一种生物电阻抗测量系统的制作方法

本实用新型涉及一种生物电阻抗测量系统，特别是涉及一种更加高效合理的人体成分测量电路。

背景技术：

人体生物阻抗系统是一个能够反映整个人体或其组成部分电属性的物理参数，通过测量生物阻抗可以了解人体组织的生理状态和病理状况，从而在一定程度上克服繁琐的临床检查给病人带来的不便。生物电阻抗的测量的准确性是影响本系统测量精度和稳定度的重要因素，因此激励电极的选通和测量电极的选通时序及电路设计尤为重要。目前的双频交替测量系统，主要存在三个问题：

1)通道选通切换频繁，导致装置测量周期延长。

2)考虑到实际操作中人体结构的多样性，使用全身整段电阻测量时，会使得电阻抗测量结果的动态范围变大。为了保证较宽的测量范围，对采样芯片的要求更高或需要提供内置不同PGA的数模转换器，增加成本。

3)多次繁琐的电阻测量增加软件计算量。

技术实现要素：

为了解决现有系统的诸多问题，本实用新型提供了一种双频率、人体五节段八电极生物阻抗测量系统，包括频率、激励电极和测量电极的选通电路，可以做到缩短系统测量时间、简化电阻计算而且保证电阻测量精度。

本实用新型所采用如下技术方案：

一种生物电阻抗测量系统，包括：主控单片机、数字隔离器、信号控制电路、频率选通电路、双频交变恒流源电路、激励电极选通电 路、测量电极选通电路、信号检波电路、激励电极、测量电极；

所述的信号控制电路通过数字隔离器与主控单片机相连；所述的信号电路分别与频率选通电路、双频交变恒流源电路、激励电极选通电路、测量电极选通电路相连；

所述的双频交变恒流源电路，一端与频率选通电路相连，另一端与激励电极选通电路相连；

所述的数字隔离器与频率选通电路相连；

所述的测量电极选通电路与信号检波电路相连；

所述的激励电极与激励电极选通电路相连；

所述的测量电极与测量电极选通电路相连。

所述的激励电极包括四个电极，形成两组激励组合，一组与左手左脚掌相连，一组与右手右脚掌相连；激励电极与激励电极选通电路相连；

所述的测量电极包括四个电极，分别连接于人体的左手拇指、右手拇指、左脚跟、右脚跟处；测量电极与测量电极选通电路相连；

所述的激励电极选通电路由主控单片机控制，依次选通每组激励组合，通过这两个电极将电流传输到人体；

所述的测量电极选通电路由主控单片机控制，依次选通两个测量电极，测量两电极间的电压。

所述的频率选通电路采用1片74HC4053实现，所述的激励电极选通电路和测量电极选通电路采用4片74HC4051实现，共需八根控制线控制；所述的信号控制电路采用1片CD4094实现。

本实用新型通过舍弃两手、两腿之间的激励组合和整段电阻测量组合，避免了常规选通电路带来切换过多、测量时间周期长的弊病；而将躯干电阻和腿部电阻相加作为一段电阻测量，解决了躯干电阻过 小带来测量精度不高的问题，也使得整个电阻抗测量动态范围变小。本实用新型极大的优化了测量步骤，在高精度交变恒流源激励下，保证实际测量的准确性，使预测人体成分更高效，成本更低。

附图说明

图1：为本实用新型的测量系统结构框图；

图2：为本实用新型的人体阻抗模型图；

图3：为本实用新型的信号控制电路图；

图4：为本实用新型的频率选通电路图；

图5：为本实用新型的激励、测量电极选通电路图；

图6：为本实用新型的人体阻抗测量原理图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

如图1所示，一种基于双频的生物电阻抗测量系统，包括：主控单片机、数字隔离器、信号控制电路、频率选通电路、双频交变恒流源电路、激励电极选通电路、测量电极选通电路、信号检波电路、激励电极、测量电极。信号控制电路通过数字隔离器与主控单片机相连，控制频率选通电路、激励电极选通电路和测量电极选通电路。

如图2所示，将人体阻抗看成5个节段的阻抗，右手臂的阻抗用Z_RA表示,左手臂的阻抗Z_LA用表示，右腿的阻抗用Z_RL表示，左腿的阻抗用Z_LL表示，躯干的阻抗用Z_TR表示。与图6对照，激励电极1、3、5、7连接在手掌、脚掌对应标号处，测量电极2、4、6、8连接在拇 指、脚跟对应标号处。

