专利名称：细胞膜的导纳测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及导纳测量技术领域，尤其涉及一种细胞膜的导纳测量装置。
背景技术：
导纳测量装置是一种根据物体对电路参数的约束关系测定该物体的导纳、阻抗的电子仪器。细胞膜的导纳测量技术是利用生物组织器官和细胞的电特性阻抗、导纳值及其 变化关系提取与人体组织器官生理状况信息的无损伤检测技术。这种技术具有安全、无创、 操作简便和信息高效等特点。通过对脑细胞导纳图测量和导纳微分换面积测量为医学人士 提供脑部病理的重要信息，同时可以对心脏及其他生物器官进行功能评价，因此具有广泛 的应用前景。目前细胞膜导纳测量系统的激励频率还局限于几百KHz —下的低频范围内，真正 具有穿透细胞膜能够提取细胞内液信息的IMHz 5MHz激励频率的测量系统还不多见。而 且，当前医用的细胞膜导纳测量系统大多采用DSP芯片作为控制核心，耗能高、代价大。针 对上述状况提出了本实用新型的技术方案，设计了一套单片机和FPGA作为控制核心、激励 频率在0 IMHz之间的细胞膜导纳测量装置。并且针对实际测量中实效性问题，设计了一 种基于实时离散傅里叶变换测量细胞膜导纳的实部和虚部的方法。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种医用细胞膜的导纳测量装置，利用DFT的测相原 理，结合嵌入式系统控制技术，针对目标物体的导纳进行高精度自动测量、显示，适用于医 疗上对细胞膜导纳的高精度、微量级测量。为达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案包括微控制系统、测量电路、探测端口，其中微控制系统包括单片机、FPGA芯片、 LCD液晶显示器，测量电路包括DDS正弦信号发生器、多通道A/D采样器、I/V转换电路；单 片机、FPGA芯片、DDS正弦信号发生器依次电连接，DDS正弦信号发生器分两路输出，一路连 接探测端口，一路连接多通道A/D采样器；探测端口与I/V转换电路电连接，I/V转换电路 连接多通道A/D采样器，多通道A/D采样器连接至FPGA芯片；IXD液晶显示器连接至FPGA
-H-· I I心片。所述DDS正弦信号发生器(104)采用集成DDS芯片AD9851构成。所述I/V转换电路(107)由输入限流电阻Rg、运算放大器0PA656和一组反馈电阻组成。所述多通道A/D采样器(105)采用同步采样芯片THS1206组成，包括两路输入隔 离放大器、控制信号和数据总线。本实用新型具有以下优点和积极效果1)结构简单实用，使用方便，而且可以根据不同的应用要求进行灵活变换；2)实现了快速，高效，高精度测量，提高了医药分析人员测量细胞膜导纳的工作效率。
图1是本实用新型提供的医用细胞膜的导纳测量装置的结构框图。图2是本实用新型提供的医用细胞膜的导纳测量装置中正弦信号发生器的电路 图。图3是本实用新型提供的医用细胞膜的导纳测量装置中I/V转换电路的电路图。图4是本实用新型提供的医用细胞膜的导纳测量装置中A/D采集电路的电路图。
具体实施方式
下面以具体实施例结合附图对本实用新型作进一步说明本实用新型提供的医用细胞膜的导纳测量装置，具体采用如下技术方案，参见图 1，包括微控制系统(101、102、103)、测量电路(104、105、107)、探测端口 (106)，微控制系统 (101、102、103)控制整个导纳测量装置的工作，并且该微控制系统与测量电路(104、105、 107)直接相连，测量电路分为输出电路和输入电路，分别与探测端口(106)的两端相连，测 量被测物体的导纳，具体组成及电气连接关系为微控制系统(101、102、103)包括单片机(101)、FPGA芯片(102)、LCD液晶显示器 (103)，测量电路(104、105、107)包括DDS正弦信号发生器(104)、多通道A/D采样器(105)、 I/V转换电路(107)，单片机、FPGA芯片、DDS正弦信号发生器依次电连接，DDS正弦信号发 生器分两路输出，一路连接探测端口，一路连接多通道A/D采样器；探测端口与I/V转换电 路连接，I/V转换电路连接多通道A/D采样器，多通道A/D采样器连接至FPGA芯片；LCD液 晶显示器连接至FPGA芯片。