【導讀】著加載電信號頻率的改變而發(fā)生變化的特性。它是一種頻域的測量方法，能夠測得頻域較。寬的阻抗譜來研究生物組織的生理特征。生物電阻抗的測量要求創(chuàng)傷小或者無創(chuàng)傷、測量。本文選用了一種用電流源激勵的無創(chuàng)傷的四電極法測量生物電阻抗的方法，設計了一套高速采集系統(tǒng)，對采集數據進行了算法處理，得出電阻抗值。由于m序列的自相關函數接近于沖擊函數、列被選擇為電流源激勵模型，并用FPGA芯片實現。塊、模數轉換模塊、數據緩存模塊、FPGA前端控制模塊和STM32后端控制模塊。法，求取激勵電流與響應電壓信號之間的互相關，即被測阻抗的時域沖激響應。型的多頻率同步快速測量。進行標定，分析測量結果的誤差。

　　

【正文】 電阻抗的測量平臺首先要建立一個基于 m 序列的電流激勵信號源，其次這個平臺需要能對激勵信號 m 序列和電阻抗響應信號的數據同步采樣，所以要有 一個雙通道數據采集系統(tǒng)。由于研究 的要求 是快速測量，所以采集速度要高些。再次硬件平臺還需要對所采集的數據進行保存，并能實現一些簡單的控制和顯示 。 測量原理 生物電阻抗測量的物理學基礎是歐姆定律： R=U/I，它反映了電壓 U、電流 I 之間的線性關系。但是，生物組織中除了純電阻效應，還有部分電容（容抗）效應。為了更加準確的反映生物組織的復阻抗特性， 可以 將歐姆定律進行推廣， 電壓 U 與 電流 I 之間不僅在幅值上存在比例關系，而且在相位上存 在 先后關系， 電阻 R 表示 為一復數 ，變成了電阻抗 。 生物電阻抗測量是一種無創(chuàng) 傷 測量方法， 一般采用 “電流驅動電壓測量”模 式 ，即就是 借助置于 生物 體表的電極向被測對象注入微小的交流 電流 激勵信號 I，檢測相應的響應 電壓 信號 U。 這種模式 所產生的接觸阻抗的影響要遠小 于“電壓驅動電流測量”模 式，而且 在 工程上 來說 實現對電壓的測量 要 比對 電流的測量 更容易 【 44】 ；另外，電流激勵模式加到各電極的電流的幅值容易控制，不致引起安全問題?；谏鲜鲈颍镒杩箿y量的硬件系統(tǒng)采 用“電流驅動電壓測量”的 方式。 圖 31 生物電阻抗四電極測量原理 Fig. 31 Measurement principle of fourelectrode bioelectrical impedance 以 FPGA 生成的 m 序列 偽隨機信號作為測量激勵源， 激勵源作為一對電極，激勵源將作用于生物電阻抗體或電阻抗模型產生響應，響應信號的輸入端口作為一對電極，這樣就有兩對電極，即用四電極法來完成對生物電阻抗的測量， 四電極最早用于測 量 物質的電阻率當中 【 45】 ， 如 圖 31 所示， 一對驅動電極將 交流 電流 I 接到 生物組織 中 ，另一對測量電極介于兩驅動電極之間， 測出生物組織被測部分的電位差 U。 在四電極測量系統(tǒng)中， 供電電極 和 測量電極 相 分離， 把 測量電極 置于 電流 的 密度均勻 分布 的中間段， 如果 用高輸入阻抗的 運算 放大器時，被測組織 和 測量電極 間的接觸電阻可以忽略不計，生物組織電解液和 電極 之間的極化 現象 也可以忽略不計。所以， 選 用四電 極測量 的方法 能克服雙電極測量西安理工大學碩士學位論文 16 的不足 【 46】 ， 能在頻率范圍很寬的范圍內對 生物阻抗測量。 系統(tǒng)對 m 序列和檢測電壓進行雙通道同步采 樣 ， 建立一整套基于 相關檢測原理 的生物電阻抗頻譜 （ BIS） 多頻率同步快速 測量 方法 相對應的 BIS 測量系統(tǒng)， 實現 多 個頻 率 點BIS 的同時 快速 測量，即實現 BIS 的瞬時 掃頻測量 。總體設計用于阻抗測量的 m 序列激勵源、激勵與響應信號的同步檢測系統(tǒng)等，具體包括 FPGA 實現 m 序列偽隨機 信號 的生成；設計基于模擬運算放大器的電壓控制電流源 電路模塊 （ VCCS），為 BIS 提供輸出阻抗高、頻率特性好、響應速度快的高精度驅動電路；構建基于 FPGA 和模數轉換器的阻抗激勵、響應信號同步測量平臺，同步采集被測 對象 上的激勵 、響應電壓信號，為后續(xù)的相關檢測算法提供數據。其電阻抗測量系統(tǒng) 如 圖 32 所示： 圖 32 基于 m 序列激勵的阻抗 頻譜 測量系統(tǒng)結構圖 Fig. 32 Illustration of impedance spectrum measurement system which is based on the m sequence incentive 下面將重點介紹一下整個 系 統(tǒng)硬件平臺的設 計與測試，關于生物電阻抗測量原理中的相關檢測算法將在下一章中會做一個詳細的說明。 