用于人體成分分析的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于人體成分分析的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括上位機(jī)、電極組件、微控制器、信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和信號(hào)處理模塊，微控制器連接上位機(jī)、信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和信號(hào)處理模塊，信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊依次連接，信號(hào)調(diào)理模塊與電極組件連接，電極組件布置于被測(cè)對(duì)象表面，微控制器發(fā)送測(cè)量命令產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)一方面流向采樣電路獲得激勵(lì)電流樣本信號(hào)，另一方面經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊送至被測(cè)量對(duì)象并傳回響應(yīng)電壓信號(hào)，響應(yīng)電壓信號(hào)與激勵(lì)電流信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理模塊流向微控制器并由上位機(jī)進(jìn)行處理。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有安全性高、高頻性能好、數(shù)據(jù)采集快及準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
用于人體成分分析的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及生物電阻抗測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于人體成分分析的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類生活的進(jìn)步和發(fā)展，人們對(duì)于醫(yī)療的要求越來越高，不僅要求能更快更好地治愈疾病，更要求能在治病過程中盡量減少自身的痛苦。因此，這就對(duì)醫(yī)療儀器提出了更高的要求，促使其不斷發(fā)展創(chuàng)新。由于生物組織電阻抗技術(shù)可以進(jìn)行細(xì)胞測(cè)量、體積測(cè)量、人體組織結(jié)構(gòu)分析、人體成分分析等，具有無創(chuàng)、廉價(jià)、安全、無毒無害、操作簡(jiǎn)單和信息豐富等特點(diǎn)，使得本發(fā)明在病理檢測(cè)和健康監(jiān)測(cè)方面具有可操作性，尤其在人體成分分析領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景和社會(huì)意義價(jià)值。
[0003]生物電阻抗是反映生物組織、器官、細(xì)胞和整個(gè)生物體電學(xué)性質(zhì)的物理量之一，它能幫助獲取相關(guān)的組織特征、生理和病理信息，由此達(dá)到臨床監(jiān)測(cè)、病理檢測(cè)和健康監(jiān)測(cè)的目的。生物組織電阻抗技術(shù)是一種利用生物組織與器官的電特性及其變化提取與組織狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的無損傷檢測(cè)技術(shù)，即通過置于生物體表面的電極給被測(cè)對(duì)象施加一安全的交流激勵(lì)電信號(hào)、測(cè)量響應(yīng)電壓信號(hào)，檢測(cè)相應(yīng)的電阻抗及其變化。
[0004]生物電阻抗法從產(chǎn)生到現(xiàn)在在測(cè)量方法和測(cè)量頻率兩個(gè)方向不斷發(fā)展。在測(cè)量方法方面，最初用電橋法進(jìn)行電阻抗測(cè)量，原理簡(jiǎn)單但精度較低；后提出了雙電極法，但由于接觸阻抗的影響，阻抗測(cè)量誤差較大;近年來則大多采用四電極法進(jìn)行測(cè)量，即兩個(gè)電極加激勵(lì)電流信號(hào)、兩個(gè)電極測(cè)量電壓。在測(cè)量頻率方面，最初用單頻率(50kHz)電流進(jìn)行激勵(lì)；后為了獲得更豐富的生物電阻抗信息，誕生了多頻系統(tǒng)。目前，已有相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了生物電阻抗測(cè)量的可行性，同時(shí)有相關(guān)研究證明了生物電阻抗與病理參數(shù)、與人體成分的關(guān)系。研究表明，通過測(cè)量和分析生物組織電阻抗信息，可以獲取人體水分、肌肉、脂肪、無機(jī)鹽等含量，從而達(dá)到人體成分分析的目的。
[0005]但是，目前的生物電阻抗測(cè)量技術(shù)還存在較多的不足，主要表現(xiàn)在大多數(shù)系統(tǒng)采用單頻信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)，得到的生物電阻抗信息不夠豐富，即使采用多頻測(cè)量的系統(tǒng)其上限頻率也較低、相位測(cè)量不準(zhǔn)確。同時(shí)，現(xiàn)有的生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)多采用四對(duì)手、腳電極進(jìn)行測(cè)量，腹部和軀干的信息測(cè)量精度較低。目前存在的對(duì)于生物阻抗測(cè)量的相關(guān)發(fā)明，大部分都是為了使受檢人使用起來更加方便，而在測(cè)量精度不足這一方面的改進(jìn)較少，這些不足在一定程度上限制了基于生物電阻抗的人體成分分析技術(shù)的應(yīng)用，因此，發(fā)明一種基于電阻抗法的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)具有較大的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有生物電阻抗測(cè)量技術(shù)存在的缺陷，因此設(shè)計(jì)了一種用于人體成分分析的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過安全的隔離保護(hù)、激勵(lì)電流采樣電路、電壓與電流信號(hào)的高速并行調(diào)理與模數(shù)轉(zhuǎn)換等合理設(shè)計(jì)及八對(duì)電極的配置，達(dá)到了安全、寬頻帶、高精度測(cè)量的目的。
