基于單片機(jī)的生物電阻抗頻譜測(cè)量系統(tǒng)

羅仕強(qiáng),田 華,黃 華

摘 要:測(cè)量生物材料幅頻和相頻特性是研究生物組織電性質(zhì)的重要方法,同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的精度決定研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對(duì)此項(xiàng)研究,測(cè)量系統(tǒng)以C8051F340單片機(jī)為MCU;AD9852為信號(hào)源,產(chǎn)生頻率、幅度可調(diào)的正弦信號(hào)。采用AD8302測(cè)量組織與標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的幅度比和相位差,實(shí)現(xiàn)1 Hz~10 MHz頻率范圍內(nèi)測(cè)量生物組織的頻譜特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和精確度較好。

關(guān)鍵詞:生物材料;頻譜特性;AD9852;AD8302

中圖分類號(hào):TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)12-146-03

Bioelectrical Impedance Frequency Spectrum Measurement System Based on Single Chip Computer

LUO Shiqiang,TIAN Hua,HUANG Hua

(School of Electrical Engineering and Information,Sichuan University,Chengdu,610065,China)

Abstract:The spectrum character of biological materials plays an important role in the research of bioelectrical properties.And accuracy of the research depends on the precision of measuring system.In this research,a measurement system is designed.C8051F340 used as MCU and AD9852 is chosen to supply Sine signal with variable frequency and amplitude.The magnitude ratio and phase are measured by AD8302 between tissue and the standard resistor so as to achieve the bioelectrical impedance measurement from 1 Hz~10 MHz.The experimental result indicates that the system has good real-time performance and accuracy.

Keywords:biological materials;spectrum character;AD9852;AD8302

0 引 言

長(zhǎng)期以來(lái),對(duì)生物組織電性質(zhì)的研究一直是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)。生物組織的電學(xué)性質(zhì)是人們認(rèn)識(shí)生命物質(zhì)的一個(gè)重要方面。

生命物質(zhì)電阻抗作為一個(gè)重要的電參數(shù),在電性質(zhì)研究中占有很重要的地位,生物組織生理病理特性可以通過(guò)電阻抗來(lái)反映。許多研究表明,生物組織電特性的頻率依賴性很強(qiáng),因此,對(duì)生物組織電特性的研究常采用多頻電阻抗法。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)通過(guò)研究生物組織的阻抗特性預(yù)測(cè)早期疾病[1]、治療過(guò)程中的監(jiān)護(hù)[2]、區(qū)分正常組織和病變組織[3]等。在這些研究報(bào)道中發(fā)現(xiàn),對(duì)相關(guān)生物組織的阻抗特性主要使用現(xiàn)成的阻抗分析儀測(cè)量,這些儀器均非針對(duì)生物組織而設(shè)計(jì),因此存在對(duì)測(cè)量對(duì)象造成破壞、非實(shí)時(shí)、價(jià)格昂貴等問(wèn)題。同時(shí)對(duì)生物組織頻譜測(cè)量系統(tǒng)的研究也在逐漸展開(kāi),并有少數(shù)的國(guó)外相關(guān)報(bào)道[4,5]。因此,在這些研究的基礎(chǔ)上,總結(jié)并設(shè)計(jì)一種先進(jìn)、優(yōu)化、方便快捷的生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能全自動(dòng)、在很短時(shí)間內(nèi)完成從1 Hz～10 MHz的逐頻掃描,并記錄和顯示各頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值和相位。同時(shí),系統(tǒng)可以和PC機(jī)相關(guān)聯(lián),具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

1 測(cè)量原理

生物組織在不同的頻率下,具有不同的阻抗特性。對(duì)生物組織阻抗特性測(cè)量采用兩電極法,電路由電極和組織組成的電極系統(tǒng)Zx及無(wú)感容的標(biāo)準(zhǔn)純電阻Rs串聯(lián)組成。由于信號(hào)源產(chǎn)生的電壓只有毫伏,檢測(cè)到的Zx和Rs兩端電壓通過(guò)同比例放大后的電壓為U?Z和U?R。設(shè)信號(hào)源輸出電壓U?i=Umsin(ωt),同時(shí)信號(hào)源U?i,U?Z和U?R之間的關(guān)系滿足平行四邊形法則[6],通過(guò)Zx和Rs的電流I?,U?Z和U?R可表示為:

