CN103622693A - 一种便携式生物电阻抗测量装置 - Google Patents

Abstract

一种便携式生物电阻抗测量装置，包括主控模块及与主控模块电连接的激励模块、阻抗测量模块、液晶显示模块、电极脱落检测模块和电量检测模块，主控模块发出指令使激励模块产生恒定的激励电流通过一对与待测目标接触的激励电极注入目标，同时阻抗测量模块通过另一对与待测目标接触的测量电极采集目标的电压信号并处理后送至主控模块计算出相应的阻抗值。本发明的使用灵活，结构简单，功耗低，便于外出携带和使用。

Description

一种便携式生物电阻抗测量装置

技术领域

   本发明涉及生物电阻抗测量技术领域，具体是涉及一种便携式生物电阻抗测量装置。 

背景技术

生物体中细胞由细胞膜包裹，内部充满细胞质，细胞之间是细胞外液。生理学研究表明，当直流或低频电流施加于生物组织时，电流将以任意一种可能的方式绕过细胞，主要流经细胞外液: 当施加于生物组织电流的频率增加，细胞膜电容的容抗减小，一部分电流将穿过细胞膜流经细胞内液，这使得生物组织阻抗对外界呈现一定的频散特性。 

生物电阻抗技术又称为医学电阻抗或简称阻抗，是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术。它通常借助于体表的电极系统向检测对象施加以微小的交流测量电流或电压，检测相应的电阻抗及其变化情况，然后根据不同的应用目的，获取相关的生理和病理信息。具有无创、无损，廉价、安全、操作简单、重复性好和功能信息丰富等特点。 

传统的电阻抗测量技术中进行电阻抗测量时，一般通过一对激励电极对目标施加正弦电流激励信号，再利用一对测量电极测量目标的电压信号，并使用高速模拟数字转换器(ADC) 对电压信号进行高速采样，然后使用相敏解调的方法，解调出目标的电阻抗的实部和虚部。在这种传统的生物电阻抗测量电路中，需要使用FPGA、高速ADC 等功耗较高的芯片；而且在解调过程中，需要进行较多的乘法运算，导致微控制器的运算量大、功耗大；此外，在进行数据分析处理的时候还需要与电脑连接后才能实现阻抗信息显示和存储，体积大，功耗大，不易于携带和使用，因而这种传统的生物电阻抗测量的装置和方法无法在院外普及。 

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种便携式生物电阻抗测量装置，它通过两对可拔插的电极对完成电流激励和电压测量，能够准确测量和显示目标的阻抗值，并且能够存储或者无线传输测量数据，该装置使用灵活，结构简单，功耗低，便于外出携带和使用。 

本发明的技术方案是这样实现的： 

本发明所述的便携式生物电阻抗测量装置，其特点是包括主控模块及与主控模块电连接的激励模块、阻抗测量模块、液晶显示模块、电极脱落检测模块和电量检测模块，其中：

激励模块位于主控模块和阻抗测量模块之间且在主控模块的控制下产生恒定的激励电流并通过一对与待测目标接触的激励电极将激励电流注入到待测目标中，同时阻抗测量模块通过另一对与待测目标接触的测量电极采集待测目标的电压信号并处理后送至主控模块计算出相应的阻抗值；

电极脱落检测模块用于监测电极的安放情况，当电极松动或者脱落时将通过LED灯和蜂鸣器进行报警；

电量检测模块用于监测本装置的剩余电量值，当电量不足时将通过LED灯和蜂鸣器进行报警；

液晶显示模块用于实时显示待测目标的阻抗值以及本装置的剩余电量值。

上述激励模块包括直接数字频率合成(DDS)芯片、电压/电流转换电路和一对可拔插的激励电极。 

上述阻抗测量模块包括一个参考电阻、一对可拔插的测量电极、二个差分放大电路、一个高通滤波电路和一个解调芯片，其中所述测量电极采集的待测目标和参考电阻的电压信号通过差分放大电路和高通滤波电路后解调出待测目标和参考电阻的电压关系，上述主控模块通过待测目标和参考电阻的电压关系可计算出待测目标的阻抗值。 

