基於usb的生物阻抗分析儀的製作方法
2023-10-16 23:32:04
專利名稱：基於usb的生物阻抗分析儀的製作方法
技術領域：
本發明屬於醫療電子儀器技術領域，具體為一種基於USB的生物阻抗分析儀。
背景技術：
生物電阻抗(Bioimpedance)技術，亦稱醫學電阻抗(Medical Electrical Impedance) 技術，或簡稱為阻抗(Impedance)技術，是利用生物組織與器官的特性(阻抗、導納、 介電常數等)及其變化提取人體生理、病理狀況相關的生物醫學信息的一種無損傷檢測 技術。其通過安置在體表的電極向檢測對象送入微弱的交流電，檢測相應的電阻變化情 況，然後根據不同的應用目的，獲得相關的生理和病理信息進行疾病診斷、人體成份分 析或阻抗斷層成像等。
對於醫學電阻抗的研究最早始於19世紀末20世紀初，這種技術或方法，具有無創、 廉價、安全、無毒無害、操作簡單和信息豐富等特點，醫生和病人易於接受。
生物阻抗分析儀測量時對人體沒有任何傷害和副作用，是人體醫學發展的一個方 向之一。生物阻抗分析儀的機理在於生物組織對外加電流場具有不同導電作用，當在 人體表面加---固定頻率的低電平電流時，含水70%以上的肌肉組織是良好導體，而含 水較少的脂肪組織近似為絕緣體，因此通過測出阻抗值可用於計算出身體成份及其它人 體信息。
目前己出現多種生物阻抗分析儀器，可分為兩類，第一類如韓國百斯公司InBody 系列人體成分分析儀，可進行多頻點阻抗測量(一般為五個頻點)，自帶大屏幕液晶顯 示器，人機互動方便，但成本昂貴(市場售價人民幣IO萬以上)，體積龐大，不利於便 攜，使用煩瑣，設計複雜，難以在家庭保健方面得到普及；第二類體積較小，但功能較 差， 一般只在50KHz頻點處測量阻抗信息，不能進行多頻點阻抗測量，而且分析功能 弱，人機互動不方便。
本發明設計了一種高性能小型生物阻抗分析儀，可以進行多頻點阻抗掃頻測量，測 量頻點可由軟體設定，數量不限。並使用PC機進行阻抗信息分析和人機互動，顯示效 果更好而成本低廉。阻抗分析儀與PC機間通過USB接口通信，將人體阻抗信息傳遞 至PC，供PC端做人體成分分析，阻抗分析儀也是通過USB總線供電，體積小，性能 高，即插即用，成本低廉。
發明內容
本發明要解決的問題是目前市場上的生物阻抗分析儀器成本昂貴，使用煩瑣，設 計複雜，難以在家庭保健方面得到普及，需要提供一種新的高性能小型生物阻抗分析儀， 集成度高，成本較低，使用方便，安全可靠。
本發明的技術方案為基於USB的生物阻抗分析儀，包括上位機和下位機，上位 機與下位機通過USB通信連接，上位機為PC，下位機包括主控制器LPC2148、阻抗分 析晶片AD5933和存儲器，主控制器LPC2148經I2C連接阻抗分析晶片AD5933和存儲 器；阻抗分析晶片AD5933外接八個測量電極，其中四個電流電極，四個電壓電極，基 於四電極法原理進行阻抗信息測量，並使用片內DSP計算人體的特性阻抗，主控制器 LPC2148通過I2C接口獲得特性阻抗數據，所述數據再經USB通信傳送至上位機PC作 顯示和分析，完成對人體阻抗模值和相位的多頻點掃頻測量。
本發明通過USB總線供電，即插即用，使用方便，成本低廉；還設有電源隔離和 fC信號隔離，下位機主控制器LPC2148和阻抗分析晶片AD5933的測量電極之間設有 電源隔離和I2C信號隔離，電源隔離採用DC/DC電源隔離模塊，I2C信號的隔離採用 ADUM2251，總隔離電壓達到4000V以上，電源隔離採用DC/DC電源隔離模塊，I2C 信號的隔離採用ADUM2251，總隔離電壓4000V,滿足醫療器械生物安全性的要求。 本發明主控制器LPC2148還連接PCA9535晶片，控制選取測量所需要的測量電極時， 主控制器LPC2148由I2C總線發出控制信號，PCA9535晶片將I2C信號轉為I/O信號， 發送給阻抗分析晶片AD5933，即下位機的主控制器LPC2148在切換模擬丌關進行分段 阻抗測量時，需要的控制信號不是通過LPC2148自身的IO總線給出，而是通過PC總 線給出，並使用PCA9535晶片，將fC信號轉為I/0信號，作為控制信號控制選取測量 所需要的前端電極，從而可以保證主控制器與阻抗測量模擬前端之間只需要進行i2c總 線信號的隔離，降低成本，提高安全性；存儲器為E2PROM，存儲AD5933的增益因 子信息，用以對多頻點阻抗測量過程的標定；本發明還設有改進的Holland電路，進行 壓流轉換，其中改進的Holland電路的連接輸出端的放大器接一 5V電源，從而基於 AD5933進行四電極法測量，測量精度高於AD5933常規應用中的二電極法。
