模擬解調方式的混頻生物阻抗測量系統的製作方法

2023-05-31 13:37:41 1

專利名稱：模擬解調方式的混頻生物阻抗測量系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於生物信息檢測領域，具體涉及到在混頻激勵模式下採用模擬解調方式測量生物電阻抗的系統。
背景技術：
生物電阻抗測量技術是利用生物組織與器官的電特性(阻抗、導納、介電常數等)及其變化，提取與人體生理、病理狀況相關的生物醫學信息的一種無損傷檢測技術。早期，主要採用單頻率激勵模式，根據生物組織頻率阻抗特性，在β頻散段內，細胞膜電容基本穩定，隨著頻率的增加，膜電容的容抗減小，外加電流由低頻時繞過細胞膜流經細胞外液到高頻時穿過細胞膜流經細胞內外液。為了獲取細胞內信息，必須利用高頻電流流經細胞內外液的特性，因此單一激勵頻率下測得的生物組織電阻抗信息不能全面反映生物體狀況。目前多採用多頻率的激勵模式，即分別採用不同頻率的信號進行激勵，並測量該頻率的生物阻抗，但是人體是動態的，該方法不能分析同一生命活動在不同激勵頻率下的信息，而且不同測量頻點切換時，新頻率下生物電阻抗信息測量的建立時間較長，所以這種分時測量的方法所提供的數據不能準確反映某時刻生物體的電阻抗信息。由於通過人體的激勵電流必須符合安全標準，往往採用小於1mA的交流電流，因此測量的信號非常微弱，主要通過相敏解調的方法進行信號的測量。目前常用的解調方法有開關解調、數字解調和乘法解調。開關解調方法在運放增益切換過程中，不可避免的要引入幹擾，而且參考信號不是理想的方波，當激勵頻率提高，其影響越來越大；數字解調方法對模數轉換(A/D)和處理器的計算能力的要求很高，處理也相對複雜，將其應用於生物電阻抗測量系統中的可行性研究正在進行當中；而乘法解調方法實現相對簡單，不易引入幹擾，且不受頻率影響。常規的開關解調、乘法解調和數字解調主要針對單頻率信號的處理。

發明內容
本發明的目的是提供一種採用模擬解調方式的混頻生物阻抗測量的系統，可測量同一時刻不同頻率下的生物阻抗。
本發明的工作原理如附圖1～3所示。模擬解調方式的混頻生物阻抗測量系統，具有上位機1、數位訊號處理器2、信號發生單元3、電流源4、模擬開關5、電極驅動6、激勵電極7、測量電極8、電極緩衝9、開關陣列10、差分放大電路11、解調濾波電路12、串口13、A/D轉換14、下位機15、鎖存器21、解碼器22和加法器24等。系統分為上位機1和下位機15兩部分，上位機1設定正弦電流激勵信號的幅值和頻率配置信息，通過串口13傳送到下位機15進行配置，上位機1將下位機15傳送來的信號進行分析計算，在屏幕上顯示出計算結果，同時畫出實時曲線。下位機以數位訊號處理器2(DSP)作為主控制器，主要負責根據上位機配置信息產生作用於生物體的電流激勵信號，採集由此激勵產生的電壓信號，並對該信號進行解調濾波後傳送到上位機。即由信號發生單元3產生包含高低兩種頻率成分的混頻激勵電壓信號18和參考信號17，混頻激勵電壓信號經電壓控制電流源4變為混頻激勵電流信號19，經一個8選1模擬開關5和電極驅動6連接於8個激勵電極7。測量電極8經電極緩衝9與開關陣列10相連。來自測量電極的電壓信號經差分放大電路11放大後，經解調濾波電路12獲得與生物體阻抗信息相關的直流信號20，此直流信號再經A/D轉換14和數位訊號處理器2送往上位機1。由上位機進行數據處理及顯示結果，從而完成整個測量過程。
