高精度人体阻抗导纳测量仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种高精度人体阻抗导纳测量仪，包括第一至第四测量电极、定标电路、标准电平、正弦波发生器、三角波发生器、缓冲器、差分式增益可控放大器、恒幅移相器、差分电压输入极、第一加法器选频放大器、第一同步检波电路、跨阻放大器、第二加法器选频放大器、第二同步检波电路、一阶微分器和显示器；其中，第一、第二同步检波电路由锁定放大器和低通滤波器组成，锁定放大器的输出端与低通滤波器的输入端连接。本实用新型采用锁定放大器来代替一般高频调幅解调电路，从而大大提高仪器仪器的抗干扰能力，明显提高了测量精度。
【专利说明】
高精度人体阻抗导纳测量仪
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种高精度人体阻抗导纳测量仪。
【背景技术】
[0002] 阻抗导纳容积图仪在配置心电图仪或多道生理记录仪时，可直接方便的测出人体 胸、肺、肝、脑等部位的阻抗导纳参数及其一阶微分图形。从而得到人体的心搏量，呼吸，脉 搏，心指数、脑血流等生理参数。它是一种非创伤性测量人体生理电参数的方便而有用的仪 器。
[0003] 在测量中，视血管为圆柱体，其流动的血液相当于导体，游离的脂肪相当于一个个 小小的电容。因此人体的血管从总体上可视为电容和电阻的并联体，它的等效阻抗为：
[0004]
[0005]
[0006] 血管截面积
[0007] L 一单位长度
[0008] ε-介电常数
[0009] 将R、C等式代入(1)式：
[0010]
[0011] 对Z进行A的偏微分得：
[0012]
[0013] 移相后，等式两边同除以Z得：
[0014]
[0015] 从而推导出血管阻抗的变化率和血管截面变化率的互相关系，为定量研究血管的 变化提供了数学依据。
[0016] 阻抗变化对时间的偏导数和血液进入弹性血管瞬时流量的比例关系推导如下： [0017]设血管长度L不变，根据质量守恒定理可知：
[0018]
[0019] 又 AV=AA.L......(b)
[0020] 可得：a4/次== =β· (4
[0021 ] DO一血液比重
[0022] A0-未注液体截面
[0023] Q·-注入端的瞬时流量
[0024] Δ A-血液注入血管后截面增量
[0025] U·-注入液体瞬时流速
[0026] 根据Nyboer关系式：ΔΖ = ρ?ΔΑ/ΔΑο2......(d)
[0027] 及 Δ Α = 2π；τ() Δ r......(e)
[0028] 其中：ro-血管半径
[0029] Δ r-半径增量
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034] 瞬时流量公式无疑为阻抗法测量人体心脏的瞬时血液搏出量及心量数提供了一 个很好的途径。据流体力学可知，只要将瞬时流量时对搏动性液体在注入时间内积分，即可 推得每搏注入液体的体积，其表达式为：
[0035] SVz = JoTQ.dt= (Αο2/ρ) Δ Ζ* = ρα/Ζ。）2 Δ Z*
[0036] 其中：SVz-为每搏液体体积
[0037] Δ Z一 Δ Zmax
[0038] 由于 Δ Zt = dT/dtmax · T. (Kabkicek理论）
[0039]其中：Τ'相当于阻抗微分图上左心室排血时间，它开始在dZ/dtmax上行与基线交 点，结束同步与第二心音。
[0040]进而得到：SVz = P(L/Zo)2 · dZ/dtmax · T ·......(4)
[0041 ] 其中：Z0为人体基础阻抗 [0042] L为测量电极间距离
[0043] p为血液电阻率
[0044]同时根据SVz. HR及BSA人体表面积，可以求得CI心指数：
[0045] CSI=HR · 8V/BSA · 1000(升/分/平方米）......(5)
[0046] 其中：据许氏式可得
[0047] BSA = 0.0061cm(身高）+0.0128kg(体重）-0.1529
