具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置和方法，其中包含电压控制电流源，使用双通道反馈补偿来实现系统高频时的稳定性，并在反馈通道增加RC网络提高驱动容性负载的能力；多路复用器模块采用双刀干簧管继电器实现物理切换，保证了较高信噪比和快速响应的特性。其中的电压控制电流源具有高带宽和驱动容性负载的能力，非常适用于生物组织的测量，能够大大提高系统的信噪比，获取到更丰富的生物阻抗信息。

【技术实现步骤摘要】
具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置和方法
：本专利技术涉及一种生物阻抗测量装置和方法，特别涉及一种应用于生物阻抗测量领域，具有高信噪比、低直流偏置、高带宽、能够驱动较大的生物容性负载的生物阻抗测量装置和方法。
技术介绍
：生物阻抗测量是一种通过多电极向待测场域注入安全电流或电压，进一步采集边界电压并进行数据处理，从而获取生物阻抗信息的方法。该方法具有无创无害、可连续实时测量的特点，广泛应用于电阻抗成像和生物阻抗谱等技术中，并在肺部呼吸监测、乳腺癌检测、腹部内出血检测等方向都取得较大进展。上述技术所使用的硬件系统都不可避免的要求一种满足生物阻抗测量要求的激励源。激励源分为电压源和电流源两种，但电压源对阻抗变化比较敏感，生物阻抗测量一般采用电流源。电流源的激励分为直流激励和交流激励，为了减小生物组织与电极接触时的极化现象，电流源输出要求为交流激励并且无直流偏置。交流电流源则需要考虑输出的频率范围，根据Cole-Cole理论和频散理论，若要获取丰富的生物组织信息，电流源输出频率需要达到1MHz以上，特别是生物阻抗谱技术。随着频率的升高，由于信号链中寄生电容的影响，电流源的输出阻抗会大大降低，高频时难以实现理想的恒流效果。而且生物组织的细胞结构决定了生物阻抗中具有一部分容性负载，电流源在驱动容性负载时会导致整个系统的传递函数发生变化，甚至发散振荡。目前的硬件系统常采用Howland电流源以及一些改进电路。例如增强型Howland电流源通过调整平衡电阻的分布，提高电源的利用效率；镜像电流源通过对称的镜像电路提高系统的驱动能力；基于差分运算放大器或者仪表放大器的电流源，使用集成芯片内部的高精度电阻降低平衡电路对外接电阻的要求。为了降低容性负载的影响，一般使用阻抗转换器(GIC)产生电感和负阻抗转换器(NIC)产生负电容来抵消容性负载的影响。相关学者研究的电流源已经能很好的实现无偏置的交流输出，但在高频保持较大输出阻抗上仍然存在瓶颈。GIC、NIC也只能在固定频率下消除容性负载的影响，不适用于扫频和多频场景，而且补偿电路引入额外的运算放大器使硬件成本增大。
技术实现思路
：本专利技术针对上述存在的问题，对电路拓扑结构进行改进，实现在高频、高带宽时仍然具有较好的输出特性，并使用简单的RC补偿电路，增强系统对容性负载的驱动能力。技术方案如下：具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置，包括FPGA控制器、数模转换模块、前置滤波模块、电流源模块、电极片阵列、数据采集模块，其特征在于：该装置中至少包括两个控制回路，激励发生控制回路和数据采集回路；电极片阵列与待测生物负载连接并固定；激励发生控制回路的输出端分别连接电极片阵列中的两个电极片、即第一电极片、第二电极片，第一电极片接地、第二电极片连接激励电流信号；数据采集回路的输入端分别连接电极片阵列中的另外两个电极片、即第三电极片、第四电极片；数据采集模块通过第三电极片和第四电极片采集施加激励后的生物阻抗数据；在激励发生控制回路中，包括电流源模块，所述的电流源模块为双通道反馈控制电流源模块；由FPGA控制器产生离散信号，DAC数模转换模块将其转化为模拟信号，通过前置滤波模块滤除低频信号作为双通道反馈控制电流源模块的控制电压，再由双通道反馈控制电流源模块产生等比例的激励电流信号、连接到电极片阵列、并注入到待测场域、即完成对生物阻抗的激励；其中，所述双通道反馈控制电流源模块由两个高速的差分运算放大器组成，第一差分运算放大器配置为单位增益，并在输出端与电极片阵列相连接；进一步的，在输出端连接第二差分运算放大器，并配置为固定增益，作为第一差分运算放大器的第一反馈回路；再进一步的，为了保证串联的两个高速的差分运算放大器具有较高的稳定裕度，在第一差分运算放大器的输出端直接连接电容到第一差分运算放大器的反向端，构成第二反馈回路；最后，在第一反馈回路中，配置RC容性补偿电路，提高驱动生物型容性负载的能力。具体的：所述FPGA控制器中的ROM里存储离散的正弦数据，随着时钟信号输入DAC芯片中，转化为模拟信号。由于DAC芯片的输出电压较小，进一步经过调理电路转化为较大范围的双极性电压信号。所述FPGA控制器产生数字信号不限于正弦信号的产生，进一步可以实现任何模拟信号的发生。