用于确定生物组织的生物阻抗的同步检测电路和方法技术

本申请公开提供用于从波形提取幅度和相位信息的同步检测电路和方法的实施例。同步检测电路的一个实施例包括驱动器电路、模数转换器(ADC)和控制器。驱动器电路被配置成以输入频率向负载提供输入波形。ADC被耦合成从该负载接收输出波形，并且被配置成针对输出波形的每个周期生成四个数字样本，每个数字样本间隔90°。控制器被配置成用于设置ADC的过采样率(OSR)，使得ADC针对由ADC生成的每个数字样本生成整数M个子样本，其中，整数M个子样本与输入波形的输入频率成反比。控制器进一步被配置成使用由ADC生成的数字样本从输出波形提取幅度和相位信息。

Synchronous detection circuits and methods for determining biological impedance of biological tissues

The present application publicly provides an example of an example of a synchronous detection circuit and method for extracting amplitude and phase information from the waveform. An example of a synchronous detection circuit includes a drive circuit, a analog to digital converter (ADC) and a controller. The drive circuit is configured to provide input waveform to the load at the input frequency. ADC is coupled to receive the output waveform from the load, and is configured to generate four digital samples for each cycle of the output waveform, with a sample interval of 90 degrees. The controller is configured to set the over sampling rate (OSR) of ADC, so that ADC generates integer M subsamples for every digital sample generated by ADC, where the integer M subsample is inversely proportional to the input frequency of the input waveform. The controller is further configured to extract amplitude and phase information from the output waveform using a digital sample generated by the ADC.

