CN105380647A - 一种基于四电极半桥法的微弱动态阻抗检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四电极半桥法的微弱动态阻抗检测装置及其方法，半臂自动平衡电桥电路由数字电位器与生物阻抗共同构成；可编程放大电路由2个仪器放大器和一个可编程仪器放大器构成，一仪器放大器的输出为数字电位器的分压V₁，另一仪器放大器输出为生物阻抗的分压V₂，可编程仪器放大器的输出为V₁和V₂的差值；自动平衡调节电路，根据基于过采样的快速数字锁相电路解调出来的微弱动态阻抗变化信号的电压幅值作为负反馈，控制数字电位器的抽头位置，直到解调出的电压幅值进入阈值之内，则自动平衡调节电路进入平衡状态。本发明实现了基于四电极半桥法的动态阻抗检测，具有高精度、高灵敏度、大动态范围、实现简单、实时连续测量的优势。

Description

一种基于四电极半桥法的微弱动态阻抗检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及动态阻抗检测领域，尤其涉及一种基于四电极半桥法的微弱动态阻抗检测装置及其方法。

背景技术

生物电阻抗分析是一种无创性，成本低，常用的人体测量和临床状态评估方法。随着生物阻抗测量技术的日趋发展与成熟，生物阻抗测量应用于临床已经成为可能。生物阻抗可分为静态基础阻抗与微弱动态阻抗两个部分。微弱动态阻抗变化往往携带更多的生理信息，因此微弱动态阻抗变化量的实时连续监测为临床应用提供了可能。在微弱动态阻抗的测量中，扣除静态基础阻抗的影响是关键。

发明人在实现本发明的过程中发现，现有的阻抗测量方法，采集过程中通常对静态阻抗和微弱动态阻抗同时进行采集，并进行相同程度的放大，对于及其微弱的动态阻抗变化量的测量造成了一定的困难。同时较大的静态基础阻抗会引入个体差异性，为阻抗测量手段应用于临床造成了一定的难度。

发明内容

本发明提供了一种基于四电极半桥法的微弱动态阻抗检测装置及其方法，本发明具有精度高、灵敏度高、动态范围大，功耗低以及成本低廉等优点，能够对较为微弱的动态阻抗变化量进行连续长时间的监测，详见下文描述：

一种基于四电极半桥法的微弱动态阻抗检测装置，包括：激励恒流源，还包括：

半臂自动平衡电桥电路，由数字电位器与生物阻抗共同构成；

可编程放大电路由2个仪器放大器和一个可编程仪器放大器共同构成，一仪器放大器的输出为数字电位器的分压V₁，另一仪器放大器的输出为生物阻抗的分压V₂，可编程仪器放大器的输出为V₁和V₂的差值；

自动平衡调节电路，根据基于过采样的快速数字锁相电路解调出来的微弱动态阻抗变化信号的电压幅值作为负反馈，控制数字电位器的抽头位置，直到解调出的电压幅值进入阈值之内，则自动平衡调节电路进入平衡装态。

所述激励恒流源为高频正弦恒电流源激励信号。

所述四电极配置电路由四个电极构成，采用激励电极和测量电极分开的方式进行配置。

所述可编程仪器放大器用于对静态基础阻抗和微弱动态变化阻抗进行不同程度的放大。

一种基于四电极半桥法的微弱动态阻抗检测方法，所述方法是一种自动平衡半桥法，所述方法包括以下步骤：

数字电位器表述为R_S，被测生物阻抗表述为R_Z；

经过高频正弦电流激励之后，R_S两端电压经过一仪器放大器后的输出电压表示为V₁，R_Z两端经过另一仪器放大器后的输出电压表示为V₂；

V₁与V₂经过可编程仪器放大器后的输出电压表示为V_out，V_out由模数转换器转换成数字信号；

通过基于过采样的快速数字锁相对数字信号进行解调和平均滤波，得到被测阻抗的电压幅值；

快速数字锁相解调得到的被测生物阻抗的电压幅值作为负反馈信号，通过自动平衡电桥对数字电位器的抽头位置进行调整；

若偏差的绝对值大于偏差阈值，则重新计算幅值及偏差，直至偏差的绝对值小于偏差阈值，则完成电桥平衡的调节。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明通过四电极法去除接触阻抗的影响，同时采用自动平衡半桥法达到扣除较大静态基础阻抗的目的，并通过可编程仪器放大器对静态基础阻抗与动态阻抗变化量进行不同程度的放大，再对ADC采样后的数据进行基于过采样的快速锁相算法从而解调出微弱阻抗变化量。本发明能够对微弱动态阻抗变化量进行连续、长时间检测，并且具有精度高、灵敏度高、动态范围大、成本低廉、功耗低、体积小的特点，具有较高的应用价值。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于四电极半桥法的微弱动态阻抗检测装置的结构示意图；