信號發生單元是該系統的重要組成部分，如圖2所示，根據虛參考矢量方法，參考信號Vr1必須正交於參考信號Vr2，激勵電流頻率必須與對應的參考信號頻率完全相等。該信號發生單元3用6片直接數字合成(DDS)晶片產生正弦信號，其中以DDS_1和DDS_2作為激勵電壓源，DDS_1產生低頻激勵電壓信號；DDS_2產生高頻激勵電壓信號；DDS_3和DDS_4產生正交的低頻參考信號；DDS_5和DDS_6產生正交的高頻參考信號。DSP通過鎖存器21和解碼器22對DDS晶片進行控制。DDS_1和DDS_2，DDS_3和DDS_4以及DDS_5和DDS_6三組由數位訊號處理器2分別進行控制，利用AD7008的LOAD功能，使信號控制保持同步，並保證同頻參考信號的正交性。所有直接數字合成(DDS)晶片產生的波形包含高次諧波，通過低通濾波與放大單元23濾除高次諧波，同時對信號進行放大，獲得頻率成分純淨的正弦信號，對於兩種頻率的激勵電壓信號經加法器24進行混頻後，由電壓控制電流源4變為混頻激勵電流信號。
為了保證激勵與參考信號同頻，並避免不同DDS晶片採用的不同晶振動輸出頻率存在誤差的影響，所有6個DDS晶片共有一個50MHz的晶振。本發明利用AD844第二代電流傳輸器功能，設計的電壓控制電流源將信號發生器的正弦波電壓信號轉換為電流信號。該電壓控制電流源4在低頻段具有較好穩流特性，但隨頻率增加其輸出阻抗仍有所下降，為了保證不同頻率下電流輸出幅值恆定，本發明利用參考電阻r作為反饋電阻，並對其電壓信號不斷採樣，動態調整信號源輸出幅值，其控制框圖如圖3所示。
本發明的有益效果是通過採用兩種頻率的混頻激勵模態方式配合虛參考矢量方法，應用模擬解調方式，同時獲取兩種頻率下的電阻抗信息的實部和虛部，且消除了電流轉換和傳輸過程中相移造成的誤差，從而為臨床應用提供更加完備的信息。


附圖1為測量系統結構圖。圖中上位機-1；數位訊號處理器-2；信號發生單元-3；電流源-4；模擬開關-5；電極驅動-6；激勵電極-7；測量電極-8；電極緩衝-9；開關陣列-10；差分放大電路-11；解調濾波電路-12；串口-13；A/D轉換-14；下位機-15；RS232接口-16；參考信號-17；混頻激勵電壓信號-18；混頻激勵電流信號-19；與生物體阻抗信息相關的直流信號-20；鎖存器-21；解碼器-22；放大單元-23；加法器24。
附圖2為信號發生單元結構圖。
附圖3為激勵電流幅值動態調整。
附圖4為差分放大後電阻上壓降波形圖。
附圖5為兩個相位差為90°、頻率為10KHz的參考信號波形圖。
附圖6為兩個相位差為90°、頻率為10KHz的參考信號的李薩育圖形。
具體實施例方式
以下通過具體實施例並結合附圖1～6，對本發明作進一步的說明。
本發明的工作原理前面已說明，在此不再贅述。信號發生單元是保證本方法實現的重要部分，通過實驗對信號發生單元及電流源進行測試，通過上位機1設定的信號特徵如下兩個激勵電流信號頻率分別為10KHz、1MHz，峰峰值均為1mA，相位相同；兩組參考電壓信號頻率分別為10KHz、1MHz，峰峰值均為10V，要求每組中兩信號相角差為90°。
實驗測得200Ω電阻上壓降經差分放大後波形如圖4所示(差分放大電路將被測電阻上的壓降放大8倍)；測得頻率為10KHz的兩個參考信號波形圖與李薩育圖如圖8所示。由於被測電阻為200Ω，其上壓降經差分放大電路放大8倍後，得到圖7中混頻電壓信號峰峰值約為3.2V，可知與配置信息一致。圖5為信號發生單元產生的同一頻率的參考信號的波形圖。為了清晰的體現其相位差，採用李薩育圖形進行表示，如圖6所示。兩參考信號的李薩育圖形為一個正圓，可知兩參考信號相位差為90°，符合配置要求。