I?=U?i/Zx?+Rs(1)

U?Z=|A1|(U?s-UR?)=

|A1|Zx?I?=|UZ|∠φ1(2)

U?R=|A2|U?R=|A2|RsI?=|UR|∠φ2(3)

通過(guò)式(2)和式(3),可以計(jì)算得式(4):

Zx?=U?Z|A1|?I?=|UZ||UR|?|A2||A1|?∠φ1∠φ2Rs

=Rs|UZ||UR|?|A2||A1|∠θ(4)

式中:θ=∠φ1-∠φ2,則阻抗的幅值和相位分別為:

|Zx|=|UZ||UR|Rs(5)

θ(ω)=arccosU2i?-U2R?-U2Z?2|U?R|?|U?Z|(6)

因此,通過(guò)測(cè)量和計(jì)算就可以獲得生物組織的幅頻和相頻特性。

2 生物電阻抗頻譜測(cè)量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體

生物阻抗頻譜測(cè)量系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括電源模塊、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、信號(hào)檢測(cè)、MCU、液晶顯示、鍵盤(pán)、SD卡存儲(chǔ)器、USB接口等。

圖1 阻抗頻譜測(cè)量系統(tǒng)原理圖

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是由測(cè)量對(duì)象和電極組成的電極系統(tǒng),其中電極采用自制的共面電極[7],如圖2所示。首先在合適的測(cè)量環(huán)境下,準(zhǔn)備好測(cè)量對(duì)象,啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。單片機(jī)通過(guò)控制DDS芯片產(chǎn)生由低頻到高頻的正弦信號(hào),作用于電極系統(tǒng),測(cè)量系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理后通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換,將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于單片機(jī)內(nèi)。單片機(jī)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析處理,將不同頻率時(shí)|Zx|和θ(ω)的值通過(guò)液晶對(duì)應(yīng)顯示,同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中。PC機(jī)可以通過(guò)USB接口直接讀取SD卡中的信息并分析。

圖2 共面電極示意圖

2.2 信號(hào)源部分

信號(hào)發(fā)生器是系統(tǒng)的重要組成部分,要保證輸出的正弦波信號(hào)失真小,幅值穩(wěn)定且具有幅值、相位和頻率可調(diào)的功能。該系統(tǒng)采用直接頻率合成(Direct Digital Synthesizer,DDS)技術(shù),選用AD9852芯片來(lái)產(chǎn)生電壓信號(hào)[8]。AD9852是美國(guó)Analog Devices公司生產(chǎn)的新型直接數(shù)字頻率合成器,具有頻率轉(zhuǎn)化速度快、頻譜純度高、工作溫度范圍寬、集成度高等特點(diǎn)。工作電壓為3.3 V,片內(nèi)有4～20倍可編程時(shí)鐘乘法電路,系統(tǒng)最高時(shí)鐘可達(dá)300 MHz,輸出頻率可達(dá)120 MHz,頻率轉(zhuǎn)化速度小于1 μs。內(nèi)部有12位D/A轉(zhuǎn)化器、48位可編程頻率寄存器和14位可編程相位寄存器,具有12位振幅調(diào)諧功能,能產(chǎn)生頻率、相位、幅度可編程控制的高穩(wěn)定模擬信號(hào),完全能滿足實(shí)驗(yàn)要求。

信號(hào)源的電路原理框圖如圖3所示。

圖3 信號(hào)源原理框圖

信號(hào)源的時(shí)鐘采用外接一個(gè)20 MHz的有源晶振,通過(guò)內(nèi)部時(shí)鐘乘法器倍頻得到系統(tǒng)時(shí)鐘。由于DDS芯片直接輸出的信號(hào)中帶有內(nèi)部時(shí)鐘的干擾成份,為了抑制雜散,在AD9852輸出端要加低通濾波器[9]。