[0007]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0008]—種用于人體成分分析的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)，包括上位機(jī)、電極組件、微控制器、信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和信號(hào)處理模塊，所述微控制器分別連接上位機(jī)、信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和信號(hào)處理模塊，所述信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊依次連接，所述信號(hào)調(diào)理模塊與電極組件連接，所述信號(hào)發(fā)生模塊包括依次連接的直接數(shù)字式頻率合成器、程控變阻器、差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、第一隔離變壓器、激勵(lì)源、采樣電路和第一濾波電路，所述直接數(shù)字式頻率合成器與微控制器連接，所述采樣電路與信號(hào)調(diào)理模塊連接，所述第一濾波電路與信號(hào)處理模塊連接，其中:
[0009]直接數(shù)字式頻率合成器，用于產(chǎn)生正弦波電流信號(hào)，該信號(hào)的頻率、相位由微控制器控制；
[0010]程控變阻器，用于將直接數(shù)字式頻率合成器產(chǎn)生的正弦波電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成正弦波電壓信號(hào)；
[0011 ]差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，用于將程控變阻器產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩個(gè)幅值相同、相位相差180°的差分信號(hào)；
[0012]第一隔離變壓器，用于將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的差分信號(hào)隔離后傳送給激勵(lì)源；
[0013]激勵(lì)源，用于根據(jù)隔離后的差分信號(hào)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)；
[0014]采樣電路，用于采集激勵(lì)源產(chǎn)生的、施加到被測(cè)對(duì)象的激勵(lì)電流信號(hào)的幅值與相位，并將激勵(lì)信號(hào)發(fā)送至信號(hào)調(diào)理模塊；
[0015]第一濾波電路，用于對(duì)采樣電路產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行濾波，并將濾波后的信號(hào)通過信號(hào)處理模塊傳輸給微控制器。
[0016]所述微控制器依次通過第二隔離芯片和串口與上位機(jī)通信連接。
[0017]所述信號(hào)調(diào)理模塊包括繼電器、緩沖跟隨電路、模擬開關(guān)、第二濾波電路和第三隔離芯片，所述繼電器與信號(hào)發(fā)生模塊連接，所述繼電器、電極組件、緩沖跟隨電路、模擬開關(guān)和第二濾波電路依次連接，所述模擬開關(guān)通過第三隔離芯片與微控制器連接，其中:
[0018]繼電器，用于接收信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)，選通待激勵(lì)電極；
[0019]緩沖跟隨電路，用于接收電極組件的響應(yīng)電壓信號(hào)，并對(duì)所述響應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行緩沖和隔離；
[0020]模擬開關(guān)，用于選通待測(cè)量電極；
[0021]第二濾波電路，用于所述響應(yīng)電壓信號(hào)的濾波；
[0022]第三隔離芯片，用于對(duì)微控制器產(chǎn)生的控制信號(hào)進(jìn)行隔離，然后發(fā)送給模擬開關(guān)控制模擬開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷。
[0023]所述信號(hào)處理模塊包括依次連接的第一隔離芯片、第一ADC電路、數(shù)據(jù)緩存模塊、第二 ADC電路和第二隔離變壓器，所述第一隔離芯片與第一濾波電路連接，所述第二隔離變壓器與信號(hào)調(diào)理模塊連接，所述數(shù)據(jù)緩存模塊與微控制器連接，其中:
[0024]第一隔離芯片，用于對(duì)經(jīng)第一濾波電路濾波后的信號(hào)進(jìn)行隔離；
[0025]第一ADC電路，用于對(duì)隔離后的信號(hào)進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后發(fā)送給數(shù)據(jù)緩存模塊；