所述前置滤波模块是由于上级的输入电压可能存在直流偏置，并且电流源的工作环境中存在大量的50Hz工频干扰，该频率信号会对生物阻抗的测量形成干扰；因此，前置滤波模块可以设计为截止频率为200Hz的二阶高通滤波器；从而消除了直流信号以及50Hz工频干扰的影响，有效避免由于直流偏置而导致的电极极化问题，进一步提高了系统的精度。进一步的，通过FPGA控制器和DAC数模转换模块，不限于产生正弦模拟信号，能够产生任意波形模拟信号。进一步的，当所述的电极片阵列由大量电极片组成时，该测量装置需要轮流对各个电极施加激励、并逐一进行数据采集；此时，设置多路复用器模块、并设置激励选通控制回路和采集选通控制回路；现有的多路复用器模块采用模拟开关多路复用器，其缺点是切换过程会引入噪声、影响测量准确性；本专利技术采用模拟开关多路复用器与干簧管继电器阵列联合控制，实现物理切换。本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术所述FPGA控制器产生数字信号不限于正弦信号的产生，进一步可以实现任何模拟信号的发生。2、本专利技术所述的双通道反馈控制电流源模块结构简单，避免了Howland电流源中苛刻的平衡电桥。进一步选用高速差分运算放大器，使用双反馈补偿电路提高了系统的稳定性、尤其提升了在输入信号高频、高带宽时的系统表现,并采用简单的RC容性补偿电路，提高了对生物性容性负载的驱动能力。3、本专利技术所述的多路复用器使用干簧管继电器实现物理切换，具有较高的切换速度并且避免了直接使用模拟多路复用器芯片时会引入噪声的问题。附图说明：图1：为本专利技术的测量装置的结构图；图2：为本专利技术的双通道反馈控制电流源模块的电路原理图；图3：为本专利技术的测量装置的结构图(包含多路复用器)；图4：为本专利技术的双通道反馈控制电流源模块的电路原理图(包含多路复用器)；图5：为本专利技术的多路复用器结构示意图；其中，图4中与补偿电容Cc对应的局部放大区域显示的是补偿切换电路示意图。具体实施方式：实施例1：下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。图1是本专利技术的结构示意图。如图所示，本专利技术是用于生物阻抗测量的电压控制电流源，其中包括FPGA控制器1、DAC数模转换模块2、前置滤波模块3、双通道反馈控制电流源模块7、电极片阵列4。首先，FPGA控制器1从ROM中读取离散数据，并通过频率控制字和相位控制字来调节输出信号的频率和幅值大小。FPGA控制器1与DAC数模转换器2之间通过并行的数据线连接，数据线根数的多少与DAC的位数有关，位数越高，波形的精度越高，成本也随之增高。接着，DAC芯片将输入的离散信号转化为模拟信号输出，由于DAC芯片的功率限制，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置，包括FPGA控制器(1)、DAC数模转换模块(2)、前置滤波模块(3)、电流源模块、电极片阵列(4)、数据采集模块(5)，其特征在于：/n该装置中至少包括两个控制回路，激励发生控制回路和数据采集回路；电极片阵列(4)与待测生物负载连接并固定；激励发生控制回路的输出端分别连接电极片阵列(4)中的两个电极片、即第一电极片(401)、第二电极片(402)；第一电极片(401)接地、第二电极片(402)连接激励电流信号；数据采集回路中，数据采集模块(5)的输入端分别连接电极片阵列(4)中的另外两个电极片、即第三电极片(403)、第四电极片(404)；数据采集模块(5)通过第三电极片(403)和第四电极片(404)采集施加激励后的生物阻抗数据；/n在激励发生控制回路中，包括电流源模块，所述的电流源模块为双通道反馈控制电流源模块(7)；由FPGA控制器(1)产生离散信号，DAC数模转换模块(2)将其转化为模拟信号，通过前置滤波模块(3)滤除低频信号、消除直流偏置，作为双通道反馈控制电流源模块(7)的控制电压，再由双通道反馈控制电流源模块(7)产生等比例的激励电流信号、连接到电极片阵列(4)、并注入到待测场域、即完成对生物阻抗的激励；/n其中，所述双通道反馈控制电流源模块(7)由两个高速的差分运算放大器组成，第一差分运算放大器(701)配置为单位增益，并在输出端与电极片阵列(4)中的电极片相连接；进一步的，在第一差分运算放大器(701)的输出端连接第二差分运算放大器(702)，并配置为固定增益，作为第一差分运算放大器(701)的第一反馈回路FB#1；再进一步的，在第一差分运算放大器(701)的输出端直接连接反馈电容Cfb2到第一差分运算放大器(701)的反向端，构成第二反馈回路FB#2；最后，在第一反馈回路FB#1中，配置RC容性补偿电路，提高驱动生物型容性负载的能力，RC容性补偿电路中至少包括补偿电阻Rc和补偿电容Cc。/n...