[0048] HR-心率
[0049]经大量的实验证明，阻抗法测量生理参数是一种简单有效的手段。
[0050]现有的人体阻抗导纳测量电路一般采用高频调幅解调电路。人体在自然空间中， 可是为一个大的导体，在它的周围的空间中存在着各种交变的电磁场，根据电磁感应定律 可知，这都将在人体内和表面产生感应电场和电流。由于人体是一个不良导体，这些干扰电 场有时高达几伏甚至几十伏。由于它大大超过了有用信号，造成了强烈干扰，一般线路中， 虽然在输入级采用差分电路，以提高对共模干扰信号的抑制，但因差分对元件的非对称性 一般都在1%以上，故共模抑制比都不能做的很高，而且对差模干扰及噪声更无能为力，这 就大大影响了测量结果的准确性。 【实用新型内容】
[0051]本实用新型旨在提供一种高精度人体阻抗导纳测量仪，以解决现有技术存在的由 于抗干扰性能较差导致测量精度低的问题。
[0052]本实用新型的技术方案是：
[0053] -种高精度人体阻抗导纳测量仪，包括第一至第四测量电极、定标电路、标准电 平、正弦波发生器、三角波发生器、缓冲器、差分式增益可控放大器、恒幅移相器、差分电压 输入极、第一加法器选频放大器、第一同步检波电路、跨阻放大器、第二加法器选频放大器、 第二同步检波电路、一阶微分器和显示器;其中，标准电平的输出端与差分式增益可控放大 器的一个输入端连接，正弦波发生器的两个输出端分别与差分式增益可控放大器的第二输 入端以及恒幅移相器的输入端相连接;差分式增益可控放大器的输出端与缓冲器的输入端 连接，缓冲器的输出端和定标电路的输出端均与第一测量电极连接;恒幅移相器的两个输 出端分别与第一加法器选频放大器的一个输入端以及第二加法器选频放大器的一个输入 端连接;差分电压输入极的两个输入端分别连接第二测量电极以及第三测量电极，差分电 压输入极的输出端与第一加法器选频放大器的另一输入端连接，该第一加法器选频放大器 的输出端与第一同步检波电路的输入端连接，后者的输出端通过一双联三端转换开关(K1) 的第一联在差分式增益可控放大器的第三输入端与一阶微分器及显不器的输入端之间转 换连接;跨阻放大器的输入端和输出端分别与第四测量电极和第二加法器选频放大器的另 一输入端连接，第二加法器选频放大器的输出端与第二同步检波电路的输入端连接，后者 的输出端通过所述的双联三端转换开关(K1)的第二联在一阶微分器及显示器的输入端与 差分式增益可控放大器的第三输入端之间转换连接;所述的一阶微分器的输入端通过一个 三端转换开关(K2)在三角波发生器与显示器的输入端之间转换连接;该一阶微分器和显示 器的输入端通过电容输出阻抗或导纳的变量信号;所述的第一同步检波电路或第二同步检 波电路由锁定放大器和低通滤波器组成，锁定放大器的输出端与低通滤波器的输入端连 接。
[0054]作为本实用新型的一种优选的结构，所述的锁定放大器由集成的单功能模拟乘法 器SA602A构成。
[0055] 作为本实用新型的另一种优选的结构，所述的第一至第四测量电极由表面上复合 有氯化银的银板或银丝制成。
[0056] 本实用新型的主要优点包括:采用锁定放大器来代替一般高频调幅解调电路，从 而大大提高仪器仪器的抗干扰能力，明显提高了测量精度。
【附图说明】
[0057] 图1是本实用新型实施例的总体构成框图；
[0058]图2是图1中第一、第二同步检波电路的实施例电路图。
【具体实施方式】
[0059] 参见图1，本实用新型一种高精度人体阻抗导纳测量仪，包括第一至第四测量电极 16~19、（10￥/0.1〇)定标电路1、标准电平2、正弦波（501(抱）发生器3、三角波发生器13、缓 冲器4、差分式增益可控放大器5、丨旦幅移相器6、差分电压输入极7、第一加法器选频放大器 8、第一同步检波电路9、跨阻放大器10、第二加法器选频放大器11、第二同步检波电路12、一 阶微分器14和显不器15。