基于單片機的生物電阻抗頻譜測量系統(tǒng)
0 引 言
長期以來,對生物組織電性質(zhì)的研究一直是生物醫(yī)學工程學關(guān)注的熱點。生物組織的電學性質(zhì)是人們認識生命物質(zhì)的一個重要方面。
生命物質(zhì)電阻抗作為一個重要的電參數(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電阻抗來反映。許多研究表明,生物組織電特性的頻率依賴性很強,因此,對生物組織電特性的研究常采用多頻電阻抗法。目前,國內(nèi)外學者已經(jīng)通過研究生物組織的阻抗特性預測早期疾病、治療過程中的監(jiān)護、區(qū)分正常組織和病變組織等。在這些研究報道中發(fā)現(xiàn),對相關(guān)生物組織的阻抗特性主要使用現(xiàn)成的阻抗分析儀測量,這些儀器均非針對生物組織而設計,因此存在對測量對象造成破壞、非實時、價格昂貴等問題。同時對生物組織頻譜測量系統(tǒng)的研究也在逐漸展開,并有少數(shù)的國外相關(guān)報道。因此,在這些研究的基礎(chǔ)上,總結(jié)并設計一種先進、優(yōu)化、方便快捷的生物電阻抗測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能全自動、在很短時間內(nèi)完成從1 Hz~10 MHz的逐頻掃描,并記錄和顯示各頻率點對應的幅值和相位。同時,系統(tǒng)可以和PC機相關(guān)聯(lián),具有很強的可擴展性。
1 測量原理
生物組織在不同的頻率下,具有不同的阻抗特性。對生物組織阻抗特性測量采用兩電極法,電路由電極和組織組成的電極系統(tǒng)Zx及無感容的標準純電阻Rs串聯(lián)組成。由于信號源產(chǎn)生的電壓只有毫伏,檢測到的Zx和Rs兩端電壓通過同比例放大后的電壓為UZ和UR。設信號源輸出電壓Ui=Umsin(ωt)。同時信號源Ui,UZ和UR之間的關(guān)系滿足平行四邊形法則,通過Zx和Rs的電流I,UZ和UR可表示為:
通過式(2)和式(3),可以計算得式(4):
因此,通過測量和計算就可以獲得生物組織的幅頻和相頻特性。
2 生物電阻抗頻譜測量系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)總體
生物阻抗頻譜測量系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括電源模塊、實驗平臺、信號檢測、MCU、液晶顯示、鍵盤、SD卡存儲器、USB接口等。
實驗平臺是由測量對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,如圖2所示。首先在合適的測量環(huán)境下,準備好測量對象,啟動測量系統(tǒng)。單片機通過控制DDS芯片產(chǎn)生由低頻到高頻的正弦信號,作用于電極系統(tǒng),測量系統(tǒng)對信號處理后通過單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換,將數(shù)據(jù)存儲于單片機內(nèi)。單片機通過對數(shù)據(jù)分析處理,將不同頻率時|Zx|和θ(ω)的值通過液晶對應顯示,同時將數(shù)據(jù)存儲在SD卡中。PC機可以通過USB接口直接讀取SD卡中的信息并分析。
2. 2 信號源部分
信號發(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 DigitalSynthesizer,DDS)技術(shù),選用AD9852芯片來產(chǎn)生電壓信號。AD9852是美國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。工作電壓為3.3 V,片內(nèi)有4~20倍可編程時鐘乘法電路,系統(tǒng)最高時鐘可達300 MHz,輸出頻率可達120 MHz,頻率轉(zhuǎn)化速度小于1μs。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,完全能滿足實驗要求。信號源的電路原理框圖如圖3所示。
信號源的時鐘采用外接一個20 MHz的有源晶振,通過內(nèi)部時鐘乘法器倍頻得到系統(tǒng)時鐘。由于DDS芯片直接輸出的信號中帶有內(nèi)部時鐘的干擾成份,為了抑制雜散,在AD9852輸出端要加低通濾波器。
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,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-O.5~+1 V,輸出信號功率不能直接滿足要求,所以還要對輸出信號進行放大。