測量平臺的總體構架 圖 33 測試平臺的 系統(tǒng)框圖 Fig. 33 System block diagram of the test platform 生物電阻抗快速測量平臺的構建 17 在數據采集系統(tǒng)的設計中一般選擇 FPGA+ARM 的設計思路 【 4749】 。 本文設計一套生物電阻抗快速測量的數據采集系統(tǒng)，同時能夠完成兩路信號 的 同步采 樣 ，并對采樣的所有數據進行正確的存儲。測試平臺的系統(tǒng)框圖如 圖 33 所示： 采集系統(tǒng)要實現對激勵信號和響應信號的兩路同步采樣，本設計選用采樣率較高的采集方法，其一是為了實現快速采樣，其二是為了減小采樣信號的混疊現象。 AD 可以選擇LTC2298，它是雙 通道 同時能采集的 14 位 AD,采樣率能達到 65M,用 FPGA 做 AD 采集的控制，并且用外擴的存儲器作緩存器，整個系統(tǒng)用 STM32 系列的 ARM 作控制中心，實現按鍵控制、串口通訊、顯示及大量數據的存取。 系統(tǒng)工作流程如下：本系統(tǒng)由 圖 33 的幾個模塊組成，系統(tǒng)上電后，由 STM32 發(fā)送開始采樣信號到 FPGA， FPGA 通過內部的電路邏輯實現 SRAM 的寫時序準備寫 SRAM，同時設置 AD 器件開始工作，由 FPGA 控制采集數據的多少，在系統(tǒng)上電的同時 FPGA產生 基于 m序列的信號源，且保證產生 m序列的時鐘和 AD 的采集時鐘同步；當采樣完成后， FPGA 發(fā)送采樣結束信號給 STM32，并停止 AD 的工作，以減小系統(tǒng)的功耗，同時 FPGA 內設計好 SRAM 和 STM32 的通訊總線，由 STM32 通過 FSMC 對所采集到的 2路數據分時的進行讀取并存入到 SD 卡中，也可以通過串口發(fā)送給上位機。 測量平臺及各模塊的介紹和測試 基于 m 序列的生物電阻抗快速測量平臺的設計將從電源模塊、信號激勵源模塊、模數轉換模塊、數據緩沖模塊、 FPGA 前 端 控制模塊 【 50】 、 STM32 后端控制模塊 【 51】 、四電極電纜驅動模塊入手，對各個模塊進行介紹和測試，完成整個平臺的構建。 電源模塊的設計介紹 在一個穩(wěn)定的系統(tǒng)中，必須首先要有一個穩(wěn)定的電源，生物電阻抗快速測量平臺也要有一個穩(wěn)定的電源，保證系統(tǒng)能夠正確的運行。電源設計中即使是普通的直流到直流轉換器的設計都會很容易出現一系列問題，尤 其在功率比較大的電源設計中更是如此。除了要考慮功能以外，還要考慮成本、目標要求、熱性能和空間限制，當然同時還要保證設計的實用。另外， 為了保證系統(tǒng)的設計性能 ，電源產生的電磁干擾（ EMI）必須足夠低。不過，電源的電磁干擾水平卻是設計中最難精確預計的。 生物電阻抗快速測量平臺中，主要器件都是直流電壓源供電，電壓并不大，是低電壓供電范圍，在系統(tǒng)中既有模擬電路器件，又有數字電路器件，器件數目比較多，所以功耗問題是一個重要的問題。由此選擇 DCDC 模塊對本系統(tǒng)進行供電，而且把對模擬器件和數字器件的供電系統(tǒng)分開，最后用點 接觸的方法把二者統(tǒng)一，這樣有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，減小系統(tǒng)的干擾。所選的 DCDC 模塊是把 12V 的直流電轉換成 5V 和 +5V 的直流電，選擇的 DCDC 模塊的型號為 WD1012D05 和 WD1012S05，數字電路只需要正電源，故選擇單極性輸出的 DCDC 模塊，而模擬電路的供電需要正電源和負電源，所以選擇雙極性的DCDC 模塊，由于系統(tǒng)所需的電源模塊有幾個電壓級別，選用三端穩(wěn)壓管對 DCDC 輸出西安理工大學碩士學位論文 18 的電壓進行轉換，從而完成對系統(tǒng)供電系統(tǒng)的滿足。電源電路需要濾波，一般的，放置一個 1uF 到 10uF 的去耦電容在電源接入電 路板處，濾除低頻的噪聲。放置一個 到 的去耦電容在電源接入電路板處，濾除高頻的頻率 。電源模塊的設計具體如下。 模擬電源的設計 模擬電源主要是供給激勵電流源模塊，電纜驅動模塊和 AD 模塊的，由于運算放大器要用雙電源，所以這部分電源要提供正電源和負電源模塊，三端穩(wěn)壓管選擇 LM1117 系列，其輸出電流能達到 ，能夠滿足設計要求，具體的設計電路如 圖 34 和 圖 35 所示。 