图2为本发明提供的基于四电极半桥法的微弱动态阻抗检测的电路图；

图3为本发明提供的电极分布图；

图4为对电桥进行幅值自动平衡调整的流程图；

图5为实验波形图。

附图中，各部件的列表如下：

1：激励恒流源；2：半臂自动平衡电桥电路；

3：可编程放大电路；4：快速数字锁相电路；

5：自动平衡调节电路；6：四电极配置电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种基于四电极半桥法的微弱动态阻抗检测装置，参见图1和图2，该检测装置包括：激励恒流源1、半臂自动平衡电桥电路2、可编程放大电路3、基于过采样的快速数字锁相电路4、自动平衡调节电路5和四电极配置电路6。

其中，激励恒流源1是高频率正弦恒流源激励信号。

半臂自动平衡电桥电路2的电桥臂由数字电位器与生物阻抗共同构成，半臂自动平衡电桥电路2的目的是扣除静态基础阻抗，消除其引起的个体差异，提取出微弱动态阻抗分量从而提高动态范围和测量精度。

参见图2，可编程放大电路3主要由2个仪器放大器和一个可编程仪器放大器共同构成，其中，仪器放大器A1的输出为数字电位器的分压V₁，仪器放大器A2的输出为生物阻抗的分压V₂，可编程仪器放大器A3的输出为V₁和V₂的差值V_out，其中可编程仪器放大器A3的主要功能是对静态基础阻抗和微弱动态变化阻抗进行不同程度的放大。

自动平衡调节电路5，根据基于过采样的快速数字锁相电路4解调出来的微弱动态阻抗变化信号的电压幅值作为负反馈，控制数字电位器的抽头位置，直到解调出来的微弱动态阻抗变化信号的电压幅值进入所预设的阈值之内，则自动平衡调节电路5进入平衡态。

具体实现时，高频正弦恒电流源激励信号可由微处理器产生；基于过采样的快速数字锁相电路4也可以由微处理器实现；可编程放大电路3和自动平衡调节电路5也均可以由微处理来实现。

四电极配置电路6由四个电极构成，采用激励电极和测量电极分开的方式进行配置。其主要功能是消除接触阻抗引入的干扰，进而提高***的测量精度。参见图2及图3，四电极分别为a、b、c与d，其中a、d为激励电极，b、c为2个测量电极。

其中，上述所有提到的微处理器是同一种微处理器，该微处理器是一种高集成微功耗的处理器，成本低廉，操作简单。微处理器可以采用MCU、ARM、DSP或FPGA中的任意一种。

实施例2

下面结合具体的器件型号对实施例1中的基于四电极半桥法的微弱动态阻抗检测装置进行进一步地描述，详见下文：

本发明实施例中，采用的微处理器为低功耗微处理器CY8C3866AXI；模数转换器ADC为11bit，采样率为200Ksps，过采样倍数是4。

放大电路3包含2个仪器放大器AD623，及所用微处理器上的可编程增益放大器与运放构成的可编程仪器放大器A3，当自动平衡调节电路5达到平衡态之后，提高可编程放大器的增益至信号不失真的最大增益，此时可以解调出微弱动态阻抗变化信号。自动平衡调节电路5中的数字电位器具体为具有1024抽头的20k数字电位器AD5272。

基于过采样的快速数字锁相电路4中平均滤波的下抽样点数为25000，约在4⁶-4⁸之间，所以模数转换器ADC等效提高8位，该检测装置的等效分辨率达到0.822μV/bit。较为微弱的动态阻抗变化量能够准确的测量出来。自动平衡电桥使***信噪比有了明显提高。

实施例3

实现四电极半桥法的微弱动态阻抗检测方法的基本原理描述如下，详见图4所示的示意图，首先，该方法是一种自动平衡半桥法，也可以称为微差调制法，半臂调制电桥由数字电位器R_S与生物阻抗R_Z共同构成。