[0026]第二隔離變壓器，用于將信號(hào)調(diào)理模塊產(chǎn)生的響應(yīng)電壓信號(hào)隔離并傳送至第二ADC電路；
[0027]第二ADC電路，用于對(duì)隔離后的響應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換；
[0028]數(shù)據(jù)緩存模塊，用于緩存第一ADC電路、第二 ADC電路輸出的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果。
[0029]所述數(shù)據(jù)緩存模塊以純邏輯控制的形式緩存所述模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果。
[0030]所述電極組件包括八對(duì)電極，分別為兩對(duì)手電極、兩對(duì)腳電極和四對(duì)軀干電極，應(yīng)用時(shí)，所述四對(duì)軀干電極布置于軀干不同部位的表面。
[0031]—種基于用于人體成分分析的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，包括以下步驟:
[0032]I)上位機(jī)向微控制器發(fā)送測(cè)量命令；
[0033]2)微控制器將測(cè)量命令發(fā)送給信號(hào)發(fā)生模塊，信號(hào)發(fā)生模塊根據(jù)所述測(cè)量命令發(fā)出激勵(lì)信號(hào)，具體過程為:
[0034]201)直接數(shù)字式頻率合成器接收到測(cè)量命令，同時(shí)接收微控制器給出的時(shí)鐘信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)正弦波電流信號(hào)，并送至程控變阻器；
[0035]202)程控變阻器將接收到的正弦波電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成正弦波電壓信號(hào)，并送至差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路；
[0036]203)差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將接收到的正弦波電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩個(gè)幅值相同、相位相差180°的差分信號(hào)，并送至第一隔離變壓器；
[0037]204)第一隔離變壓器將接收到的差分信號(hào)隔離并傳送至激勵(lì)源；
[0038]205)激勵(lì)源產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)；
[0039]206)采樣電路將所述激勵(lì)信號(hào)傳送給信號(hào)調(diào)理模塊，同時(shí)對(duì)施加到被測(cè)對(duì)象的激勵(lì)電流信號(hào)進(jìn)行幅值與相位的采集，并將采集到的信號(hào)依次經(jīng)第一濾波電路、第一隔離芯片、第一 ADC電路，最后將數(shù)字結(jié)果緩存至數(shù)據(jù)緩存模塊；
[0040]207)微控制器獲取數(shù)據(jù)緩存模塊內(nèi)的數(shù)字結(jié)果，進(jìn)行數(shù)字解調(diào)后獲得激勵(lì)電流信號(hào)的幅值和相位信息；
[0041]3)信號(hào)調(diào)理模塊接收信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)，將所述激勵(lì)信號(hào)通過電極組件作用于被測(cè)對(duì)象，根據(jù)微控制器的測(cè)量命令向信號(hào)處理模塊發(fā)送相應(yīng)的響應(yīng)電壓信號(hào)；
[0042]4)信號(hào)處理模塊對(duì)所述響應(yīng)電壓信號(hào)依次進(jìn)行隔離、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換和緩存；
[0043]5)微控制器對(duì)信號(hào)處理模塊進(jìn)行讀寫獲得模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果，并經(jīng)過數(shù)字解調(diào)獲得響應(yīng)電壓信號(hào)的幅值和相位信息；
[0044]6)微控制器將解調(diào)后的激勵(lì)電流信號(hào)和響應(yīng)電壓信號(hào)的幅值和相位信息上傳至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到生物電阻抗信息。
[0045]所述步驟3)中，響應(yīng)電壓信號(hào)的具體產(chǎn)生過程為:
[0046]301)繼電器接收到激勵(lì)信號(hào)后選通電極組件中的待激勵(lì)電極，并發(fā)送激勵(lì)信號(hào)至待激勵(lì)電極；
[0047]302)電極組件將激勵(lì)信號(hào)送至被測(cè)對(duì)象并接收被測(cè)對(duì)象傳回的響應(yīng)電壓信號(hào)，同時(shí)將響應(yīng)電壓信號(hào)傳送至緩沖跟隨電路進(jìn)行緩沖和隔離；
[0048]303)模擬開關(guān)根據(jù)接收到的微控制器產(chǎn)生的測(cè)量命令選通待測(cè)量電極；
[0049]304)第二濾波電路將被選通的測(cè)量電極傳回的響應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，并送至信號(hào)處理模塊。
[0050]所述步驟4)具體為:
[0051]401)第二隔離變壓器將接收到的響應(yīng)電壓信號(hào)隔離并傳送至第二 ADC電路；