AGNDVin1+Vin2+Vout13COM4Vout25U2WD1012D05AGNDA+5VA5V IN3OUT2GND1TAB4U5LM1117MP3104C10104C1110uFC810uFC9AGNDA+5VA+3VAGND 圖 34 模擬電源 DCDC 模塊 圖 35 3V 模擬電源模塊 Fig. 34 Analog power DCDC module Fig. 35 3V analog power module 數字電源的設計 數字電源主要供給的是 SRAM 器件、 FPGA 器件、 ARM 器件，用正電源就可以了。在用三端穩(wěn)壓管時， 的輸入是 3V的輸出，所以選擇了 AMS1085 器件，其輸出電流可以達到 3A,能滿足設計要求，具體原理設計如 圖 36 和 圖 37 所示。 DGNDVin1+Vin2+Vout13NP4GND5U1WD1012S05DGNDD+5V 圖 36 數字電源 DCDC 模塊 Fig. 36 Digital power DCDC module IN3OUT2GND1TAB4U3104C5104C610uFC3DGNDDGNDIN3OUT2GND1TAB4U4104C710uFC4D+ D+D+5VDGND 圖 37 和 數字電源模塊 Fig. 37 and digital power supply module 模數電源的聯(lián)系 為了使電源模塊能夠工作和 減少 接觸干擾，對模擬地和數字地用一個電感串起來，把生物電阻抗快速測量平臺的構建 19 模擬 5V 和數字 5V也做同樣的處理，已達到模擬電源和數字電源的點接觸，增強電源的穩(wěn)定性， 如 圖 38 所示。 104C1210uHL1104C1310uHL2D+5VDGNDA+5VAGND 圖 38 模擬電源和數字電源的關系 Fig. 38 The relationship between the analog and digital supplies 以上就是電源模塊的設計，還有一點要強調，在電源地線的處理中， 除了要 在電源 和地線之間加上去耦電容 外 ， 還要 盡量 的要 加寬電源 線 和 地線 的 寬度，最好是地線 要 比電源線寬， 可以通過覆銅 來 加大地的面積 。本設計 電路板 做成 了 多層 電路 板， 其中電源和地 各占用一層。數字電路 和 模擬電路 是 單 點 共 地， 數字電路 部分 的頻率 相對較 高，模擬電路 部分 的敏感度 相對較 強， 所以 高頻 率的 信號線 要 盡 量 布置 的離模擬電路器件遠些。 信號激勵源模塊的設計介紹 上一 章已經初步介紹了信號源的模型選擇和設計思路，下面將具體說明一下信號激勵源的設計。 用 FPGA 產生信號源的話，由于器件本身的 電平 所決定，輸出 的 信號為 峰峰值 是 單 極性 m序列 。電壓是直流，會導致生物體內產生 極化現象 ，對測量精度有影響。為了克服不足，把單極性的信號轉變成雙極性的信號，設計中選擇了模擬開關芯片74HC4053，實現了單極性的電壓信號到雙極性的電壓信號的轉變。在測量的過程中，生物體表和電極的接觸阻抗比較大，為了減小這種接觸阻抗對測量結果帶來的影響，選擇了用 電流驅動電壓的測量方法 。本系統(tǒng)由 FPGA 輸出的 VFPGA 是 單極性 的 電壓信號， VFPGA經 過 單雙極 的 極 性轉換 電路 模塊后輸出的 VOUT 是 雙極性 的 電壓信號 ， 此信號 經 過 電壓控制 的 電流源 電路 模塊， 得到需要的電流 信 號 。 m 序列 激勵源電路的 設計框圖如 圖 39 所示。 圖 39 激勵源電流驅動電路 的 設計 Fig. 39 Design of circuit which is drived by excitation source current 通過 FPGA 產生的 m 序列 經過單雙極性 的 轉換電路 模塊 和電壓控制 的 電流源 電路 模塊產生所需要的激勵信號源，下面將介紹這兩個模塊的設計。 單雙極性轉換電路 為了保證激勵信號源的雙極性，選用了 74HC4053 芯片作為單雙極性轉換電路，西安理工大學碩士學位論文 20 74HC4053 是一個三路的兩通道數字控制的模擬開關，具有三個獨立的數字控制輸入端，通道具有低導通阻抗和低的截止漏電流，芯片具有較寬的數字和模擬輸入信號范圍，數字信號的范圍 是 3V15V，模擬信號的范圍是 15Vpp，具有很低的靜態(tài)電源損耗，片 上 二進制地址編碼。在本設計 中 的電路如 圖 310 所示，選用了芯片的通道 1，單極性的 m序列（圖中 VCCS 端）經過通道 1 的數字控制端 A，通道 1 的兩個輸入端 X0 和 X1 分別接 到﹣ 1V 和 ﹢ 1V 的基準電壓，當