如图3所示，信号控制电路采用的CD4094芯片引脚1（STR）为锁存端，引脚2（D）为串行数据输入端，引脚3（CP）为串行时钟端。当STR为高电平时，8位并行输出口QP0—QP7在时钟的上升沿随串行输入变化；STR为低时，输出锁定。通过改变D端串行数据输入，可以完全控制频率选通、激励电极选通和测量电极选通，极大简化了调试过程。

如图4所示，主控单片机通过定时器交替产生20K、100K频率的方波信号即ISO_WA1，在滤波器前由二选一选择开关选通，即将ISO_WA1接在74CH4053的ZA端，通过QP0控制S0，使20K和100K方波信号分别从A1、A0输出即可实现。高精度交变恒流源变换电路是由高性能差分放大器组成，价格高昂，电路系统需20K、100K两个交变恒流源变换电路，为节约成本，本系统在交变恒流源变换电路前用二选一选择开关进行切换，ZC端连接交变恒流源输入端，通过QP1控制S2,使20K和100K正弦信号分别从C1、C0输入即可实现选通。

如图5所示，将恒流信号接在一片74HC4051的COM端，而另一片的COM端接地，两片芯片的独立的输入/输出端接在不同的电极上即可实现对人体不同激励电极的选通。S0控制A0、A1的选通，因为电流的流向是固定由U10流向U11，所以一片接激励电极3（LA）、5（RL）,另一片接1（RA）,7（LL）,可保证电流有四种流向：左臂-左腿，右腿-右臂，左臂-右臂，右腿-左腿。使以后测量时激励电流源的选择更加方便合理。

测量电极选通芯片的两个COM端做差分输出，将独立的输入/输出接在不同的测量电极上，即可实现不同测量电极的选通。S0,S1控制A0-A3的选通，分别接4（LA）、8（LL）、2（RA）、6（RL），由于芯片上电压方向为U13（+）—U12（-）,两片芯片均输出四个引脚保证人体阻抗模型中电压的方向可以任意选择，避免电流与电压反向。

如图6所示，1、3、5、7为激励电极，2、4、6、8为测量电极，分别与图2相对应。本系统的激励电极选通电路仅将1、5或3、7激励电极配对选通，发送微弱的交流信号，和人体不同节段电阻形成通路,即激励电流源有两种：1—5（右腿—右臂），3—7（左臂—左腿），测量电极选通电路可以控制在4个测量电极中任意选择2个测量电极配对选通，2个测量电极间的交流信号经整流、滤波后可测得电压值，与电流之比就是阻抗。当测量选通信号选通测量电极时，激励、测量电极的不同组合可以测得人体不同节段或者它们之间组合的阻抗值。如在激励电极1、5间通入激励电流，测量测量电极2、4间的电压，电压电流之比即为阻抗Z_RA，同理可测得各个阻抗的值。

如表1、表2所示，常规的激励电极选通和测量电极选通流程如表1所示，其常规测量流程全面且每一节段电阻抗皆测量了两次，所以可以保证测量精度。然而可以发现，在双频交替测量过程中，测量端选通切换较多，这会引来三方面的不利之处：一是通道切换过多会导致装置测量时间加长；二是全身整段测量导致电阻动态范围变大，加上人体的多样性使得整个电阻抗测量动态范围相当大，这就需要测量范围宽或是内置不同PGA的数模转换器即对采样芯片要求较高；三 是过多的测量电阻给软件计算引来繁琐的工程量。考虑到人体手臂电阻较大，腿部电阻次之，而躯干电阻很小只有几十欧姆，可见躯干电阻不适宜单独测量，对此，本系统结合常规的测量流程和人体电阻大致数量级关系改进了选通流程，如表2所示，相比于常规测量流程中每一节段电阻抗皆测量了两次，本实用新型的测量流程中激励电流给的方式减少到两条路径，并将测量电阻重新分配，每节段电阻经过两次测量而可以相互验证，躯干电阻因太小而不再单独测量。

表1常规测量选通过程

表2本实用新型的选通时序

本实用新型中涉及到的方法或者软件均为现有技术，是对本实用新型原理的进一步辅助说明，非本实用新型的创新内容，本实用新型仅对硬件电路进行改进和创新。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。