人体电阻抗测量系统设计
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摘要
生物电阻抗测量技术(Bioelectrical Impedance Measuring Technology)是利用
生物组织与器官的电特性 阻抗 导纳 介电常数等 及其变化 提取与人体生
理 病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术 这种技术具有无创
廉价 安全 无毒无害 操作简便和信息丰富等特点 可以对心 脑 肺及相关
循环系统进行功能评价 因此具有广泛的应用前景
目前 生物电阻抗测量系统的激励频率还局限于几百 KHz 以下的低频范围
内 真正具有能穿透细胞膜 能够提取细胞内液信息的 1MHz~5MHz 激励频率
的测量系统还不多见
针对上述状况 作者设计了一套激励频率在 0 1MHz 之间的多频率人体电
阻抗测量系统 采用 TI 公司的 TMS320F206 作为核心控制器 并针对实际测量
中 参考点 难于选择的问题 设计了一种 虚参考点 的解调方法 利用四电
极法实现对人体电阻抗实部和虚部的测量
本文较全面地介绍了人体电阻抗测量系统的工作原理及软硬件设计方案 同
时 利用作者设计的测量系统对构建的 R-C 三元件模拟网络进行了测量及误差分
析
最后 作者针对本系统中存在的不足 提出了一些改进建议
Bioelectric Impedance Measuring Technology is a non-invasive detecting
technique which extracts biomedical information relating to human body’s
physiological and pathology status, through the change of electrical characters
(impedance, admittance, permittivity) in biological tissue and organ. This technology
has many advantages, such as non-invasive, low-cost, safety, nontoxic, hurtless, easy
to operate and wealth of information. Function evaluation of heart, brain, lung and
circulation system could be achieved using this technique, so it has extensive
application perspective.
At present, the exciting frequency of Bioelectric Impedance Measuring System is
generally below several hundreds KHz. The measuring system which exciting
frequency range is from 1MHz to 5MHz and can penetrate cell-membrane to extract
the intracellular information remains to be settled.
According to above situation, author designed a multi-frequency human body’s
impedance measuring system from 0 1MHz. The key controller of this system is
TMS320F206. To solve the problem, the reference point is difficult to choose, author
presented a demodulation method, named visual reference point . With this method,
the system can measure the real part and image part of human body’s impedance
through four-electrode method.
This paper introduces the principle of operation, hardware and software designs
of this human body’s impedance measuring system. Measurements based on R-C
three components simulation network were performed with this system. The
experiment results and error analysis had also be done.
Finally, some improvement suggestions were presented at the end of thesis.
生物组织与器官的电特性 阻抗 导纳 介电常数等 及其变化 提取与人体生
理 病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术 这种技术具有无创
廉价 安全 无毒无害 操作简便和信息丰富等特点 可以对心 脑 肺及相关
循环系统进行功能评价 因此具有广泛的应用前景
目前 生物电阻抗测量系统的激励频率还局限于几百 KHz 以下的低频范围
内 真正具有能穿透细胞膜 能够提取细胞内液信息的 1MHz~5MHz 激励频率
的测量系统还不多见
针对上述状况 作者设计了一套激励频率在 0 1MHz 之间的多频率人体电
阻抗测量系统 采用 TI 公司的 TMS320F206 作为核心控制器 并针对实际测量
中 参考点 难于选择的问题 设计了一种 虚参考点 的解调方法 利用四电
极法实现对人体电阻抗实部和虚部的测量
本文较全面地介绍了人体电阻抗测量系统的工作原理及软硬件设计方案 同
时 利用作者设计的测量系统对构建的 R-C 三元件模拟网络进行了测量及误差分
析
最后 作者针对本系统中存在的不足 提出了一些改进建议
Bioelectric Impedance Measuring Technology is a non-invasive detecting
technique which extracts biomedical information relating to human body’s
physiological and pathology status, through the change of electrical characters
(impedance, admittance, permittivity) in biological tissue and organ. This technology
has many advantages, such as non-invasive, low-cost, safety, nontoxic, hurtless, easy
to operate and wealth of information. Function evaluation of heart, brain, lung and
circulation system could be achieved using this technique, so it has extensive
application perspective.
At present, the exciting frequency of Bioelectric Impedance Measuring System is
generally below several hundreds KHz. The measuring system which exciting
frequency range is from 1MHz to 5MHz and can penetrate cell-membrane to extract
the intracellular information remains to be settled.