上述阻抗值的计算公式如下： 

 

该公式是一个一次线性方程，其中，

和

分别为待测目标和参考电阻的电压输入信号幅值，为两组信号幅值的比较输出结果，

代表一个固定的斜率，

代表一个固定的截距，

和

成一次线性关系，由于通过待测目标和参考电阻的电流相同，因此该公式可作如下变换：

 

所以，只要采集到

就可以根据参考电阻的阻值计算出待测目标的阻抗值。

上述主控模块包括主控芯片及其外围电路模块，所述主控芯片可通过发送指令控制激励模块产生特定频率的正弦波信号，且所述主控芯片还可以通过内置的14位高精度AD采集模块采集阻抗信号并完成阻抗信号计算。 

上述主控芯片的外围电路模块包括有数据存储电路模块和无线收发电路模块，所述数据存储电路模块可以直接存储测量得到的阻抗数据，所述无线收发电路模块可以通过无线发送的方式将数据发送给计算机终端作进一步的研究使用。 

本发明的工作原理如下： 

本发明使用时，主控模块发出激励信号控制指令给激励模块，激励模块通过激励电极向待测目标注入激励电流，阻抗测量模块通过测量电极采集待测目标和参考电阻的电压信号，电压信号通过一级差分放大电路和高通滤波电路后被解调、计算出待测目标的阻抗值，主控芯片通过内置的ADC采集阻抗值进行显示和存储。

本发明与现有技术相比，具有如下优点： 

1、     本发明结构简单，集成生物电阻抗测量装置必要模块和辅助功能，无需连接计算机即可单独使用，可以到室内外各种环境中完成测量工作；

2、     本发明测量范围大，适应性强，测量精度<1%，可以很好的解决了由于个体差异产生的测量误差，满足临床测量的需求；

3、     本发明提供了一种新的阻抗计算方法，可以精确地计算出目标的阻抗值，具有很高的准确性和通用性；

4、     本发明采用便携式、低功耗设计，电极系统可拔插携带和保管，芯片多采用单电源供电，尽量减少了装置的功耗，单次电池连续工作时间可达10小时，满足室内外工作要求。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图。 

图2为本发明的检测流程图。 

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的便携式生物电阻抗测量装置，包括主控模块、激励模块、阻抗测量模块、液晶显示模块、电极脱落检测模块以及电量检测模块。其中，主控模块发出指令给激励模块使激励模块产生恒定的激励电流，激励电流通过一对与待测目标接触的激励电极注入到待测目标中，阻抗测量模块通过另一对与待测目标接触的测量电极采集待测目标的电压信号并处理后送至主控模块计算出相应的阻抗值。 

激励模块包括直接数字频率合成(DDS)芯片、电压/电流转换电路和一对可拔插的激励电极。 

阻抗测量模块包括一个参考电阻、一对可拔插的测量电极、二个差分放大电路、一个高通滤波电路和一个解调芯片。测量电极采集的待测目标和参考电阻的电压信号通过差分放大电路和高通滤波电路后解调出待测目标和参考电阻的电压关系。 

特别地，本发明提供的阻抗值计算公式为： 

 

该公式是一个一次线性方程，其中，和

分别为待测目标和参考电阻的电压输入信号幅值， 

为两组信号幅值的比较输出结果，

代表一个固定的斜率，

代表一个固定的截距，

和

成一次线性关系，由于通过待测目标和参考电阻的电流相同，因此该公式可作如下变换：

 

所以，只要采集到

就可以根据参考电阻的阻值计算出待测目标的阻抗值。

待测目标的阻抗值将由主控模块通过内置的ADC采集

后进行计算、显示和存储。 

如图1所示，主控模块包括主控芯片及其外围电路模块。其中，主控芯片的外围电路模块包括有数据存储电路模块、无线收发电路模块、激励控制电路模块和AD采集模块。主控模块可通过激励控制电路模块发送指令控制激励模块产生特定频率的正弦波信号，主控模块还可以通过14位高精度AD采集模块采集信号并完成阻抗信号计算。数据存储电路模块可以直接存储测量得到的阻抗数据，无线收发电路模块可以通过无线发送的方式将数据发送给计算机终端作进一步的研究使用。此外，主控模块还具有电极脱落信号检测、电量检测信号检测和液晶显示屏接口电路的功能。 