【技术实现步骤摘要】
用于确定生物组织的生物阻抗的同步检测电路和方法
本公开涉及同步检测电路，并且更具体地，涉及用于确定生物组织的生物阻抗的低功率、高精度同步检测电路和方法。
技术介绍
以下描述和示例仅作为背景提供，并且旨在揭示被认为与本公开可能相关的信息。不必承认或者应该解释为任何以下信息构成影响本文要求保护的主题的可专利性特征的现有技术。电生物阻抗测量已经广泛用作用于表征生物组织、检测心率、确定身体组成和探知其它生理状态和状况的非侵入性技术。生物阻抗为生物组织对流过它们的电流提供的反作用，并且通常通过将已知振幅(amplitude)和频率的交流电注入生物组织并检测其中的电压波形来测量。待测生物组织的阻抗在振幅和相位上对注入的电流信号(也称为激励信号或载波信号)进行调制。从电压波形确定具有同相分量(I)和正交分量(Q)的复杂生物阻抗信号。同相分量为生物阻抗信号的电阻分量或实部，以及正交分量为生物阻抗信号的电抗分量或虚部。同步检测电路常用于提取可能被掩埋在测量信号的本底噪声中的小信号，例如生物阻抗信号。同步检测能够以各种不同的方式实现。图1中示出了常用于检测生物阻抗信号的传统同步检测电路10的框图。在图1所示的同步检测电路中，电压控制电流源(VCCS)12用于通过外电极对14将处于载波频率(ω0)的交流电流(Io)注入生物组织。在内电极对16两端检测的电压差(Vz)通过仪表放大器(IA)18检测并放大。当以与注入电流(Io)的载波频率(ω0)相同的频率进行检测时，由仪表放大器18生成的电压波形(Vm)在幅度(magnitude)(|Vm|)和相位(θ)上通过生物组织的阻抗被调制。为提取复杂生物阻抗信号的实部分量和虚部分量，将电压波形(Vm)提供给一对混频器20，其中，它与同相(I)参考信号和正交(Q)参考信号相乘(解调)。I信号和Q信号与载波频率(ω0)同步，但分别相移0°和90°。解调信号(V1和V2)被提供给低通滤波器(LPF)22以用于抑制载波频率上的噪声，并且由模数转换器(ADC)24数字化以产生生物阻抗信号的实部分量(Zreal)和虚部分量(Zimag)。然后这些分量被用于根据下面的方程式(1)和(2)来计算生物阻抗信号的幅度和相对相位，从中可获取有用的健康信息。Phase(相位)＝tan-1(1/Zreal)方程式2存在与图1所示的同步检测电路相关联的许多问题。首先，在生物阻抗测量中使用的载波频率通常在约1kHz至100kHz或更大的范围内。为了在如此宽的频率范围内检测生物阻抗，电流驱动器12和仪表放大器18的带宽必须大，这导致大的功耗。为了抑制不同生物阻抗频率上的噪声，包含在I和Q信道内的低通滤波器22的带宽将需要针对每个载波频率而改变。当使用模拟滤波器时这是困难的，并且由于每个附加频率所需的电路复杂性和尺寸的增加，通常不能在大量频率上完成。此外，图1所示的电路依靠I和Q信道中的模拟混频器将电压波形(Vm)转换为直流信号(V1和V2)。两个信道内的模拟电路之间的任何不匹配将导致大的相位误差并降低生物阻抗测量的精度。另外，传统技术利用同时运行的两个模数转换器(每个I或Q信道一个)，由于附加的模数转换器的费用和任何附加的所得信道失配，所以这是缺陷。用于进行生物阻抗测量的高效、低功率同步检测电路和方法将非常适合于可穿戴生物测定监测装置，例如智能手表、健身带、健康跟踪器和其它智能可穿戴装置。在临床环境中使用的现有生物阻抗仪器体积庞大、昂贵、用户不友好、耗电量大，并且不能用在连续的消费者健康监测应用中。通常在临床生物阻抗仪器中使用的电子部件在注入电流频率方面受到限制，具有大的功耗和/或需要额外的部件，这使得这种部件不适合于低功率和/或连续的消费者健康监测应用。尽管存在可佩戴的生物阻抗替代物，但这些装置往往缺乏准确性和可重复性，因此甚至在低端消费者应用中也不使用它们。
技术实现思路
以下对同步检测电路和方法的各种实施例的描述不以任何方式解释为限制所附权利要求的主题。一般来说，本公开提供了高效、低功率、低成本的同步检测电路，其表现出比目前可用的电路更高的精度和测量可靠性。本文所述的同步检测电路和方法的实施例可广泛用于从基本上任何振幅和/或相位调制波形提取幅度和相位信息。根据一个具体实施例，所公开的电路和方法可用于通过从电压波形提取幅度和相位信息来确定生物组织的生物阻抗。一般来说，本文所公开的同步检测电路的实施例可包括驱动器电路、模数转换器(ADC)和控制器。驱动器电路一般可被耦合成用于以输入频率提供交流信号至与生物组织接触的第一对电极。ADC可被耦合用于从与生物组织接触的第二对电极接收电压波形，并且可被配置成从该电压波形生成数字样本。根据一个实施例，ADC可被配置成输出波形的每个周期生成输出波形的四个数字样本，使得在四个象限中的每一个内生成一个数字样本。本文所述的技术对于与Σ-ΔADC一起使用是特别有利的，因为这种ADC将转换分成可如本文更详细所述被利用的许多子样本。控制器可被耦合成用于控制ADC的操作。根据一个实施例，控制器可被配置成将ADC的过采样率(OSR)设置为等于ADC的抽取率(DR)，使得ADC在电压波形的每个象限期间生成整数M个子样本，所述子样本用于在输出波形的每个象限生成一个数字样本。整数M个子样本的可与输入波形的输入频率成反比。根据一个实施例，控制器可被配置成通过使用由ADC所生成的数字样本来确定生物组织的生物阻抗，以确定电压波形的幅度和相位。在一些实施例中，控制器可使用每个电压波形周期所生成的四个数字样本来计算在电压波形的每个周期的新的幅度值和相位值。在其它实施例中，控制器可对在电压波形的数量P的周期内所生成的四个数字样本进行求平均，并且可使用平均的数字样本来计算电压波形的每P个周期的新的幅度值和相位值。如下面更详细描述的，通过仅从输出波形的每个周期的四个数字样本提取幅度和相位信息，高效率和低功耗得以在本文所述的同步检测电路的实施例中实现。通过在每个象限将输入波形和输出波形分别解析为M个粗糙点(coarsepoint)和N个插值点，并将ADC的OSR和DR与输入波形的输入频率进行匹配，高精度和测量可靠性得以实现。通过将ADC的OSR和DR设置为M的某个整数倍(例如，N*M)，其中，M与输入波形的频率成反比，ADC可被配置成以每象限1个样本输出连续的时间平均样本而没有伪影。在一些输入频率，ADC的OSR可减少到有效的OSR(例如，N*M/X，其中，X是大于或等于2的整数值)，以每象限2个或更多个样本提供连续时间平均采样并避免超过ADC的限制。附图说明通过阅读下面的详细描述并参考附图，本公开的其它目的和优点将变得明显。图1为示出传统同步检测电路的一个实施例的框图；图2为示出根据一个实施例的包括改进的同步检测电路的生物测定监测装置的一个实施例的框图；图3为示出改进的同步检测电路的一个实施例的框图；图4为示出模数转换器(ADC)可被用于从输出波形(V0")生成四个数字样本(VS1、VS2、VS3、VS4)，使得在输出波形的每个(Q1、Q2、Q3、Q4)内生成一个数字样本的一种方式的曲线图；图5为存储值的示例性表格，其可由控制器用来控制ADC的特性；图6为示出改进的同步检测电路的另一实施例的框图；以及图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同步检测电路，其被配置成确定生物组织的生物阻抗，所述同步检测电路包括：驱动器电路，其被配置成耦合到所述生物组织，所述驱动器电路以输入频率向接触所述生物组织的第一对电极提供交流信号；模数转换器即ADC，其被配置成耦合到所述生物组织，所述ADC从接触所述生物组织的第二对电极接收电压波形，其中，所述电压波形的每个周期包括四个象限，并且其中，所述ADC被配置成用于在所述电压波形的每个周期生成四个数字样本，使得在所述四个象限中的每个象限内生成一个数字样本；以及控制器，其耦合到所述ADC，所述控制器被配置成：设置所述ADC的过采样率即OSR，使得所述ADC在所述电压波形的每个象限期间生成整数M个子样本，其中，所述整数M个子样本与所述交流信号的输入频率成反比；以及通过使用由所述ADC生成的数字样本来确定所述电压波形的幅度和相位，以确定所述生物组织的生物阻抗。