101：微处理器产生一路高频正弦电流激励信号表示为I(t),其频率设置为50kHz；

102：数字电位器表述为R_S，被测生物阻抗表述为R_Z；

103：经过高频正弦电流激励之后，R_S两端电压经过仪器放大器A1后的输出电压表示为V₁，R_Z两端经过仪器放大器A2后的输出电压表示为V₂；

104：V₁与V₂经过可编程仪器放大器A3后的输出电压表示为V_out，V_out由微处理器中的模数转换器ADC以200Ksps的采样率转换成数字信号V_Dout；

105：微处理器通过基于过采样的快速数字锁相对数字信号V_Dout进行解调和平均滤波，得到被测阻抗的电压幅值；

106：快速数字锁相解调得到的被测生物阻抗的电压幅值作为负反馈信号，通过自动平衡电桥对数字电位器的抽头位置进行调整。

具体实现时，依据四电极配置方案，激励电极和测量电极分开排列，以保证消除接触阻抗引入的干扰，待测阻抗的两端均有一个激励电极一个测量电极，且激励电极与测量电极间隔约为2.5cm。

本发明实施例中，具体实现电桥平衡调整的流程图，参见图4，包含：开始调整、设置数字电位器初始位置、计算数字信号的幅值、计算幅值与目标值偏差、通过偏差计算抽头位置并设置数字电位器抽头位置、再次计算偏差、判断是否达到偏差的阈值范围，完成电桥平衡的调节，平衡后提高可编程放大器的增益，程序调整结束，开始测量动态阻抗变化信号。

其中，开始调整的条件是人体保持静止不动，***上电，启动程序。幅值平衡调节是以基于过采样的快速锁相计算出的V_Dout的信号幅值作为负反馈信号，通过负反馈信号确定数字电位器的抽头位置，通过调整数字电位器的抽头位置使电桥达到平衡状态。

首先，设置数字电位器的抽头的初始位置R_S＝0，计算出此时数字信号V_Dout的信号幅值y，通过e＝y-w计算出幅值y与调整目标值w的偏差e，依据公式u_i＝ke+u₀计算下一次调整所需的数字电位器的抽头位置u_i，其中k为调节比例系数，u₀为数字电位器的初始位置，计算出u_i后重新设置数字电位器的抽头位置，若偏差e的绝对值大于偏差的阈值E0，则需重新计算幅值y及偏差e，直至偏差e的绝对值小于偏差的阈值E0，则完成电桥平衡的调节，此时，提高可编程仪器放大器的增益至不失真的最大状态，即增益k＝max，程序调整结束，此时输出的信号V_out即为微弱动态阻抗变化信号。

其中，k是比例调整系数，是由整个装置的特性决定的。

其中，调整目标值w设置为20mV，设置输出幅值y与调整目标值w的偏差e的阈值E0＝10mV，判断是否完成平衡调整的调节条件是偏差e的绝对值小于偏差的阈值E0。调整完成后输出信号y的范围在w-E0与w+E0之间。

其中，可编程仪器放大器增益提高的范围是4～32倍。通过以上步骤的调节，可以使微小变化的生物阻抗量值被放大而更容易检测。

实施例4

下面结合具体的计算公式对实施例3中的基于四电极半桥法的微弱动态阻抗测量的基本原理进行详细说明，详见下文：

微处理器产生的激励信号是高频电流信号时，可以用公式(1)表示：

I＝Asin(wt)+I₀(1)

其中，ω＝2πf，为激励信号的角频率；I为激励电流源；t为时间变量；A为交流电流源的幅值；I₀为直流偏置电流。其中仪器放大器A1的输出为R_S两端电压，其表达式如公式(2)所示：

V₁＝IR_S＝R_S(Asin(wt)+I₀)＝AR_Ssin(wt)+I₀R_S(2)

其中仪器放大器A2的输出为生物阻抗R_Z两端电压，其表达式如公式(3)所示：

V₂＝I(R_Z+ΔZ)＝(R_Z+ΔZ)(Asin(wt)+I₀)＝R_Z(Asin(wt)+I₀)+ΔZ(Asin(wt)+I₀)(3)

可编程仪器放大器A3的输出为V₁与V₂的差值，其表达式如公式(4)所示：

V_out＝V₁-V₂＝(R_S-R_Z)(Asin(wt)+I₀)-ΔZ(Asin(wt)+I₀)(4)