本發明採用了上下位機的設計方法，整個系統全部由上位機PC通過USB發送相 應命令來控制，通過PC應用程式將掃査頻率起點、終點和歩長設置好，通過USB接 口發送到下位機，下位機解析相應的協議後，轉換成對AD5933的控制指令，配置 AD5933完成相應的操作，下位機則使用了 ARM7內核的LPC2148晶片作為主控制器，經I2C總線控制AD5933晶片，AD5933晶片通過四電極法模擬前端並使用片內DSP計 算出人體的特性阻抗，主控制器通過PC接口將其取回，數據經USB接口傳送至上位 機PC作顯示和分析，最終完成對人體阻抗模值和相位的掃頻測量。同時在人體和PC 之間採用了安全隔離措施，保證了測試人體的安全。本發明中為了方便校準測量，使用 了 I2C總線接口的E2PROM存儲主控制器所獲得的參數，另外利用PCA9535晶片將I2C 信號轉為I/0信號，作為控制位控制選取測量所需要的前端電極，這樣就可以同時測量 人體多個區間段的阻抗信息。
本發明阻抗分析儀採用使用了高集成度的阻抗分析晶片AD5933,並使用改進 Holland電路，進行壓流轉換，從而可以使用四電極法進行阻抗測量，測量精度高於 AD5933常規應用中的二電極法。集成阻抗分析晶片的和其相關調理電路的應用不僅使 設備的成本得到了有效控制，而且在測試結果的精度上有良好的表現。USB接口的採 用使得本發明具有總線供電，即插即用，體積小，容易便攜等優點，PCA9535晶片的 設置可以同時測量人體多個區間段的阻抗信息，另外使用了隔離技術也保證測試人體的 安全。在小型化生物阻抗分析儀器的設計上提供了一個新的思路和較好的構建框架。
圖1是本發明硬體原理框圖。
圖2是本發明下位機的四電極法模擬前端的採集信號原理圖。
圖3是改進的Holland電路。
圖4是本發明的軟體系統原理圖。
圖5是本發明上位機對人體阻抗測量的結果顯示。
具體實施例方式
本發明的生物阻抗分析儀如圖l所示，包括上位機和下位機，上位機與下位機通過 USB通信連接，上位機為PC，下位機包括主控制器LPC2148、阻抗分析晶片AD5933、存 儲器和電源，主控制器LPC2148經lt連接阻抗分析晶片AD5933和存儲器；阻抗分析 晶片AD5933通過四電極法模擬前端並使用晶片內DSP計算出人體的特性阻抗，主控制 器通LPC2148過It接口獲得特性阻抗數據，所述數據再經USB通信傳送至上位機PC 作顯示和分析，最終完成對人體阻抗模值和相位的掃頻測量。目前的USB通信主要使用 USB2. 0接口 ，本發明採用LPC2148片上集成的USB2. 0控制器來完成USB通信；為保證
6被測生物體與PC機電壓隔開，採用隔離技術，包括電源隔離和12(:信號的隔離兩個部 分。It信號的隔離採用ADUM2251，該晶片提供了一個雙向通道和一個單向通道來實現 It接口的隔離，具有很強的隔離和保護性能，額定的隔離電壓為4000V，並可以持續l 分鐘時間。電源隔離採用DC/DC電源隔離模塊，該模塊內置EMI濾波單元，輸入過壓、 過流及輸出短路、過載保護電路。
本發明測量前端電極採用了四電極法，即採用一對激勵電極提供激勵電流，以及 一對電極測量人體上的電壓降，如圖2所示。激勵電極採用了壓流轉換設計，通過改進 的Holland電路將AD5933所發出的激勵電壓信號轉換為交流恆流信號，如圖3所示， 與原Holland電路中R7下端接地不同，本設計中將其改為接5V，可在壓流轉換的同時 將電平抬升至2.5V，轉換後的多頻率恆流經過人體，測量電極所測得的在人體上產生 的電壓通過高輸入阻抗和高共模抑制比的差分放大器，送至後端作AD轉換處理和阻抗 特性計算。
本發明上下位機的控制包括下位機軟體設計和上位機軟體設計兩個部分，如圖4所 示。下位機固件程序主要實現主控制器經I2C控制AD5933， E2PR0M的存儲，以及PCA9535 的控制，通過USB與上位機通信，以及總的協調控制；上位機軟體包含主機端的設備驅 動程序和主機端應用程式，設備驅動程序為WDM模型的USB設備驅動，完成應用程式和 作業系統底層的交互；主機端應用程式提供了一個人機互動的界面，用於客戶控制系統 硬體設備，讀取下位機的各種測量結果並進行分析計算，然後以圖形化的方式予以表現， 主要包括USB設備接口、界面控制、校準處理、數據分析、數據存儲幾個功能模塊。