2.3 測量部分
測量電路如圖4所示。
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的幅度比和相位差。AD8302是美Analog Devices公司生產(chǎn)的專門用于幅度和相位測量的首款單片集成電路,它能同時測量從低頻到2.7 GHz頻率范圍內(nèi)兩輸入信號之間的幅度比和相位差。它內(nèi)部含兩個精密匹配寬帶對數(shù)檢波器、一個相位檢波器、輸出放大器組、一個偏置單元和一個輸出參考電壓緩沖器等。該器件將精密匹配的兩個對數(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的幅度和相位測量原理主要基于對數(shù)放大器的對數(shù)壓縮功能,其一般數(shù)學表達式為:VOUT=VSLPlog(VIN/Vz)其中VIN為輸人電壓,Vz為截距,VSLP為斜率。AD8302正是利用上述對數(shù)壓縮原理,通過精密匹配的兩個寬帶對數(shù)檢波器來實現(xiàn)對兩輸入通道信號的幅度和相位的測量,其方程式如下:
式中:VINA和VINB分別為A,B兩通道的輸入信號幅度;φ(VINA)和φ(VINB)分別為A,B兩通道的輸入信號相位;VCP為參考電壓VCP=900 mV;RFISP=30 mV/dB;RFIφ=10 mV/(°)。
因此,兩路電壓信號經(jīng)過AD8302輸出增益和相位電壓值;再通過C8051F340單片機內(nèi)部自帶的10位ADC轉(zhuǎn)換后,取到增益和相位具體參數(shù),計算后可直接得到被測的阻抗。
2.4 其他部分
在本系統(tǒng)的設計中除了信號源和檢測部分,鍵盤、顯示、數(shù)據(jù)存儲等部分也是必不可少的。鍵盤主要用來設置信號源參數(shù),包括信號的起止頻率、頻率步進、開始和復位等。鍵盤采用3×2矩陣式結(jié)構(gòu)。
顯示部分選用EDM12864B型圖形點陣式LCD液晶顯示模塊,主要用來顯示信號參數(shù)的具體設置信息和輸出狀態(tài),如當前輸出信號的頻率和幅值.測量對象的頻譜特性參數(shù)值(幅值和相位)等。
外部數(shù)據(jù)存儲器采用SD卡。這種模式方便快捷,當測量結(jié)束后,將測量數(shù)據(jù)存入SD卡中;然后取下SD卡,插入到讀卡器中,可以直接在計算機上讀出數(shù)據(jù)文件并處理數(shù)據(jù)。另外,在該系統(tǒng)上還設計了USB接口。當連接USB與計算機,通過程序的控制,可以實現(xiàn)直接讀取SD卡中的數(shù)據(jù)文件。
3 系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)軟件設計完成單片機以及各外部芯片初始化,包括單片機時鐘,A/D初始化,AD9852初始化,AD8302初始化,以及鍵盤、液晶顯示、USB、SD卡初始化等。初始化完成后,向DDS芯片AD9852寫入控制字,控制并輸出信號;向幅度相位測試芯片AD8032寫入控制字,控制測量輸出幅度差、頻率比的輸出模式。另外完成檢測按鍵狀態(tài),實時顯示,存儲數(shù)據(jù),查詢USB等。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。
對AD9852的驅(qū)動和控制是系統(tǒng)軟件設置的重點和難點。對AD9852的初始化,首先,要設置工作模式。該設計采用單調(diào)模式(Single-Tone),要求輸出1 Hz~10 MHz不同頻率的正弦信號。首先計算每個需要的頻率點的頻率控制字的值,頻率控制字的值由如下等式?jīng)Q定:FTW=輸出頻率×248/系統(tǒng)時鐘頻率;然后,在內(nèi)存中輸入對應頻率表值,通過編程獲取對應的頻率值并送到DDS的頻率控制字中,控制DDS輸出頻率,在一輪檢測完成以后再送出下一個頻率值。另外,在程序設計時要特別考慮程序的時序設計。
檢測部分主要是一個A/D轉(zhuǎn)換過程。ADC是單片機自帶的模塊,程序采用中斷的方式讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當轉(zhuǎn)換完成后,讀取幅度比和相位差值,通過計算,直接得到被測組織的阻抗。
4 結(jié) 語
這里所設計的生物組織阻抗頻譜測試儀能快速、準確、自動完成1 Hz~10 MHz范圍的生物組織電阻抗(頻率特性)測量。儀器結(jié)構(gòu)完整、簡單、成本低。DDS芯片的使用,讓信號的質(zhì)量得到了保證,而AD8302芯片極大的簡化了幅度和相位測量電路,并且提高了測量精度。該系統(tǒng)能很好地完成生物組織電阻抗頻譜特性的測量,極大地改善、拓展了相關(guān)測量,對相關(guān)研究具有重要意義。