[0052]402)第二 ADC電路將接收到的隔離后的響應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換結(jié)果送至數(shù)據(jù)緩存模塊進(jìn)行緩存。
[0053 ]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)能同時(shí)對(duì)激勵(lì)電流信號(hào)和被測(cè)對(duì)象的響應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行高速同步模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)高精度的生物電阻抗的幅值測(cè)量的同時(shí)能夠獲得準(zhǔn)確的電阻抗的相位信息，具有以下有益效果:
[0054]I)本發(fā)明中所有與被測(cè)對(duì)象連接的信號(hào)都經(jīng)過了隔離芯片，充分保護(hù)了被測(cè)對(duì)象，提升了系統(tǒng)的安全性。
[0055]2)本發(fā)明中采用的數(shù)據(jù)緩存模塊SRAM以純邏輯控制的形式緩存模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果，提升了數(shù)據(jù)采集速度。
[0056]3)本發(fā)明在最接近激勵(lì)電極處設(shè)置激勵(lì)電流采樣電路作為激勵(lì)電流檢測(cè)單元，該激勵(lì)電流采樣信號(hào)與被測(cè)響應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行高速同步模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，用以同步測(cè)量激勵(lì)電流信號(hào)和響應(yīng)電壓信號(hào)的幅值與相位，提高了生物電阻抗的幅值與相位測(cè)量的準(zhǔn)確性，并提升了尚頻性能。
[0057]4)本發(fā)明采用八對(duì)電極進(jìn)行人體節(jié)段電阻抗測(cè)量，即除了現(xiàn)有技術(shù)中常用的手、腳四對(duì)電極外，增加了四對(duì)軀干電極，提升軀干部位測(cè)量的靈敏度和準(zhǔn)確性。
[0058]5)四對(duì)軀干電極可根據(jù)不同應(yīng)用目標(biāo)放置于軀干不同部位，便于隨時(shí)根據(jù)實(shí)際情況選擇最優(yōu)測(cè)量方案，達(dá)到最佳測(cè)量效果；四對(duì)可移動(dòng)的軀干電極也很好地解決了當(dāng)被測(cè)對(duì)象不方便進(jìn)行翻轉(zhuǎn)等類似動(dòng)作時(shí)的測(cè)量問題。
【附圖說明】
[0059]圖1為本發(fā)明用于人體成分分析的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。
[0060]圖中:1、上位機(jī)，2、微控制器，3、信號(hào)發(fā)生模塊，4、信號(hào)調(diào)理模塊，5、信號(hào)處理模塊，101、串口，102、第二隔離芯片，103、直接數(shù)字式頻率合成器，104、程控變阻器，105、差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，106、第一隔離變壓器，107、激勵(lì)源，108、采樣電路，109、第一濾波電路，110、第一隔離芯片，111、第一 ADC電路，112、繼電器，113、電極組件，114、緩沖跟隨電路，115、模擬開關(guān)，116、第二濾波電路，117、第二隔離變壓器，118、第二ADC電路，119、數(shù)據(jù)緩存模塊，120、第三隔離芯片。
【具體實(shí)施方式】
[0061]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0062]如圖1所示，本實(shí)施提供一種用于人體成分分析的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)，包括上位機(jī)1、電極組件113、微控制器2、信號(hào)發(fā)生模塊3、信號(hào)調(diào)理模塊4和信號(hào)處理模塊5，微控制器2分別連接上位機(jī)1、信號(hào)發(fā)生模塊3、信號(hào)調(diào)理模塊4和信號(hào)處理模塊5，信號(hào)發(fā)生模塊3、信號(hào)調(diào)理模塊4、信號(hào)處理模塊5依次連接，信號(hào)調(diào)理模塊4與電極組件113連接。
[0063]微控制器2依次通過第二隔離芯片102和串口(UART)1l與上位機(jī)I通信連接，用于配制信號(hào)發(fā)生模塊3、信號(hào)調(diào)理模塊4和信號(hào)處理模塊5，產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和控制信號(hào)，控制各模塊工作，同時(shí)對(duì)傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字解調(diào)處理，并與上位機(jī)通信。微控制器2與上位機(jī)I間設(shè)置第二隔離芯片102，與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)電氣隔離以減少上位機(jī)對(duì)本測(cè)量系統(tǒng)的電源與地噪聲干擾，提高測(cè)量系統(tǒng)精度。
