將該採樣值通過DAC轉換成模擬信號輸出，實現激勵信號的波形合成。激勵信號發生器也可以通過改變時鐘信號頻率的方式來控制讀取採樣值的速度， 從而達到控制最終輸出信號頻率的目的。在電阻抗信息解調方面，傳統的做法是採用模擬相敏解調法或是基於快速的模數轉換後採用基於快速傅利葉變換(FFT)的數字解調算法。前者存在電路結構龐大、複雜且無法對混頻信號進行區分的不足，而後者雖然可以滿足混頻信號解調要求，但也存在對處理器運算速度要求較高，難以適於可攜式系統使用要求的不足。為此，本實施例給出一種基於相關原理的正交數字解調法。其解調算法原理是設混頻激勵後，獲得的與被測電阻抗相關的信號為
n-1^( ) = ^ A^i ^ikiOt + φ )
；=0其中，Iii為比例因子，1 = 1，其餘應為大於1的整數。ω為基頻角頻率，η為頻率數，Ai為第i個頻率成份時的激勵信號幅度，Zi對應著第i個頻率成分時電阻抗的模，Cti 對應第i個頻率成份時的相角。對一個周期的信號等間隔地進行N次採樣(N > 2max(k0, k1 …，U)得到序列
-ι2k πSn(J)=+^i), j = Ο,Ι,ΛΛ，Ν-1·
i=0 ^構建與各頻率相關的正弦序列sin (2^ π j/N)和餘弦序列cos (2^ π j/N)，並分別計算它們與序列Sn的內積可得
權利要求
1.一種配戴式多模式生物電阻抗頻譜測量裝置，其特徵在於，該裝置用電池供電，包括一個手持的主體，主體內的主要電路包括兩個激勵電極和兩個測量電極，其中，兩個激勵電極用於在被測目標體內建立交流電場，兩個測量電極用於拾取響應電壓信號；一個電壓放大器，用於接收兩個測量電極上的電壓差，並對其進行電壓放大、濾波； 一個微處理器，用於對阻抗測量的參數控制與阻抗測量結果的讀取、顯示、存儲與傳輸；一個激勵信號發生器，用於通過變更合成數據的方式產生單一頻率成份的正弦波或具有多個頻率分量的混頻波形，輸出信號的頻率在ΙΗζ-ΙΜΗζ之間編程選擇；一個電流源，用於將激勵信號發生器產生的電壓信號轉換成具有高輸出阻抗的交流信號，並引入兩個激勵電極中；連接在微處理器上的無線通訊模塊，用於實現與外部某一主控系統進行採樣控制和數據結果傳輸；微處理器上還連接有電源調整與管理模塊。
2.如權利要求1所述的配戴式多模式生物電阻抗頻譜測量裝置，其特徵在於，所述的微處理器採用MSP430系列或其它具有微功耗、小體積特點的單片機。
3.如權利要求1所述的配戴式多模式生物電阻抗頻譜測量裝置，其特徵在於，所述的激勵信號發生器基於數字合成技術實現，包括偏移地址發生器、波形數據存儲器，D/A轉換器和平滑濾波器，其偏移地址發生器與波形數據存儲器集成在同一晶片內部。
4.如權利要求1所述的配戴式多模式生物電阻抗頻譜測量裝置，其特徵在於，所述的微處理器自帶高速模數轉換器。
5.如權利要求1所述的配戴式多模式生物電阻抗頻譜測量裝置，其特徵在於，所述的電流源採用具有電流鏡結構的運算放大器和精密電阻構成。
全文摘要
本發明公開了一種可隨身攜帶的配戴式多模式生物電阻抗頻譜測量裝置，該裝置用電池供電，包括一個手持的主體，主體內的主要電路包括微處理器、激勵信號發生器、電流源、電壓放大器、測量與激勵電極、無線收發模塊；採用低功耗、微型化設計，具有體積小，可隨身攜帶，方便移動過程中的阻抗信息採集與記錄。
文檔編號A61B5/053GK102357035SQ20111030860
公開日2012年2月22日 申請日期2011年10月12日 優先權日2011年10月12日
發明者付峰, 劉銳崗, 史學濤, 季振宇, 尤富生, 徐燦華, 李威, 楊濱, 漆家學, 董秀珍, 霍旭陽 申請人:中國人民解放軍第四軍醫大學