用于人体成分分析的高精度生物电阻抗测量系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于人体成分分析的高精度生物电阻抗测量系统及方法，所述系统包括上位机、电极组件、微控制器、信号发生模块、信号调理模块和信号处理模块，微控制器连接上位机、信号发生模块、信号调理模块和信号处理模块，信号发生模块、信号调理模块、信号处理模块依次连接，信号调理模块与电极组件连接，电极组件布置于被测对象表面，微控制器发送测量命令产生激励信号，激励信号一方面流向采样电路获得激励电流样本信号，另一方面经信号调理模块送至被测量对象并传回响应电压信号，响应电压信号与激励电流信号经信号处理模块流向微控制器并由上位机进行处理。与现有技术相比，本发明专利技术具有安全性高、高频性能好、数据采集快及准确性高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及生物电阻抗测量
，尤其涉及一种用于人体成分分析的高精度生物电阻抗测量系统。
技术介绍
随着人类生活的进步和发展，人们对于医疗的要求越来越高，不仅要求能更快更好地治愈疾病，更要求能在治病过程中尽量减少自身的痛苦。因此，这就对医疗仪器提出了更高的要求，促使其不断发展创新。由于生物组织电阻抗技术可以进行细胞测量、体积测量、人体组织结构分析、人体成分分析等，具有无创、廉价、安全、无毒无害、操作简单和信息丰富等特点，使得本专利技术在病理检测和健康监测方面具有可操作性，尤其在人体成分分析领域有很大的应用前景和社会意义价值。生物电阻抗是反映生物组织、器官、细胞和整个生物体电学性质的物理量之一，它能帮助获取相关的组织特征、生理和病理信息，由此达到临床监测、病理检测和健康监测的目的。生物组织电阻抗技术是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化提取与组织状况相关的生物医学信息的无损伤检测技术，即通过置于生物体表面的电极给被测对象施加一安全的交流激励电信号、测量响应电压信号，检测相应的电阻抗及其变化。生物电阻抗法从产生到现在在测量方法和测量频率两个方向不断发展。在测量方法方面，最初用电桥法进行电阻抗测量，原理简单但精度较低；后提出了双电极法，但由于接触阻抗的影响，阻抗测量误差较大；近年来则大多采用四电极法进行测量，即两个电极加激励电流信号、两个电极测量电压。在测量频率方面，最初用单频率(50kHz)电流进行激励；后为了获得更丰富的生物电阻抗信息，诞生了多频系统。目前，已有相关实验验证了生物电阻抗测量的可行性，同时有相关研究证明了生物电阻抗与病理参数、与人体成分的关系。研究表明，通过测量和分析生物组织电阻抗信息，可以获取人体水分、肌肉、脂肪、无机盐等含量，从而达到人体
成分分析的目的。但是，目前的生物电阻抗测量技术还存在较多的不足，主要表现在大多数系统采用单频信号进行激励，得到的生物电阻抗信息不够丰富，即使采用多频测量的系统其上限频率也较低、相位测量不准确。同时，现有的生物电阻抗测量系统多采用四对手、脚电极进行测量，腹部和躯干的信息测量精度较低。目前存在的对于生物阻抗测量的相关专利技术，大部分都是为了使受检人使用起来更加方便，而在测量精度不足这一方面的改进较少，这些不足在一定程度上限制了基于生物电阻抗的人体成分分析技术的应用，因此，专利技术一种基于电阻抗法的高精度生物电阻抗测量系统具有较大的现实意义和实用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服现有生物电阻抗测量技术存在的缺陷，因此设计了一种用于人体成分分析的高精度生物电阻抗测量系统。该系统通过安全的隔离保护、激励电流采样电路、电压与电流信号的高速并行调理与模数转换等合理设计及八对电极的配置，达到了安全、宽频带、高精度测量的目的。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于人体成分分析的高精度生物电阻抗测量系统，包括上位机、电极组件、微控制器、信号发生模块、信号调理模块和信号处理模块，所述微控制器分别连接上位机、信号发生模块、信号调理模块和信号处理模块，所述信号发生模块、信号调理模块、信号处理模块依次连接，所述信号调理模块与电极组件连接，所述信号发生模块包括依次连接的直接数字式频率合成器、程控变阻器、差分信号转换电路、第一隔离变压器、激励源、采样电路和第一滤波电路，所述直接数字式频率合成器与微控制器连接，所述采样电路与信号调理模块连接，所述第一滤波电路与信号处理模块连接，其中：直接数字式频率合成器，用于产生正弦波电流信号，该信号的频率、相位由微控制器控制；程控变阻器，用于将直接数字式频率合成器产生的正弦波电流信号转换成正弦波电压信号；差分信号转换电路，用于将程控变阻器产生的正弦波电压信号转换成两个幅值相同、相位相差180°的差分信号；第一隔离变压器，用于将差分信号转换电路产生的差分信号隔离后传送给激励源；激励源，用于根据隔离后的差分信号产生激励信号；采样电路，用于采集激励源产生的、施加到被测对象的激励电流信号的幅值与相位，并将激励信号发送至信号调理模块；第一滤波电路，用于对采样电路产生的信号进行滤波，并将滤波后的信号通过信号处理模块传输给微控制器。