AD9852的最大輸出幅度由5,6腳的電阻器RSET決定,RSET=39.93/IOUT。AD9852輸出電流范圍是5～20 mA。在輸出典型值為10 mA時(shí),可提供最好的SFD(Spurious Free Dynamic range)性能,因此選擇RSET=3.9 kΩ。而數(shù)模變換器的輸出電壓幅度為-0.5～+1 V,輸出信號(hào)功率不能直接滿足要求,所以還要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大。

2.3 測(cè)量部分

測(cè)量電路如圖4所示。

圖4 電路測(cè)量原理圖

從理論分析可知,選用芯片AD8302可以得到從電極輸出的兩路信號(hào)的幅度比和相位差[10]。AD8302是美Analog Devices公司生產(chǎn)的專門(mén)用于幅度和相位測(cè)量的首款單片集成電路,它能同時(shí)測(cè)量從低頻到2.7 GHz頻率范圍內(nèi)兩輸入信號(hào)之間的幅度比和相位差。它內(nèi)部含兩個(gè)精密匹配寬帶對(duì)數(shù)檢波器、一個(gè)相位檢波器、輸出放大器組、一個(gè)偏置單元和一個(gè)輸出參考電壓緩沖器等。該器件將精密匹配的兩個(gè)對(duì)數(shù)檢波器集成在一塊芯片上,因而可將誤差源及相關(guān)溫度漂移減小到最低限度。

AD8302的幅度和相位測(cè)量原理主要基于對(duì)數(shù)放大器的對(duì)數(shù)壓縮功能,其一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為:VOUT=VSLPlog(VIN/VZ)其中VIN為輸入電壓,VZ為截距,VSLP為斜率。AD8302正是利用上述對(duì)數(shù)壓縮原理,通過(guò)精密匹配的兩個(gè)寬帶對(duì)數(shù)檢波器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩輸入通道信號(hào)的幅度和相位的測(cè)量,其方程式如下:

VMAG=RFISLPlog(VINA/VINB)+VCP

VPHS=-RFIΦ(|Φ(VINA)-Φ(VINB)|-90°)+VCP

式中:VINA和VINB分別為A,B兩通道的輸入信號(hào)幅度;Φ(VINA)和Φ(VINB)分別為A,B兩通道的輸入信號(hào)相位;VCP為參考電壓VCP=900 mV;RFISLP=30 mV/dB;RFIΦ=10 mV/(°)。

因此,兩路電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)AD8302輸出增益和相位電壓值;再通過(guò)C8051F340單片機(jī)內(nèi)部自帶的10位ADC轉(zhuǎn)換后,取到增益和相位具體參數(shù),計(jì)算后可直接得到被測(cè)的阻抗。

2.4 其他部分

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中除了信號(hào)源和檢測(cè)部分,鍵盤(pán)、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等部分也是必不可少的。

鍵盤(pán)主要用來(lái)設(shè)置信號(hào)源參數(shù),包括信號(hào)的起止頻率、頻率步進(jìn)、開(kāi)始和復(fù)位等。鍵盤(pán)采用3×2矩陣式結(jié)構(gòu)。

顯示部分選用EDM12864B型圖形點(diǎn)陣式LCD液晶顯示模塊,主要用來(lái)顯示信號(hào)參數(shù)的具體設(shè)置信息和輸出狀態(tài),如當(dāng)前輸出信號(hào)的頻率和幅值,測(cè)量對(duì)象的頻譜特性參數(shù)值(幅值和相位)等。

外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用SD卡。這種模式方便快捷,當(dāng)測(cè)量結(jié)束后,將測(cè)量數(shù)據(jù)存入SD卡中;然后取下SD卡,插入到讀卡器中,可以直接在計(jì)算機(jī)上讀出數(shù)據(jù)文件并處理數(shù)據(jù)。另外,在該系統(tǒng)上還設(shè)計(jì)了USB接口。當(dāng)連接USB與計(jì)算機(jī),通過(guò)程序的控制,可以實(shí)現(xiàn)直接讀取SD卡中的數(shù)據(jù)文件。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)完成單片機(jī)以及各外部芯片初始化,包括單片機(jī)時(shí)鐘,A/D初始化,AD9852初始化,AD8302初始化,以及鍵盤(pán)、液晶顯示、USB、SD卡初始化等。初始化完成后,向DDS芯片AD9852寫(xiě)入控制字,控制并輸出信號(hào);向幅度相位測(cè)試芯片AD8032寫(xiě)入控制字,控制測(cè)量輸出幅度差、頻率比的輸出模式。另外完成檢測(cè)按鍵狀態(tài),實(shí)時(shí)顯示,存儲(chǔ)數(shù)據(jù),查詢USB等。