[0064]信號(hào)發(fā)生模塊3包括依次連接的直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)103、程控變阻器104、差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路105、第一隔離變壓器106、激勵(lì)源107、采樣電路108和第一濾波電路109，直接數(shù)字式頻率合成器103與微控制器2連接，采樣電路108與信號(hào)調(diào)理模塊4連接，第一濾波電路109與信號(hào)處理模塊5連接，其中:直接數(shù)字式頻率合成器103，用于產(chǎn)生正弦波電流信號(hào)，該信號(hào)的頻率、相位由微控制器2控制;程控變阻器104，用于將直接數(shù)字式頻率合成器103產(chǎn)生的正弦波電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào);差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路105，用于將程控變阻器104產(chǎn)生的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩個(gè)幅值相同、相位相差180°的差分信號(hào)，使人體受到的瞬時(shí)電流之和為零并降低共模電壓;第一隔離變壓器106，用于將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路105產(chǎn)生的差分信號(hào)隔離后傳送給激勵(lì)源107;激勵(lì)源107，用于根據(jù)隔離后的差分信號(hào)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào);采樣電路108，用于采集激勵(lì)源107產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)的幅值與相位，并將激勵(lì)信號(hào)發(fā)送至信號(hào)調(diào)理模塊4;第一濾波電路109，用于對(duì)采樣電路108產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行濾波，并將濾波后的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理模塊5傳輸給微控制器2。
[0065]信號(hào)調(diào)理模塊4包括繼電器112、緩沖跟隨電路114、模擬開關(guān)115、第二濾波電路116和第三隔離芯片120，繼電器112與信號(hào)發(fā)生模塊3連接，繼電器112、電極組件113、緩沖跟隨電路114、模擬開關(guān)115和第二濾波電路116依次連接，模擬開關(guān)115通過第三隔離芯片120與微控制器2連接，其中:繼電器112，用于接收信號(hào)發(fā)生模塊3發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)，選通待激勵(lì)電極;緩沖跟隨電路114，用于接收電極組件113的響應(yīng)信號(hào)，并對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行緩沖和隔離;模擬開關(guān)115，用于選通待測(cè)量電極;第二濾波電路116，用于響應(yīng)信號(hào)的濾波;第三隔離芯片120，用于對(duì)微控制器2產(chǎn)生的控制信號(hào)進(jìn)行隔離，并將隔離后的信號(hào)發(fā)送給模擬開關(guān) 115。
[0066]信號(hào)處理模塊5包括依次連接的第一隔離芯片110、第一ADC電路111、數(shù)據(jù)緩存模塊(SRAM)119、第二 ADC電路118和第二隔離變壓器117，第二隔離變壓器117與信號(hào)調(diào)理模塊4連接，數(shù)據(jù)緩存模塊119與微控制器2連接，其中:第一隔離芯片110，用于對(duì)經(jīng)第一濾波電路109濾波后的信號(hào)進(jìn)行隔離;第一ADC電路111，用于對(duì)隔離后的信號(hào)進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后發(fā)送給數(shù)據(jù)緩存模塊119;第二隔離變壓器117，用于將信號(hào)調(diào)理模塊4產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)隔離并傳送至第二 ADC電路118;第二 ADC電路118，用于對(duì)隔離后的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換;數(shù)據(jù)緩存模塊119，用于快速緩存第一ADC電路111、第二ADC電路118的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果，數(shù)據(jù)緩存模塊119以純邏輯控制的形式緩存模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果。
[0067]本實(shí)施例中，電極組件113布置于被測(cè)對(duì)象皮膚表面，包括八對(duì)電極，分別為兩對(duì)手電極、兩對(duì)腳電極和四對(duì)軀干電極，應(yīng)用時(shí)，四對(duì)軀干電極可根據(jù)不同應(yīng)用目標(biāo)放置于軀干不同部位，便于隨時(shí)根據(jù)實(shí)際情況選擇最優(yōu)測(cè)量方案，達(dá)到最佳測(cè)量效果，提升了軀干和腹部測(cè)量的靈敏度和精度，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
[0068]根據(jù)上述描述，基于上述用于人體成分分析的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法可包括以下步驟:
[0069]I)上位機(jī)發(fā)送測(cè)量命令，經(jīng)過串口和第二隔離芯片傳送至微控制器；