【技术特征摘要】
1.具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置，包括FPGA控制器(1)、DAC数模转换模块(2)、前置滤波模块(3)、电流源模块、电极片阵列(4)、数据采集模块(5)，其特征在于：
该装置中至少包括两个控制回路，激励发生控制回路和数据采集回路；电极片阵列(4)与待测生物负载连接并固定；激励发生控制回路的输出端分别连接电极片阵列(4)中的两个电极片、即第一电极片(401)、第二电极片(402)；第一电极片(401)接地、第二电极片(402)连接激励电流信号；数据采集回路中，数据采集模块(5)的输入端分别连接电极片阵列(4)中的另外两个电极片、即第三电极片(403)、第四电极片(404)；数据采集模块(5)通过第三电极片(403)和第四电极片(404)采集施加激励后的生物阻抗数据；
在激励发生控制回路中，包括电流源模块，所述的电流源模块为双通道反馈控制电流源模块(7)；由FPGA控制器(1)产生离散信号，DAC数模转换模块(2)将其转化为模拟信号，通过前置滤波模块(3)滤除低频信号、消除直流偏置，作为双通道反馈控制电流源模块(7)的控制电压，再由双通道反馈控制电流源模块(7)产生等比例的激励电流信号、连接到电极片阵列(4)、并注入到待测场域、即完成对生物阻抗的激励；
其中，所述双通道反馈控制电流源模块(7)由两个高速的差分运算放大器组成，第一差分运算放大器(701)配置为单位增益，并在输出端与电极片阵列(4)中的电极片相连接；进一步的，在第一差分运算放大器(701)的输出端连接第二差分运算放大器(702)，并配置为固定增益，作为第一差分运算放大器(701)的第一反馈回路FB#1；再进一步的，在第一差分运算放大器(701)的输出端直接连接反馈电容Cfb2到第一差分运算放大器(701)的反向端，构成第二反馈回路FB#2；最后，在第一反馈回路FB#1中，配置RC容性补偿电路，提高驱动生物型容性负载的能力，RC容性补偿电路中至少包括补偿电阻Rc和补偿电容Cc。


2.根据权利要求1所述的具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置，其特征在于：通过FPGA控制器(1)和DAC数模转换模块(2)，不限于产生正弦模拟信号，能够产生任意波形模拟信号。


3.根据权利要求1所述的具有双通道反馈控制电流源的生物阻抗测量装置，其特征在于：所述的电极片阵列(4)由大量电极片组成时，该测量装置需要轮流对各个电极施加激励、并逐一进行数据采集；此时，设置多路复用器模块、并设置激励选通控制回路和采集选通控制回路；
多路复用器模块由第一模拟开关多路复用器(601)、第一双刀干簧管继电器阵列(602)、第二模拟开关多路复用器(603)、第二双刀干簧管继电器阵列(604)组成；
第一双刀干簧管继电器阵列(602)，输入端与激励发生控制回路的输出端相连接、输出端与电极片阵列(4)中的各个电极片相连接；由FPGA控制器(1)向第一模拟开关多路复用器(601)发出控制信号，再由第一模拟开关多路复用器(601)控制第一双刀干簧管继电器阵列(602)中的双刀干簧管继电器的通或断；
第二双刀干簧管继电器阵列(604)，输入端与数据采集回路的输出端相连接、输出端与电极片阵列(4)中的各个电极片相连接：由F...

【专利技术属性】
技术研发人员：李芳，刘凯，王松，吴阳，王欢，陈奇，姚佳烽，
申请(专利权)人：三江学院，南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32