According to above situation, author designed a multi-frequency human body’s
impedance measuring system from 0 1MHz. The key controller of this system is
TMS320F206. To solve the problem, the reference point is difficult to choose, author
presented a demodulation method, named visual reference point . With this method,
the system can measure the real part and image part of human body’s impedance
through four-electrode method.
This paper introduces the principle of operation, hardware and software designs
of this human body’s impedance measuring system. Measurements based on R-C
three components simulation network were performed with this system. The
experiment results and error analysis had also be done.
Finally, some improvement suggestions were presented at the end of thesis.
引文
[1] 任超世 生物电阻抗技术与人体功能信息 电子科技导报 1998 11(1) 17
19
[2] Sverre Grimnes Orjan Grottem Martinsen Bio-impedance and bioelectricity
basics, Great Britain: ACADEMIC PRESS 2000
[3] 唐敏 生物电阻抗测量原理与测量技术 生物医学工程学杂志 1997 14(2)
152 155
[4] Cole KS, Electric impedance of suspensions of spheres, J.Gen.physicol.,
1928,12(1):29 36
[5] Cole KS Cole RH, Dispersion and absorption in dielectrics, J.Chem.phys.,
1941,9(4):341 351
[6] 任超世 崔云莉等 医学电阻抗技术的问题和发展与应用前景 中国医学物
理杂志 1997 14(1) 59 61
[7] 王慧艳 任超世 一种研究血液电特性的新方法 多频率阻抗法 山东生物
医学工程 1994 (2) 2 7
[8] 郝冬梅 任超世 检测肺血流分布的深部区域阻抗法的研究 中国医学物理
杂志 1995 12(1) 54 57
[9] 王慧艳 任超世 生物电阻抗法测量人体组成成分 国外医学生物医学工程
分册 1996 19(2) 96
[10] Schwan HP Determination of biological impedance, Physical techniques in
biomedical research, 1963, 6(4):323 406
[11] Geddes L.A. Baker L.E. Principles of applied biomedical instrumentation
John Wiley&Sons New York 1968 5(2):150 205
[12] Polczynski MH Seitz MA Low-frequency 4-probe impedance measuring
system Med.&Biol.Eng.&Comput. 1979,15(6): 573 576
[13] T.Palko F.Bialokoz J Weglarz Multi-frequency device for measurement of the
complex electrical bio-impedance-design and application 14th Conference of the
Biomedical Engineering Society of India 1995 3(1):45 46
[14] K.S.Kohli D.V.Rai P.Kumer Impedance of a goat eye lens. Med.&Boil.
Eng.&Comput. 1997,35(4):348 353
[15] L.Lu L.Hamzaoui B.H.Brown B.Rigaud Parametric modeling for electrical
impedance spectroscopy system Med.&Biol. Eng.&Comput. 1996,34(2):122 126
- 56-
参考文献
[16] 付峰 臧益民 董秀珍等 部分离体动物组织幅电阻抗频率特性
(100Hz~10MHz)测量系统及初步测量结果 第四军医大学学报 1999,20(3):220
222
[17] 王慧艳 任超世 多频率电阻抗法研究血液特性 中国生物医学工程学报
1997 16(3) 223 227
[18] 王化祥 南国芳等 用于人体阻抗成像的数据采集系统 仪器仪表学报
2001 22(4):416 418
[19] 李光明 吴祈耀 生物阻抗测量技术的原理与应用 International Medical
Devices Vol.5 No.3
[20] 杜松怀 人体等值电路的分析 电气时代 1995,5(5):19 20
[21] 楼高行 人体电阻与安全电压 实验探索 物理教学探讨 2002,20(5):44
[22] 第三军医大学 殷均斐 重庆大学 彭承琳 阻抗法人体成分测量装置的研
制,中国医疗器械杂志 1997
[23] TMS320F206 DSP Development Board technical reference, Texas Instruments
incorportated, 1997
[24] TMS320C20X User’s Guide, Texas Instruments incorportated, 1999
[25] 张芳兰 TMS320C2XX用户指南 北京 电子工业出版社 1999
[26] 毕建民 刘小伟 王博亮 电阻抗成像系统设计 长春光学精密机械学院