[0070]2)微控制器將測(cè)量命令發(fā)送給信號(hào)發(fā)生模塊，并發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)至直接數(shù)字式頻率合成器；
[0071]3)直接數(shù)字式頻率合成器接收到控制信號(hào)后產(chǎn)生一個(gè)正弦波電流信號(hào)，并送至程控變阻器；
[0072]4)程控變阻器將接收到的正弦波電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并送至差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路；
[0073]5)差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將接收到的單端電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩個(gè)幅值相同、相位相差180°的差分信號(hào)，并送至第一隔離變壓器；
[0074]6)第一隔離變壓器將接收到的差分信號(hào)隔離并傳送至激勵(lì)源；
[0075]7)激勵(lì)源根據(jù)經(jīng)隔離后的差分信號(hào)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，并依次經(jīng)過采樣電路、第一濾波電路和第一隔離芯片將濾波隔離后的激勵(lì)電流的樣本信號(hào)送至第一 ADC電路；
[0076]8)第一 ADC電路將模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后的激勵(lì)電流信號(hào)送至微控制器，微控制器進(jìn)行數(shù)字解調(diào)后獲得激勵(lì)電流信號(hào)的幅值和相位信息；
[0077]9)激勵(lì)電路產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)在流向第一濾波電路的同時(shí)被送至信號(hào)調(diào)理模塊；
[0078]10)繼電器接收到激勵(lì)信號(hào)后選通待激勵(lì)的電極，并發(fā)送激勵(lì)信號(hào)至激勵(lì)電極；
[0079]11)電極布置在被測(cè)對(duì)象皮膚表面，將微小安全的激勵(lì)電流信號(hào)送至被測(cè)對(duì)象并接收被測(cè)對(duì)象傳回的響應(yīng)電壓信號(hào)，同時(shí)將響應(yīng)電壓信號(hào)送回至緩沖跟隨電路進(jìn)行緩沖和隔咼；
[0080]12)微控制器的測(cè)量命令經(jīng)第三隔離芯片隔離后送至模擬開關(guān)，測(cè)量命令中包括用于控制模擬開關(guān)的控制信號(hào)，模擬開關(guān)根據(jù)接收到的控制信號(hào)選通測(cè)量電極；
[0081]13)第二濾波電路將被選通的測(cè)量電極傳回的響應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，并送至信號(hào)調(diào)理模塊；
[0082]14)第二隔離變壓器將接收到的響應(yīng)電壓信號(hào)隔離并傳送回后端電路；
[0083]15)第二 ADC電路將接收到的隔離后的響應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換處理，并送至數(shù)據(jù)緩存模塊；
[0084]16)微控制器對(duì)數(shù)據(jù)緩存模塊進(jìn)行讀寫獲得采樣數(shù)據(jù)，并經(jīng)過數(shù)字解調(diào)獲得響應(yīng)信號(hào)的幅值和相位信息；
[0085]17)微控制器將解調(diào)后的激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的幅值和相位信息通過串口送至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到生物電阻抗信息。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于人體成分分析的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)，包括上位機(jī)(I)、電極組件(113)、微控制器(2)、信號(hào)發(fā)生模塊(3)、信號(hào)調(diào)理模塊(4)和信號(hào)處理模塊(5)，所述微控制器(2)分別連接上位機(jī)(1)、信號(hào)發(fā)生模塊(3)、信號(hào)調(diào)理模塊(4)和信號(hào)處理模塊(5)，所述信號(hào)發(fā)生模塊(3)、信號(hào)調(diào)理模塊(4)、信號(hào)處理模塊(5)依次連接，所述信號(hào)調(diào)理模塊(4)與電極組件(113)連接，其特征在于， 所述信號(hào)發(fā)生模塊(3)包括依次連接的直接數(shù)字式頻率合成器(103)、程控變阻器(104)、差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路(105)、第一隔離變壓器(106)、激勵(lì)源(107)、采樣電路(108)和第一濾波電路(109)，所述直接數(shù)字式頻率合成器(103)與微控制器(2)連接，所述采樣電路(108)與信號(hào)調(diào)理模塊(4)連接，所述第一濾波電路(109)與信號(hào)處理模塊(5)連接，其中: 直接數(shù)字式頻率合成器(103)，用于產(chǎn)生正弦波電流信號(hào)，該信號(hào)的頻率、相位由微控制器(2)控制； 程控變阻器(104)，用于將直接數(shù)字式頻率合成器(103)產(chǎn)生的正弦波電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成正弦波電壓信號(hào)； 