系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

對(duì)AD9852的驅(qū)動(dòng)和控制是系統(tǒng)軟件設(shè)置的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)AD9852的初始化,首先,要設(shè)置工作模式。該設(shè)計(jì)采用單調(diào)模式(Single-Tone),要求輸出1 Hz～10 MHz不同頻率的正弦信號(hào)。首先計(jì)算每個(gè)需要的頻率點(diǎn)的頻率控制字的值,頻率控制字的值由如下等式?jīng)Q定:FTW=輸出頻率×248/系統(tǒng)時(shí)鐘頻率;然后,在內(nèi)存中輸入對(duì)應(yīng)頻率表值,通過(guò)編程獲取對(duì)應(yīng)的頻率值并送到DDS的頻率控制字中,控制DDS輸出頻率,在一輪檢測(cè)完成以后再送出下一個(gè)頻率值。另外,在程序設(shè)計(jì)時(shí)要特別考慮程序的時(shí)序設(shè)計(jì)。

檢測(cè)部分主要是一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程。ADC是單片機(jī)自帶的模塊,程序采用中斷的方式讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后,讀取幅度比和相位差值,通過(guò)計(jì)算,直接得到被測(cè)組織的阻抗。

4 結(jié) 語(yǔ)

這里所設(shè)計(jì)的生物組織阻抗頻譜測(cè)試儀能快速、準(zhǔn)確、自動(dòng)完成1 Hz～10 MHz范圍的生物組織電阻抗(頻率特性)測(cè)量。儀器結(jié)構(gòu)完整、簡(jiǎn)單、成本低。DDS芯片的使用,讓信號(hào)的質(zhì)量得到了保證,而AD8302芯片極大的簡(jiǎn)化了幅度和相位測(cè)量電路,并且提高了測(cè)量精度。該系統(tǒng)能很好地完成生物組織電阻抗頻譜特性的測(cè)量,極大地改善、拓展了相關(guān)測(cè)量,對(duì)相關(guān)研究具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]Jacques Durand,Julien Amendola.Early Abnormalities in Transgenic Mouse Models of Amyotrophic Lateral Sclerosis[J].Journal of Physiology-Paris,2006,99(2-3):211-220.

[2]Zhu Fansan,Edward F,Lenard,et al.Continuous Measurement of Calf Resistivity in Hemodialysis Patients Using Bioimpedance Analysis[J].IEEE,2006:5 126-5 128.

[3]Aberg P,Ingrid Nicander.Skin Cancer Identification Using Multifrequency Electrical Impedance-A Potential Screening Tool[J].IEEE Trans.on Biomed.Eng.,2004,51(12):2 097-2 102.

[4]Wang Chao,Qian Xiangchen,Wang Xiangyu,et al.Mixing Frequency-based Bioelectricial Impedance Measurement[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2007,28(6):961-965.

[5]Emma Angelini,Alessio Carullo,Simone Corbellini,et al.Handheld-impedance-Measurement System with Seven-decade Capability and Potentiostatic Function[J].IEEE,2006,55(2):436-441.

[6]黃華,袁支潤(rùn),陳槐卿,等.體液及生物組織交流頻譜特性測(cè)量系統(tǒng)[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2004,21(6):939-942.

[7]Yang Gang,Long Haiyan,Tian Hua,et al.Bioimpedance Measurement:Modeling of Coplanar Electrodes and Impedance Characterization[J].ICBBE,2008:1 248-1 251.

[8]王永濤,韓建,牟海維,等.基于單片機(jī)與AD9852的信號(hào)源設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表,2006,43(7):39-41.

[9]張珂,李劍.寬頻帶生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)的研制[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2007,26(10):53-56.

[10]楊宇祥,王玨,牛飛龍,等.基于AD8302的生物阻抗頻譜測(cè)量?jī)x的研制[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2006,27(6):168-170.