电极脱落检测模块能够持续监测电极的安放情况，当电极松动或者脱落时将通过LED灯和蜂鸣器进行报警。 

电量检测模块能够监测本装置的剩余电量值，当电量不足时将通过LED灯和蜂鸣器进行报警。 

此外，液晶显示模块为128*64点阵液晶显示屏，用于实时显示待测目标的阻抗值以及本装置的剩余电量值。 

如图2 所示，本装置工作时的具体测量步骤如下： 

S1：装载电池，按顺序插入电极线；

S2：把电极和电极线相连，并粘贴于待测目标表面；

S3：设置测量参数，如测量频率和电流，开始测量；

S4：采集待测目标和参考电阻的电压信号；

S5：计算待测目标阻抗值；

S6：阻抗值存储、显示。

本发明所述的便携式生物电阻抗测量装置的关键性能如下： 

1)  测量信噪比：>75dB ；

2)  系统工作频带：10kHz-500kHz ；

3)  阻抗测量精度：<1%；

4)  阻抗测量分别率：0.01Ω；

5)  恒流源输出阻抗：>500KΩ；

6)  连续供电时间：10小时左右。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (6)

1.一种便携式生物电阻抗测量装置，其特征在于包括主控模块及与主控模块电连接的激励模块、阻抗测量模块、液晶显示模块、电极脱落检测模块和电量检测模块，其中：

激励模块位于主控模块和阻抗测量模块之间且在主控模块的控制下产生恒定的激励电流并通过一对与待测目标接触的激励电极将激励电流注入到待测目标中，同时阻抗测量模块通过另一对与待测目标接触的测量电极采集待测目标的电压信号并处理后送至主控模块计算出相应的阻抗值；

电极脱落检测模块用于监测电极的安放情况，当电极松动或者脱落时将通过LED灯和蜂鸣器进行报警；

电量检测模块用于监测本装置的剩余电量值，当电量不足时将通过LED灯和蜂鸣器进行报警；

液晶显示模块用于实时显示待测目标的阻抗值以及本装置的剩余电量值。

2.根据权利要求1所述的便携式生物电阻抗测量装置，其特征在于上述激励模块包括直接数字频率合成(DDS)芯片、电压/电流转换电路和一对可拔插的激励电极。

3.根据权利要求1所述的便携式生物电阻抗测量装置，其特征在于上述阻抗测量模块包括一个参考电阻、一对可拔插的测量电极、二个差分放大电路、一个高通滤波电路和一个解调芯片，其中所述测量电极采集的待测目标和参考电阻的电压信号通过差分放大电路和高通滤波电路后解调出待测目标和参考电阻的电压关系，上述主控模块通过待测目标和参考电阻的电压关系可计算出待测目标的阻抗值。

4.根据权利要求1或3所述的便携式生物阻抗测量装置，其特征在于上述阻抗值的计算公式如下：

 

该公式是一个一次线性方程，其中，

和

分别为待测目标和参考电阻的电压输入信号幅值，

为两组信号幅值的比较输出结果，

代表一个固定的斜率，

代表一个固定的截距，和

成一次线性关系，由于通过待测目标和参考电阻的电流相同，因此该公式可作如下变换：

 

所以，只要采集到

就可以根据参考电阻的阻值计算出待测目标的阻抗值。

5.根据权利要求1所述的便携式生物电阻抗测量装置，其特征在于上述主控模块包括主控芯片及其外围电路模块，所述主控芯片可通过发送指令控制激励模块产生特定频率的正弦波信号，且所述主控芯片还可以通过内置的14位高精度AD采集模块采集阻抗信号并完成阻抗信号计算。

6.根据权利要求5所述的便携式生物电阻抗测量装置，其特征在于上述主控芯片的外围电路模块包括有数据存储电路模块和无线收发电路模块，所述数据存储电路模块可以直接存储测量得到的阻抗数据，所述无线收发电路模块可以通过无线发送的方式将数据发送给计算机终端作进一步的研究使用。

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