其中，标准电平2的输出端与差分式增益可控放大器5的一个输入 端连接，正弦波发生器3的输出端分别与差分式增益可控放大器5的第二输入端及恒幅移相 器6的输入端连接;差分式增益可控放大器5的输出端与缓冲器4的输入端连接，缓冲器4的 输出端和定标电路1的输出端均与第一测量电极16连接;恒幅移相器6的两个输出端分别与 第一加法器选频放大器8和第二加法器选频放大器11的一个输入端连接;差分电压输入极7 的两个输入端分别连接第二测量电极17和第三测量电极18，差分电压输入极7的输出端与 第一加法器选频放大器8的另一输入端连接，该第一加法器选频放大器8的输出端与第一同 步检波电路9的输入端连接，后者的输出端通过一双联三端转换开关(K1)的第一联在所述 的差分式增益可控放大器5的第三输入端与一阶微分器14及显不器15的输入端之间转换连 接。跨阻放大器10的输入端和输出端分别与第四测量电极19和第二加法器选频放大器11的 另一输入端连接，第二加法器选频放大器11的输出端与第二同步检波电路12的输入端连 接，后者的输出端通过所述的双联三端转换开关(K1)的第二联在所述的一阶微分器14及显 示器15的输入端与差分式增益可控放大器5的第三输入端之间转换连接。所述的一阶微分 器14的输入端通过三端转换开关(K2)在三角波发生器13与显示器15的输入端(该端也与K1 的第一联的3端和第二联的2端连接)之间转换连接;该一阶微分器14和显示器15的输入端 通过隔离电容C输出ΛΖ或ΛΥ信号。一阶微分器14的输出端输出dy/dt或dz/dt信号。
[0060] 所述的第一~第四测量电极16-19由表面上复合有氯化银的银板或银丝制成。
[0061 ]参见图2，所述的第一同步检波电路9或第二同步检波电路12由集成的单功能模拟 乘法器SA602A构成的锁定放大器和低通滤波器组成，锁定放大器的输出端与低通滤波器的 输入端连接。
[0062]本实用新型除了第一同步检波电路9和第二同步检波电路12外，其余均为常规电 路。
[0063] 一、本实用新型的工作原理说明如下：
[0064] 整机工作状态(见图1)分为两种情况进行，既导纳图测量和阻波图测量，并设有胸 部、肺部和肝、脑这四个部位的四个测量电极16-19的开关和10V(0.1 Ω )定标电路1及三角 波发生器13的定标开关，以便对不同部位的阻抗导纳作不同的选择。
[0065] 1、导纳测量：
[0066]当K1置1时，进行导纳测量。具体的工作过程是：首先由高增益运放集成电路5G24 组成的正弦波发生器3产生2V、50KHz的等幅高频信号，经衰减后衰减至lOOmv左右;差分式 增益可控放大器5经50mv标准直流电平比较控制后，经缓冲器4输至人体50mv左右的高频信 号。然后，从被测部位引出的经调幅的高频信号，经差分电压输入级7加至由5G24组成的选 频放大器放大后，送到第一同步检波电路9,产生一直流脉动控制电平送至差分式增益可控 放大器5，经比较后，调整输出电平，使整个信号源系统能在负载变化频率从0-200赫的宽范 围中波动时保持被测部位始终稳定在50mv电压上，从而达到高稳定宽动态的恒压特性。 [0067]电流检测系统，通过由5G24组成的跨阻放大器10，把反映人体导纳变化的高频电 流转换成高频电压，然后经第二加法器选频放大器11送至第二同步检波电路12,最终取得 一个反映人体导纳变化的交变低频信号，即A y。一部分由显示器15显示为y0。Δ y再送入一 阶微分器14,对t求导，经一阶微分器14送出一 dy/dt微分波信号。然后再送至心电图或多道 生理记录仪描出一接导纳波形图，从而完成对人体导纳的测量。
[0068] 2、阻抗测量：
[0069] 当K1至2时，仪器进行阻抗图测量。这时，信号源与电流检测回路组成一个电流负 反馈恒流闭环回路，同时，将差分式增益可控放大器5后面的缓冲器4换接成电压电流变换 器，以提高信号源输出阻抗。具体工作过程和电压源控制状态基本相同，所明显不同的是标 准电平控制差分式增益可控放大器5,得到的是恒定输出1.6mA的高频恒流源特性。而电压 检测回路则与一阶微分器14连接，完成对放映人体阻抗变化的±U的描记。
[0070] 定标部分，当K2至1时，利用经校验的三角波对一阶微分器14进行自动定标。K3至1 时，利用串在测量的回路〇. 1 Ω电阻(在定标电路1中）变化对△ y、△ E进彳丁手动定标。