差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路(105)，用于將程控變阻器(104)產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩個(gè)幅值相同、相位相差180°的差分信號(hào)； 第一隔離變壓器(106)，用于將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路(105)產(chǎn)生的差分信號(hào)隔離后傳送給激勵(lì)源(107); 激勵(lì)源(107)，用于根據(jù)隔離后的差分信號(hào)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)； 采樣電路(108)，用于采集激勵(lì)源(107)產(chǎn)生的、施加到被測(cè)對(duì)象的激勵(lì)電流信號(hào)的幅值與相位，并將激勵(lì)信號(hào)發(fā)送至信號(hào)調(diào)理模塊(4); 第一濾波電路(109)，用于對(duì)采樣電路(108)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行濾波，并將濾波后的信號(hào)通過信號(hào)處理模塊(5)傳輸給微控制器(2)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于人體成分分析的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述微控制器(2)依次通過第二隔離芯片(102)和串口(101)與上位機(jī)(I)通信連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于人體成分分析的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)調(diào)理模塊(4)包括繼電器(112)、緩沖跟隨電路(114)、模擬開關(guān)(115)、第二濾波電路(116)和第三隔離芯片(120)，所述繼電器(112)與信號(hào)發(fā)生模塊(3)連接，所述繼電器(112)、電極組件(113)、緩沖跟隨電路(114)、模擬開關(guān)(115)和第二濾波電路(116)依次連接，所述模擬開關(guān)(115)通過第三隔離芯片(120)與微控制器(2)連接，其中: 繼電器(112)，用于接收信號(hào)發(fā)生模塊(3)發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)，選通待激勵(lì)電極； 緩沖跟隨電路(I14)，用于接收電極組件(I13)的響應(yīng)電壓信號(hào)，并對(duì)所述響應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行緩沖和隔離； 模擬開關(guān)(115)，用于選通待測(cè)量電極； 第二濾波電路(116)，用于所述響應(yīng)電壓信號(hào)的濾波； 第三隔離芯片(120)，用于對(duì)微控制器(2)產(chǎn)生的控制信號(hào)進(jìn)行隔離，然后發(fā)送給模擬開關(guān)(115)控制模擬開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于人體成分分析的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)處理模塊(5)包括依次連接的第一隔離芯片(110)、第一 ADC電路(111)、數(shù)據(jù)緩存模塊(119)、第二 ADC電路(118)和第二隔離變壓器(117)，所述第一隔離芯片(110)與第一濾波電路(109)連接，所述第二隔離變壓器(117)與信號(hào)調(diào)理模塊(4)連接，所述數(shù)據(jù)緩存模塊(119)與微控制器(2)連接，其中: 第一隔離芯片(110)，用于對(duì)經(jīng)第一濾波電路(109)濾波后的信號(hào)進(jìn)行隔離； 第一ADC電路(111)，用于對(duì)隔離后的信號(hào)進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后發(fā)送給數(shù)據(jù)緩存模塊(119)； 第二隔離變壓器(117)，用于將信號(hào)調(diào)理模塊(4)產(chǎn)生的響應(yīng)電壓信號(hào)隔離并傳送至第二 ADC 電路(I 18); 第二 ADC電路(118)，用于對(duì)隔離后的響應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換； 數(shù)據(jù)緩存模塊(119)，用于緩存第一ADC電路(111)、第二ADC電路(I18)輸出的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于人體成分分析的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)緩存模塊(119)以純邏輯控制的形式緩存所述模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于人體成分分析的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述電極組件(113)包括八對(duì)電極，分別為兩對(duì)手電極、兩對(duì)腳電極和四對(duì)軀干電極，應(yīng)用時(shí)，所述四對(duì)軀干電極布置于軀干不同部位的表面。7.