所述微控制器依次通过第二隔离芯片和串口与上位机通信连接。所述信号调理模块包括继电器、缓冲跟随电路、模拟开关、第二滤波电路和第三隔离芯片，所述继电器与信号发生模块连接，所述继电器、电极组件、缓冲跟随电路、模拟开关和第二滤波电路依次连接，所述模拟开关通过第三隔离芯片与微控制器连接，其中：继电器，用于接收信号发生模块发出的激励信号，选通待激励电极；缓冲跟随电路，用于接收电极组件的响应电压信号，并对所述响应电压信号进行缓冲和隔离；模拟开关，用于选通待测量电极；第二滤波电路，用于所述响应电压信号的滤波；第三隔离芯片，用于对微控制器产生的控制信号进行隔离，然后发送给模拟开关控制模拟开关的导通与关断。所述信号处理模块包括依次连接的第一隔离芯片、第一ADC电路、数据缓存模块、第二ADC电路和第二隔离变压器，所述第一隔离芯片与第一滤波电路连接，所述第二隔离变压器与信号调理模块连接，所述数据缓存模块与微控制器连接，其中：第一隔离芯片，用于对经第一滤波电路滤波后的信号进行隔离；第一ADC电路，用于对隔离后的信号进行模拟/数字转换后发送给数据缓存模块；第二隔离变压器，用于将信号调理模块产生的响应电压信号隔离并传送至第二ADC电路；第二ADC电路，用于对隔离后的响应电压信号进行模拟/数字转换；数据缓存模块，用于缓存第一ADC电路、第二ADC电路输出的模拟/数字转
换结果。所述数据缓存模块以纯逻辑控制的形式缓存所述模拟/数字转换结果。所述电极组件包括八对电极，分别为两对手电极、两对脚电极和四对躯干电极，应用时，所述四对躯干电极布置于躯干不同部位的表面。一种基于用于人体成分分析的高精度生物电阻抗测量系统的测量方法，包括以下步骤：1)上位机向微控制器发送测量命令；2)微控制器将测量命令发送给信号发生模块，信号发生模块根据所述测量命令发出激励信号，具体过程为：201)直接数字式频率合成器接收到测量命令，同时接收微控制器给出的时钟信号，产生一个正弦波电流信号，并送至程控变阻器；202)程控变阻器将接收到的正弦波电流信号转换成正弦波电压信号，并送至差分信号转换电路；203)差分信号转换电路将接收到的正弦波电压信号转换成两个幅值相同、相位相差180°的差分信号，并送至第一隔离变压器；204)第一隔离变压器将接收到的差分信号隔离并传送至激励源；205)激励源产生激励信号；206)采样电路将所述激励信号传送给信号调理模块，同时对施加到被测对象的激励电流信号进行幅值与相位的采集，并将采集到的信号依次经第一滤波电路、第一隔离芯片、第一ADC电路，最后将数字结果缓存至数据缓存模块；207)微控制器获取数据缓存模块内的数字结果，进行数字解调后获得激励电流信号的幅值和相位信息；3)信号调理模块接收信号发生模块发出的激励信号，将所述激励信号通过电极组件作用于被测对象，根据微控制器的测量命令向信号处理模块发送相应的响应电压信号；4)信号处理模块对所述响应电压信号依次进行隔离、模拟/数字转换和缓存；5)微控制器对信号处理模块进行读写获得模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于人体成分分析的高精度生物电阻抗测量系统，包括上位机(1)、电极组件(113)、微控制器(2)、信号发生模块(3)、信号调理模块(4)和信号处理模块(5)，所述微控制器(2)分别连接上位机(1)、信号发生模块(3)、信号调理模块(4)和信号处理模块(5)，所述信号发生模块(3)、信号调理模块(4)、信号处理模块(5)依次连接，所述信号调理模块(4)与电极组件(113)连接，其特征在于，所述信号发生模块(3)包括依次连接的直接数字式频率合成器(103)、程控变阻器(104)、差分信号转换电路(105)、第一隔离变压器(106)、激励源(107)、采样电路(108)和第一滤波电路(109)，所述直接数字式频率合成器(103)与微控制器(2)连接，所述采样电路(108)与信号调理模块(4)连接，所述第一滤波电路(109)与信号处理模块(5)连接，其中：直接数字式频率合成器(103)，用于产生正弦波电流信号，该信号的频率、相位由微控制器(2)控制；程控变阻器(104)，用于将直接数字式频率合成器(103)产生的正弦波电流信号转换成正弦波电压信号；差分信号转换电路(105)，用于将程控变阻器(104)产生的正弦波电压信号转换成两个幅值相同、相位相差180°的差分信号；第一隔离变压器(106)，用于将差分信号转换电路(105)产生的差分信号隔离后传送给激励源(107)；激励源(107)，用于根据隔离后的差分信号产生激励信号；采样电路(108)，用于采集激励源(107)产生的、施加到被测对象的激励电流信号的幅值与相位，并将激励信号发送至信号调理模块(4)；第一滤波电路(109)，用于对采样电路(108)产生的信号进行滤波，并将滤波后的信号通过信号处理模块(5)传输给微控制器(2)。...