[0071] 二、电路主要设计指标：
[0072] 1.导纳图测量
[0073] (1)恒压源
[0074] (a)震荡频率及波形50KHz±5%正弦波
[0075] (b)恒压值50mv(有效值）
[0076] (c)恒压稳定度负载在10 Ω -100 Ω变化时，电压变化小于1 %
[0077] (d)频率特性 0_2〇OHz
[0078] (2) Ay主要指标
[0079] (a)输出电压幅度大于10mv/10〇
[0080] (b)频率特性 0·5Ηζ-200Ηζ
[0081] (3)dy/dt 主要指标
[0082] (a)输出电压幅度大于10mv/lv/s
[0083] (b)频率特性 5_2〇OHz
[0084] (c)信噪比
[0085] 2抗阻测量
[0086] (1)恒流源
[0087] (a)振荡频率及波形50KHZ±5%正弦波
[0088] (b)恒流值1.6mA(有效值）
[0089] (c)恒流稳定度负载在10 Ω -100 Ω变化时，电流变化小于1 %
[0090] (d)频率特性0-200HZ
[0091] (2)ΔΖ主要指标
[0092] (a)输出电压幅度大于lOmv/0.1 Ω
[0093] (b)频率特性 0·5_2〇0Hz
[0094] (3)dz/dt 主要指标
[0095] (a)输出电压幅度大于lOmv/0.1 Ω/s
[0096] (b)频率特性 5-200Hz
[0097] (c)信噪比
[0098] 3 定标
[0099] (1) Ay和ΔΕ的定标为方波(手动）
[0?00] (2)dy/dt和dz/dt的定标为(三角波由30 Ω变化ο. 1 Ω的方波校正、定标讯号的幅 度可在0-0.4Ω可调)方波。
[0101] 三、整机的特点：
[0102] 本实用新型采用锁定放大器来代替一般高频调幅解调电路，从而大大提高仪器仪 器的抗干扰能力。人体在自然空间中，可是为一个大的导体，在它的周围的空间中存在着各 种交变的电磁场，根据电磁感应定律可知，这都将在人体内和表面产生感应电场和电流。由 于人体是一个不良导体，这些干扰电场有时高达几伏甚至几十伏。由于它大大超过了有用 信号，造成了强烈干扰，一般线路中，虽然在输入级采用差分电路，以提高对共模干扰信号 的抑制，但因差分对元件的非对称性一般都在1%以上，故共模抑制比都不能做的很高，而 且对差模干扰及噪声更无能为力。为此本实用新型采用锁定放大器作为同步检测器来代替 普通的平均值检波电路，提高整机的抗干扰性能。
[0103] 锁定放大器(Lock-in Amp)是一种微弱信号检测电路，它利用相关检测原理，将深 埋在噪声中的微弱信号提取出来。由集成的单功能模拟乘法器SA602A构成的锁定放大器如 图2所示，根据模拟乘法器要求在集成电路内部设置好偏置，减少片外电路，使用调试简单 方便。
[0104] 图2中心(〇是由有用信号s(t)和混入噪声N(t)的信号组成，fr(t)是没有被噪声干 扰的信号，且往往是与s(t)同频而不同相，二者具有极大的相关性，而噪声N(t)与f r(t)是 不相关的，所以经过相关检测后，噪声将被抑制，s(t)将被提取出来。假设s(t)和fr⑴都为 正弦，且满足ω〇= cor，即：
[0105]
[0106]
[0107] 那么，乘法器输出U(n(t)为：
[0108]
[0109] 随后的积分器(实际上是一个截止频率很低的低通滤波器），将所有2coQ、coQ分量 全部滤除，仅留下笛一烦（官流分量），那么：
[0110]
[0111] 式中Ki为乘法器传输系数，K2为低通滤波器传输系数。
[0112] 若调节恒福移相器朽，使相位差(件= 或180°，那么：
[0113]
[0114] 可见，相关器的输出电压唯一地取决于被测信号s(t)而与噪声无关。
[0115] 图中低通滤波器的上限截止频率f η为：
[0116]
[0117] 可见，频带很窄，仅输出与信号振幅和相位差有关的直流量，而2 ω 〇、ω Q分量和噪 声都可被滤除。