—種基于權(quán)利要求4所述的用于人體成分分析的高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)上位機(jī)(I)向微控制器(2)發(fā)送測(cè)量命令； 2)微控制器(2)將測(cè)量命令發(fā)送給信號(hào)發(fā)生模塊(3)，信號(hào)發(fā)生模塊(3)根據(jù)所述測(cè)量命令發(fā)出激勵(lì)信號(hào)，具體過程為: 201)直接數(shù)字式頻率合成器(103)接收到測(cè)量命令，同時(shí)接收微控制器(2)給出的時(shí)鐘信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)正弦波電流信號(hào)，并送至程控變阻器(104); 202)程控變阻器(104)將接收到的正弦波電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成正弦波電壓信號(hào)，并送至差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路(105)； 203)差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路(105)將接收到的正弦波電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩個(gè)幅值相同、相位相差180°的差分信號(hào)，并送至第一隔離變壓器(106)； 204)第一隔離變壓器(106)將接收到的差分信號(hào)隔離并傳送至激勵(lì)源(107); 205)激勵(lì)源(107)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)； 206)采樣電路(108)將所述激勵(lì)信號(hào)傳送給信號(hào)調(diào)理模塊(4)，同時(shí)對(duì)施加到被測(cè)對(duì)象的激勵(lì)電流信號(hào)進(jìn)行幅值與相位的采集，并將采集到的信號(hào)依次經(jīng)第一濾波電路(109)、第一隔離芯片(110)、第一 ADC電路(111)，最后將數(shù)字結(jié)果緩存至數(shù)據(jù)緩存模塊(119); 207)微控制器(2)獲取數(shù)據(jù)緩存模塊(119)內(nèi)的數(shù)字結(jié)果，進(jìn)行數(shù)字解調(diào)后獲得激勵(lì)電流信號(hào)的幅值和相位信息； 3)信號(hào)調(diào)理模塊(4)接收信號(hào)發(fā)生模塊(3)發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)，將所述激勵(lì)信號(hào)通過電極組件(113)作用于被測(cè)對(duì)象，根據(jù)微控制器(2)的測(cè)量命令向信號(hào)處理模塊(5)發(fā)送相應(yīng)的響應(yīng)電壓信號(hào)； 4)信號(hào)處理模塊(5)對(duì)所述響應(yīng)電壓信號(hào)依次進(jìn)行隔離、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換和緩存； 5)微控制器(2)對(duì)信號(hào)處理模塊(5)進(jìn)行讀寫獲得模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果，并經(jīng)過數(shù)字解調(diào)獲得響應(yīng)電壓信號(hào)的幅值和相位信息； 6)微控制器(2)將解調(diào)后的激勵(lì)電流信號(hào)和響應(yīng)電壓信號(hào)的幅值和相位信息上傳至上位機(jī)(I)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到生物電阻抗信息。8.根據(jù)權(quán)利要求7的測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟3)中，響應(yīng)電壓信號(hào)的具體產(chǎn)生過程為: 301)繼電器(112)接收到激勵(lì)信號(hào)后選通電極組件(113)中的待激勵(lì)電極，并發(fā)送激勵(lì)信號(hào)至待激勵(lì)電極； 302)電極組件(113)將激勵(lì)信號(hào)送至被測(cè)對(duì)象并接收被測(cè)對(duì)象傳回的響應(yīng)電壓信號(hào)，同時(shí)將響應(yīng)電壓信號(hào)傳送至緩沖跟隨電路(114)進(jìn)行緩沖和隔離； 303)模擬開關(guān)(115)根據(jù)接收到的微控制器(2)產(chǎn)生的測(cè)量命令選通待測(cè)量電極； 304)第二濾波電路(116)將被選通的測(cè)量電極傳回的響應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，并送至信號(hào)處理模塊(5)。9.根據(jù)權(quán)利要求7測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟4)具體為: 401)第二隔離變壓器(I17)將接收到的響應(yīng)電壓信號(hào)隔離并傳送至第二 ADC電路(118)； 402)第二ADC電路(118)將接收到的隔離后的響應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換結(jié)果送至數(shù)據(jù)緩存模塊(119)進(jìn)行緩存。
【文檔編號(hào)】A61B5/00GK105943045SQ201610331163
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月18日
【發(fā)明人】馬藝馨, 陳欣怡, 張琴艷, 苗櫪文, 朱晗琦
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)