圖5是本發明對人體阻抗測量的結果顯示，測量結果包含了兩個測量結果，上面的 曲線代表了人體阻抗模值隨頻率變化的情況，下面的曲線代表了人體阻抗相位隨頻率變 化的情況，實驗中頻率變化的範圍取為5KHz-100KHz，歩進頻率設為在lKHz。
權利要求
1、基於USB的生物阻抗分析儀，其特徵是包括上位機和下位機，上位機與下位機通過USB通信連接，上位機為PC，下位機包括主控制器LPC2148、阻抗分析晶片AD5933和存儲器，主控制器LPC2148經I2C連接阻抗分析晶片AD5933和存儲器阻抗分析晶片AD5933外接八個電極，其中四個電流電極，四個電壓電極，基於四電極法原理進行阻抗信息測量，並使用片內DSP計算人體的特性阻抗，主控制器LPC2148通過I2C接口獲得特性阻抗數據，所述數據再經USB通信傳送至上位機PC作顯示和分析，完成對人體阻抗模值和相位的多頻點掃頻測量。
2、 根據權利要求1所述的基於USB的生物阻抗分析儀，其特徵是通過USB總線 供電，即插即用。
3、 根據權利要求1或2所述的基於USB的生物阻抗分析儀，其特徵是下位機主控 制器LPC2148和阻抗分析晶片AD5933之間設有電源隔離和I2C信號隔離，電源隔離採 用DC/DC電源隔離模塊，I2C信號的隔離採用ADUM2251，總隔離電壓達到4000V以 上。
4、 根據權利要求1或2所述的基於USB的生物阻抗分析儀，其特徵是主控制器 LPC2148還連接PCA9535晶片，控制選取測量所需要的測量電極時，主控制器LPC2148 由I2C總線發出控制信號，PCA9535晶片將I2C信號轉為I/O信號，發送給阻抗分析芯 片AD5933。
5、 根據權利要求1或2所述的基於USB的生物阻抗分析儀，其特徵是存儲器為 E2PROM存儲器，存儲阻抗分析晶片AD5933的增益因子信息，用以對多頻點阻抗測量 過程的標定。
6、 根據權利要求1或2所述的基於USB的生物阻抗分析儀，其特徵是設有改進的 Holland電路，將阻抗分析晶片AD5933所發出的激勵電壓信號轉換為交流恆流信號，其 中改進的Holland電路的連接輸出端的放大器接一 5V電源。
7、 根據權利要求3所述的基於USB的生物阻抗分析儀，其特徵是設有改進的Holland 電路，將阻抗分析晶片AD5933所發出的激勵電壓信號轉換為交流恆流信號，其中改進 的Holland電路的連接輸出端的放大器接一 5V電源。
8、 根據權利要求4所述的基於USB的生物阻抗分析儀，其特徵是設有改進的Holland 電路，將阻抗分析晶片AD5933所發出的激勵電壓信號轉換為交流恆流信號，其中改進 的Holland電路的連接輸出端的放大器接一 5V電源。
9、 根據權利要求5所述的基於USB的生物阻抗分析儀，其特徵是設有改進的Holland電路，將阻抗分析晶片AD5933所發出的激勵電壓信號轉換為交流恆流信號，其中改進 的Holland電路的連接輸出端的放大器接一 5V電源。
全文摘要
基於USB的生物阻抗分析儀，包括上位機和下位機，上位機與下位機通過USB通信連接，上位機為PC，下位機包括主控制器LPC2148、阻抗分析晶片AD5933、存儲器和電源，阻抗分析晶片AD5933通過四電極法模擬前端並使用晶片內DSP計算出人體的特性阻抗，主控制器通LPC2148過I2C接口獲得特性阻抗數據，所述數據再經USB通信傳送至上位機PC作顯示和分析，最終完成對人體阻抗模值和相位的掃頻測量。本發明採用四電極法模擬前端，以LPC2148微控制器控制AD公司晶片AD5933進行人體阻抗信息的多頻點測量和採集，並通過USB2.0接口送達PC機控制系統，以應用於人體成分分析，是一個小型化、低成本、高性能的數字式醫療儀器。
文檔編號A61B5/053GK101496720SQ20091002577
公開日2009年8月5日 申請日期2009年3月6日 優先權日2009年3月6日
發明者何愛軍, 兵 周, 榮 張, 張海峰, 紀小亮, 崢 鄧, 黃松鑫 申請人:南京大學