在符合要求的信號發生單元的保證下，該系統實現了在混頻激勵模式下兩種頻率阻抗信息的同時提取，且生物阻抗信息的實部和虛部也同時獲得。以實際RC模擬電路為測量對象對系統進行測試，並將測量結果與Aligent4294A阻抗分析儀進行比較，測量相對誤差＜5％。
利用該阻抗測量系統對人體進行測量，分別測量人體手-手之間、手-腳之間以及腳-腳之間的電阻抗，測量結果與經驗數據一致。
權利要求
1.模擬解調方式的混頻生物阻抗測量系統，具有上位機(1)、數位訊號處理器(2)、信號發生單元(3)、電流源(4)、模擬開關(5)、電極驅動(6)、激勵電極(7)、測量電極(8)、電極緩衝(9)、開關陣列(10)、差分放大電路(11)、解調濾波電路(12)、串口(13)、A/D轉換(14)、下位機(15)、鎖存器(21)、解碼器(22)和加法器(24)，其特徵是系統分為上位機(1)和下位機(15)兩部分，上位機(1)設定正弦電流激勵信號的幅值和頻率配置信息，通過串口(13)傳送到下位機(15)，下位機以數位訊號處理器(2)作為主控制器，由信號發生單元(3)產生包含高低兩種頻率成分的混頻激勵電壓信號(18)和參考信號(17)，混頻激勵電壓信號經電壓控制電流源(4)變為混頻激勵電流信號(19)，經模擬開關(5)和電極驅動(6)連接於激勵電極(7)，測量電極(8)經電極緩衝(9)與開關陣列(10)相連，來自測量電極(8)的電壓信號經差分放大電路(11)放大後，經解調濾波電路(12)獲得與生物體阻抗信息相關的直流信號(20)，此直流信號再經A/D轉換(14)和數位訊號處理器(2)送往上位機(1)。
2.按照權利要求1所述的模擬解調方式的混頻生物阻抗測量系統，其特徵是所述信號發生單元(3)用6片直接數字合成(DDS)晶片產生正弦信號，其中以DDS_1和DDS_2作為激勵電壓源，DDS_1產生低頻激勵電壓信號；DDS_2產生高頻激勵電壓信號；DDS_3和DDS_4產生正交的低頻參考信號；DDS_5和DDS_6產生正交的高頻參考信號；DSP通過鎖存器(21)和解碼器(22)對DDS晶片進行控制，DDS_1和DDS_2，DDS_3和DDS_4以及DDS_5和DDS_6三組由數位訊號處理器(2)分別進行控制，並保證同頻參考信號的正交性，所有直接數字合成(DDS)晶片產生的波形包含高次諧波，通過低通濾波與放大單元(23)濾除高次諧波，同時對信號進行放大，獲得頻率成分純淨的正弦信號，對於兩種頻率的激勵電壓信號經加法器(24)進行混頻後，由電壓控制電流源(4)變為混頻激勵電流信號。
全文摘要
採用模擬解調方式混頻測量生物電阻抗的系統。系統分為上位機和下位機兩部分。上位機設定正弦電流激勵信號的幅值和頻率配置信息，通過串口送到下位機。下位機以數位訊號處理器作為主控制器，由信號發生單元產生包含高低兩種頻率成分的混頻激勵電壓信號和參考信號，混頻激勵電壓信號經電壓控制電流源變為混頻激勵電流信號，經模擬開關和電極驅動連接於激勵電極。測量電極經電極緩衝與開關陣列相連，來自測量電極的電壓信號經差分放大電路放大後，經解調濾波電路獲得與生物體阻抗信息相關的直流信號。通過採用兩種頻率的混頻激勵模態方式配合虛參考矢量方法，獲取兩種頻率下的電阻抗信息的實部和虛部，消除了電流轉換和傳輸過程中相移造成的誤差。
文檔編號A61B5/053GK1723844SQ200510014310
公開日2006年1月25日 申請日期2005年7月1日 優先權日2005年7月1日
發明者王超, 王化祥 申請人:天津大學