其中，生物阻抗包括：静态基础阻抗和动态变化阻抗两部分，R_Z表示静态基础阻抗：ΔZ表示微弱动态阻抗变化量。

想要测量微弱动态阻抗变化量，需要扣除静态基础阻抗的影响，从而提高信噪比，扩大信号的动态范围。其中，数字电位器R_S的主要作用就是扣除静态基础阻抗的影响。

具体实现时，开始调整电桥时，将所有放大器的倍数设置为1，调整数字电位器的抽头位置，直至R_S与R_Z近似相等。此时输出如公式(5)所示：

V_out＝V₁-V₂＝-ΔZ(Asin(wt)+I₀)(5)

同时由于ΔZ极小，因而输出接近于0，所以此时电桥接***衡，将可编程仪器放大器A3的放大倍数调整至不失真的最大状态，则输出信号为微弱动态阻抗变化量的信号。

实施例5

下面结合具体的实例对实施例1-4中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

以测量呼吸为例，所用微处理器为CYPRESS的CY8C3866，所用激励电流源I由该微处理器上的IDAC生成，频率采用50kHz，半桥电路采用数字电位器AD5272与人体阻抗构成，所用数字电位器AD5272，抽头为1024抽头，总阻值为20kΩ，电阻的分辨率为19.5Ω。放大部分由2个仪器放大器AD623及可编程仪器放大器A3构成，其中可编程仪器放大器A3由微处理器上的可编程放大器与运算放大器构成共同构成。所用微处理器上的ADC采样率设置为200ksps。所用解调算法为基于过采样的数字快速锁相算法，点数为25000个点，下抽样后得到的采样速率为8sps，每分钟获得480个点。

图5为1分钟内检测到的呼吸波形，其中横坐标为采样点数，纵坐标为***的输出，由图5可知，所测得的呼吸频率为16次/min。

这种基于四电极半桥法的微弱动态阻抗测量方法通过扣除静态基础阻抗消除个体差异，消除接触阻抗引入的干扰，提高了测量精度，能对不同个体的微弱动态阻抗变化量进行连续实时监测，具有重要的临床应用价值。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于四电极半桥法的微弱动态阻抗检测装置，包括：激励恒流源，还包括：

半臂自动平衡电桥电路，由数字电位器与生物阻抗共同构成；

可编程放大电路由2个仪器放大器和一个可编程仪器放大器共同构成，一仪器放大器的输出为数字电位器的分压V₁，另一仪器放大器的输出为生物阻抗的分压V₂，可编程仪器放大器的输出为V₁和V₂的差值；

自动平衡调节电路，根据基于过采样的快速数字锁相电路解调出来的微弱动态阻抗变化信号的电压幅值作为负反馈，控制数字电位器的抽头位置，直到解调出的电压幅值进入阈值之内，则自动平衡调节电路进入平衡状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于四电极半桥法的微弱动态阻抗检测装置，其特征在于，所述激励恒流源为高频正弦恒电流源激励信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于四电极半桥法的微弱动态阻抗检测装置，其特征在于，所述四电极配置电路由四个电极构成，采用激励电极和测量电极分开的方式进行配置。

4.根据权利要求1所述的一种基于四电极半桥法的微弱动态阻抗检测装置，其特征在于，所述可编程仪器放大器用于对静态基础阻抗和微弱动态变化阻抗进行不同程度的放大。

5.一种基于四电极半桥法的微弱动态阻抗检测方法，其特征在于，所述方法是一种自动平衡半桥法，所述方法包括以下步骤：

数字电位器表述为R_S，被测生物阻抗表述为R_Z；

经过高频正弦电流激励之后，R_S两端电压经过一仪器放大器后的输出电压表示为V₁，R_Z两端经过另一仪器放大器后的输出电压表示为V₂；

V₁与V₂经过可编程仪器放大器后的输出电压表示为V_out，V_out由模数转换器转换成数字信号；

通过基于过采样的快速数字锁相对数字信号进行解调和平均滤波，得到被测阻抗的电压幅值；

快速数字锁相解调得到的被测生物阻抗的电压幅值作为负反馈信号，通过自动平衡电桥对数字电位器的抽头位置进行调整；

若偏差的绝对值大于偏差阈值，则重新计算幅值及偏差，直至偏差的绝对值小于偏差阈值，则完成电桥平衡的调节。