【技术特征摘要】
2016.09.07 US 15/258,4611.一种同步检测电路，其被配置成确定生物组织的生物阻抗，所述同步检测电路包括：驱动器电路，其被配置成耦合到所述生物组织，所述驱动器电路以输入频率向接触所述生物组织的第一对电极提供交流信号；模数转换器即ADC，其被配置成耦合到所述生物组织，所述ADC从接触所述生物组织的第二对电极接收电压波形，其中，所述电压波形的每个周期包括四个象限，并且其中，所述ADC被配置成用于在所述电压波形的每个周期生成四个数字样本，使得在所述四个象限中的每个象限内生成一个数字样本；以及控制器，其耦合到所述ADC，所述控制器被配置成：设置所述ADC的过采样率即OSR，使得所述ADC在所述电压波形的每个象限期间生成整数M个子样本，其中，所述整数M个子样本与所述交流信号的输入频率成反比；以及通过使用由所述ADC生成的数字样本来确定所述电压波形的幅度和相位，以确定所述生物组织的生物阻抗。2.根据权利要求1所述的同步检测电路，其中，所述控制器被配置成使用所述电压波形的每个周期的生成的四个数字样本来计算所述电压波形的每个周期的新的幅度值和相位值。3.根据权利要求1所述的同步检测电路，其中，所述控制器被配置成：对在所述电压波形的P个周期上所生成的四个数字样本求平均；以及使用所平均的数字样本来计算所述电压波形的每P个周期的新的幅度值和相位值。4.根据权利要求1所述的同步检测电路，其中，所述控制器进一步被配置成将所述ADC的抽取率即DR设置为等于所述ADC的所述过采样率即OSR，使得所述ADC针对每M个子样本生成一个数字样本。5.根据权利要求4所述的同步检测电路，其中，所述ADC被配置成用于生成与具有固定时钟频率的时钟信号同步的所述数字样本和所述子样本，并且其中，所述整数M个子样本与所述固定时钟频率成比例并且与交流信号的输入频率成反比。6.根据权利要求5所述的同步检测电路，其中，所述整数M个子样本的数量基本上等于所述固定时钟频率除以4N倍的所述输入频率，其中，N为大于或等于1的整数。7.根据权利要求4所述的同步检测电路，其中，所述控制器被配置成用于将所述ADC的OSR和DR设置为等于整数M的整数倍，其中，所述交流信号的输入频率为可编程的并且由所述控制器从输入频率范围选择，并且其中，所述整数倍随输入频率的变化而改变。8.根据权利要求7所述的同步检测电路，其中，所述控制器被配置成：对于20kHz及以上的输入频率，将所述ADC的所述OSR和所述DR设置为等于M的N倍，其中，N为大于或等于1的整数。9.根据权利要求7所述的同步检测电路，其中，所述控制器被配置成：对于低于20kHz的输入频率，将所述ADC的所述OSR设置为等于M的N倍除以X，其中，X为大于或等于2的整数。10.根据权利要求7所述的同步检测电路，进一步包括存储器部件，其被配置成用于存储包括用于输入频率范围内的每个输入频率的M、N和OSR的预定值的值表，并且其中，所述控制器被配置成使用所述值表设置所述ADC的OSR和DR。11.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·切尔卡斯基，B·P·德斯格诺，
申请(专利权)人：硅实验室公司，
类型：发明
国别省市：美国,US