学报 第 21 卷 第 1 期 1998 3
[27] 王化祥 王艳儒 用于 EIT 成像系统的 AD7008 DDS 调制器 电子测量技
术 1999 17-20
[28] 周国富 具有 50MHz 时钟率的 AD7008 单片 CMOS DDS 调制器 电子技
术应用 1994 (3): 32-34
[29] 方红斌 胡书屏等 AD7008 在数字频率合成器中的应用 电子与仪表 1999
(1): 35-37
[30] 王超 王化祥 用于医学电阻抗成像的电压控制电流源 VCCS 电子测
量技术 2001 3: 18-20
[31] Mi Wang F. J. Dickin M. S. Beck Improved electrical impedance tomography
and collection system and measurement protocols ECAPT Manchester U.K. 1992
3: 40-53
[32] Ramon Bragos Javier Rosell Pere Riu A wide-band AC-coupled current source
for electrical impedance tomography Physiol. Meas. 1994 15: A91-A99
[33] 王超 胡华东 解涛 王化祥 用于 EIT 成像系统基于 CC 低通滤波电
路设计 电子测量技术 2001 2: 8-9
[34] 杨玉星 生物医学检测技术 华中科技大学出版社 1998:104 112
[35] AD744 Data Sheet ANALOG DEVICES
- 57-
参考文献
[36] Fu-Shan Jaw Cheng-Yi .Wang Chii-Wann High Input Impedance circuits for
electrophysiological signal Biomedical Engineering Applications Basis &
communications 1994,6(6):865 868
[37] Alexander Hartov Todd E Kerner Dartmouth’s next generation EIS system
preliminary hardware considerations Physiol.Meas. 2001,22:25 30
[38] Mitel Semiconductor, Product information and applications notes CD, 1999
[39] 王威廉 胡康成 王建 MT8816 模拟开关阵列电路在多路音频信号切换中
的应用 电子技术应用 1998 11: 58-60
[40] 王长龙 王子章 贺臣等 MT8816 在单片机控制视频矩阵切换器中的应用
电子与仪表 1999 2: 18-19
[41] 杜恩祥 左宪章 贺臣 并行接口控制的视频切换器的设计与实现 Radio
Communications Tehnology 2000 26(1): 60-61
[42] F.J.Dickin,Resistive EIT-desigh reports and indication of industrial
application,Process Tomography-A Strategy for Industrial Exploitation-1 1993
(3):221-224
[43] 沈国治,集成状态变量滤波器 MAX274/275,上海师范大学 电子技术,1994,6
[44] 夏勇 张惠民 高精度高性能 A/D D/A 转换电路在微机数据采集系统和控
制系统中的实现 微电脑应用 1995.3
[45] 董琰婷,张杰 模数转换器 AD1674 接口电路的改进,电子技术应用 1998,4
[46] 杜鹏 12 位并行模/数转换芯片 AD1674 及其应用 国外电子元器件 2001,8
[47] 张重雄 邱华 TMS320C32 DSP 及其与 AD1674 A/D 变换器的接口设计
电子工程师 1999 7
[48] 袁志刚 宁百齐 基于 A/D 芯片 AD1674 设计的数据采集电路 电子技术
应用 2001 10
[49] LT1567 Data Sheet Linear Technology
[50] 吴玲玲 姚大伟 TMS320F206 定点 DSP 芯片开发实践 半导体技术 2002
27(3):48-51
[51] 朱起悦 数字信号处理单片机 TMS320F206 开发实践研究 电讯技术 2000
40(1):12-14
19
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参考文献
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[29] 方红斌 胡书屏等 AD7008 在数字频率合成器中的应用 电子与仪表 1999
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[40] 王长龙 王子章 贺臣等 MT8816 在单片机控制视频矩阵切换器中的应用
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[42] F.J.Dickin,Resistive EIT-desigh reports and indication of industrial
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[43] 沈国治,集成状态变量滤波器 MAX274/275,上海师范大学 电子技术,1994,6
[44] 夏勇 张惠民 高精度高性能 A/D D/A 转换电路在微机数据采集系统和控
制系统中的实现 微电脑应用 1995.3
[45] 董琰婷,张杰 模数转换器 AD1674 接口电路的改进,电子技术应用 1998,4
[46] 杜鹏 12 位并行模/数转换芯片 AD1674 及其应用 国外电子元器件 2001,8
[47] 张重雄 邱华 TMS320C32 DSP 及其与 AD1674 A/D 变换器的接口设计
电子工程师 1999 7
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[49] LT1567 Data Sheet Linear Technology
[50] 吴玲玲 姚大伟 TMS320F206 定点 DSP 芯片开发实践 半导体技术 2002
27(3):48-51
[51] 朱起悦 数字信号处理单片机 TMS320F206 开发实践研究 电讯技术 2000
40(1):12-14