[0118] 采用了抑制载频的方法来提高增益，防止可能产生的限幅失真，提高信噪比，同时 也提高了电路对各种不同基础阻抗测量要求能力。这时因为人体的基础Ζ0阻抗较大，以胸 部为例，有30 Ω左右，而变化值很小，在〇. 1 Ω以下，在测量阻抗时为了要达到l〇mv/〇. 1 Ω的 输出，整个检测电路的增益将达1000倍左右，以恒流源输出1.6mA测量电流为例，在30 Ω阻 抗上降压48mv。
[0119] 因此，如果在检波级结束时增益为总增益。这时的载频峰值将达几十伏以上。如果 在同样情况下测导纳，要达到50πιν/10Ω的增益，总增益要达80dB左右，故这样是不能正常 工作的。一般方法是减小检波前的高频峰增益以防止限幅。但这样将会使灵敏度及信噪比 下降。有的阻抗图仪利用晶体管特性曲线的起始电压死角，使管子工作在乙类状态，对载频 信号进行载波放大，这样虽能提高一定的增益和信噪比，但温度的影响(起始角的波动），载 波后波形严重失真，无法对Z作定量分析，也容易引进谐波干扰。因此，我们采用从信号源引 出一组载频信号。经锁相器得到与载波信号差180°的高频信号，通过求和电路将正调幅的 载频信号中的频率部分抑制大部分，以满足电路正常工作的需要。
[0120] 信号源电路中采用了差分电子衰减式增益控制电压放大器(差分式增益可控放大 器5)，其优点是:增益衰减量(dB)与控制电压之间在一定的范围内呈线性函数关系，并具有 o〇 y X nr 衰减量大，即[=^--动态范围宽等特点。在信号源电路中，运用5G24集成流放组成了 60 mv 跟随电路和电压电流转换电路，进一步提高了恒流源和恒压源的动态特性。
[0121] 此外，测量电路还在电流测量输入级采用了跨阻放大器10,以消除一般电流互感 器带来的线性误差，提高衰减的性能。
【主权项】
1. 一种高精度人体阻抗导纳测量仪，包括:第一测量电极、第二测量电极、第三测量电 极、第四测量电极、定标电路、标准电平、正弦波发生器、三角波发生器、缓冲器、差分式增益 可控放大器、恒幅移相器、差分电压输入极、第一加法器选频放大器、第一同步检波电路、跨 阻放大器、第二加法器选频放大器、第二同步检波电路、一阶微分器和显示器;其特征在于： 标准电平的输出端与差分式增益可控放大器的一个输入端连接，正弦波发生器的两个输出 端分别与差分式增益可控放大器的第二输入端、恒幅移相器的输入端连接;差分式增益可 控放大器的输出端与缓冲器的输入端连接，缓冲器的输出端和定标电路的输出端均与第一 测量电极连接;恒幅移相器的两个输出端分别与第一加法器选频放大器和第二加法器选频 放大器的一个输入端连接;差分电压输入极的两个输入端分别连接第二测量电极以及第三 测量电极，差分电压输入极的输出端与第一加法器选频放大器的另一输入端连接，该第一 加法器选频放大器的输出端与第一同步检波电路的输入端连接，第一同步检波电路的输出 端通过一双联三端转换开关的第一联在差分式增益可控放大器的第三输入端与一阶微分 器及显示器的输入端之间转换连接;跨阻放大器的输入端和输出端分别与第四测量电极和 第二加法器选频放大器的另一输入端连接，第二加法器选频放大器的输出端与第二同步检 波电路的输入端连接，第二同步检波电路的输出端通过所述的双联三端转换开关的第二联 在所述的一阶微分器及显不器的输入端与差分式增益可控放大器的第三输入端之间转换 连接;所述的一阶微分器的输入端通过一个三端转换开关在三角波发生器与显示器的输入 端之间转换连接;该一阶微分器和显示器的输入端通过电容输出阻抗或导纳的变量信号； 所述的第一同步检波电路或第二同步检波电路由锁定放大器和低通滤波器组成，锁定放大 器的输出端与低通滤波器的输入端连接。2. 根据权利要求1所述的高精度人体阻抗导纳测量仪，其特征在于，所述的锁定放大器 由集成的单功能模拟乘法器SA602A构成。3. 根据权利要求1所述的高精度人体阻抗导纳测量仪，其特征在于，所述的第一至第四 测量电极由表面上复合有氯化银的银板或银丝制成。
【文档编号】A61B5/053GK205658910SQ201620366724
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】常文华
【申请人】常文华