【技术特征摘要】
1.一种用于人体成分分析的高精度生物电阻抗测量系统，包括上位机(1)、电极组件(113)、微控制器(2)、信号发生模块(3)、信号调理模块(4)和信号处理模块(5)，所述微控制器(2)分别连接上位机(1)、信号发生模块(3)、信号调理模块(4)和信号处理模块(5)，所述信号发生模块(3)、信号调理模块(4)、信号处理模块(5)依次连接，所述信号调理模块(4)与电极组件(113)连接，其特征在于，所述信号发生模块(3)包括依次连接的直接数字式频率合成器(103)、程控变阻器(104)、差分信号转换电路(105)、第一隔离变压器(106)、激励源(107)、采样电路(108)和第一滤波电路(109)，所述直接数字式频率合成器(103)与微控制器(2)连接，所述采样电路(108)与信号调理模块(4)连接，所述第一滤波电路(109)与信号处理模块(5)连接，其中：直接数字式频率合成器(103)，用于产生正弦波电流信号，该信号的频率、相位由微控制器(2)控制；程控变阻器(104)，用于将直接数字式频率合成器(103)产生的正弦波电流信号转换成正弦波电压信号；差分信号转换电路(105)，用于将程控变阻器(104)产生的正弦波电压信号转换成两个幅值相同、相位相差180°的差分信号；第一隔离变压器(106)，用于将差分信号转换电路(105)产生的差分信号隔离后传送给激励源(107)；激励源(107)，用于根据隔离后的差分信号产生激励信号；采样电路(108)，用于采集激励源(107)产生的、施加到被测对象的激励电流信号的幅值与相位，并将激励信号发送至信号调理模块(4)；第一滤波电路(109)，用于对采样电路(108)产生的信号进行滤波，并将滤波后的信号通过信号处理模块(5)传输给微控制器(2)。2.根据权利要求1所述的用于人体成分分析的高精度生物电阻抗测量系统，其特征在于，所述微控制器(2)依次通过第二隔离芯片(102)和串口(101)与上位机(1)通信连接。3.根据权利要求1所述的用于人体成分分析的高精度生物电阻抗测量系统，其特征在于，所述信号调理模块(4)包括继电器(112)、缓冲跟随电路(114)、模拟开关(115)、第二滤波电路(116)和第三隔离芯片(120)，所述继电器(112)与信号发生模块(3)连接，所述继电器(112)、电极组件(113)、缓冲跟随电路(114)、模拟开关(115)和第二滤波电路(116)依次连接，所述模拟开关(115)通过第三隔离芯片(120)与微控制器(2)连接，其中：继电器(112)，用于接收信号发生模块(3)发出的激励信号，选通待激励电极；缓冲跟随电路(114)，用于接收电极组件(113)的响应电压信号，并对所述响应电压信号进行缓冲和隔离；模拟开关(115)，用于选通待测量电极；第二滤波电路(116)，用于所述响应电压信号的滤波；第三隔离芯片(120)，用于对微控制器(2)产生的控制信号进行隔离，然后发送给模拟开关(115)控制模拟开关的导通与关断。4.根据权利要求3所述的用于人体成分分析的高精度生物电阻抗测量系统，其特征在于，所述信号处理模块(5)包括依次连接的第一隔离芯片(110)、第一ADC电路(111)、数据缓存模块(119)、第二ADC电路(118)和第二隔离变压器(117)，所述第一隔离芯片(110)与第一滤波电路(109)连接，所述第二隔离变压器(117)与信号调理模块(4)连接，所述数据缓存模块(119)与微控制器(2)连接，其中：第一隔离芯片(110)，用于对经第一滤波电路(109)滤波后的信号进行隔离；第一ADC电路(111)，用于对隔离后的信号进行模拟/数字转换后发送给数据缓存模块(119)；第二隔离变压...

【专利技术属性】
技术研发人员：马艺馨，陈欣怡，张琴艳，苗枥文，朱晗琦，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31