单片机与FPGA芯片相连，单片机发出控制信号，启动FPGA芯片中的DDS正弦信号 发生器的接口程序，AD9851产生正弦激励信号，经过信号调理形成测量激励信号；DDS正弦 信号发生器与探测端口相连，由于被测物体的导纳特性，影起了激励信号的变化；探测端口 另一端与I/V转换电路相连，经过I/V变换，被测物体的导纳特性反应到输出信号与原激励 信号的变化中；ΙΛ转换电路与多通道A/D采样器相连，I/V转换电路后的信号经过后级信 号调理，并未引入新的相移和幅度变化，该信号和原激励信号同时通过A/D采样，得到采样 数据，供处理分析；多通道A/D采样器与微控制系统相连，多通道A/D采样器将两路信号的 采样数据送往FPGA芯片中进行DFT (离散傅里叶变换)运算，单片机控制FPGA的运算流程， 将计算结果转为被测导纳值，并通过LCD液晶显示器显示出来。由于物体导纳随激励信号频率改变，在有些全面的测量要求，需要测量出物体导 纳随频率改变情况的频率特性曲线，因此，本装置在单片机的控制下，通过改变激励信号频 率，实现频率扫描测量，以得到物体导纳的频率特性曲线，在LCD液晶显示器上显示出来。在上述的医用细胞膜的导纳测量装置中，DDS正弦信号发生器采用集成DDS芯片 AD9851构成；I/V转换电路由输入限流电阻Rg、运算放大器0PA656和一组反馈电阻组成； 多通道A/D采样器采用同步采样芯片THS1206组成，包括两路输入隔离放大器、控制信号 和数据总线。下面进一步描述该医用细胞膜的导纳测量装置的工作原理[0024]装置产生信号阶段中，由fpga中的控制程序控制ad9851产生用于测量的正弦信 号。fpga向ad9851芯片写入工作控制字，使其产生特定频率和幅度的正弦波，然后进入信 号调理与滤波电路得到用于测量的激励信号。其中信号调理电路包括10倍反向放大器，芯 片为0pa656 ；滤波电路为iohz 100k的带通滤波器，采用8阶巴特沃斯滤波器实现，芯片 为 0p37 和 0p07。然后进行物体的导纳测量，上诉激励信号流过该物体，由于其导纳的特性，在电路 中引起了信号的幅度和相位变化，这种变化用一个i/v转换电路表现出来。i/v转换电路实 际是一个反向放大电路，其中，可调档位的固定电阻置于反向放大器的负反馈支路上，被测 物体置于反向放大器输入端。为避免被测物体导纳过小而影起电流过大的问题，输入端还 串联了一个100欧电阻限流。这样物体的导纳特性就体现在这个放大电路中输出信号对于 输入激励信号的幅度和位相变化上。由于微量级导纳测量中电流很大，因此该放大器芯片 应能承受大电流，为0pa335。再然后装置接受测量物体后的信号。上述i/v转换电路后的信号需要先进入后级 的信号调理与滤波电路，经过调理后的信号再经a/d采样，转化为离散数据进入fpga，通过 单片机的控制，在fpga中进行数据的处理以得到测量结果。在a/d采样过程中，由于要对 两路信号进行相位区别，因此需进行同步采样，使用同步采样芯片ths1206。此处信号调理 电路为限幅放大电路，目的是限制信号幅度，供a/d采样。为了实现自动档位选择和微量级 测量，需要测量动态范围大。ιλ转换电路知，反馈支路上的可调档位固定电阻就决定了测 量范围和档位。因此，在a/d采集到信号后，判断信号幅度，通过模拟开关选择合适的反馈 电阻，实现自动档位选择，测量动态范围大。最后，在单片机的控制下，fpga对采样数据进行处理，运算，得到导纳测量结果。根 据dft原理，对同时采样的两路信号就行dft变换，可得到两路信号的相位差，同时得到各 信号幅度，再根据导纳计算公式计算出被测导纳，完成导纳测量。同时，为了自动判别被测 物体是成阻性，感性还是容性，需要对dft结果进行自动判别。根据相位角的大小及符号即 可判断出阻抗特性，从而实现导纳特性的自动判断，方便测量人员实时判别。下面根据装置的四个工作流程进一步介绍系统的实施方式如图2，正弦信号发生器产生用于测量的激励信号；图中，ad9851的数据总线 data_bus和控制线w_clk和fq_ud与fpga相连，由fpga产生ad9851工作需要的控制信号 和数据信号；ad9851的out端与信号调理和滤波电路相连，产生所需要的正弦信号。首先单片机向fpga发出启动指令，fpga中的ad9851接口程序开始工作，向 ad9851写了相应的频率控制字，和工作方式控制字，本装置中，ad9851外接25mhz晶振，内 部工作时钟通过倍频技术达到150mhz，此时频率分辨率为0. 035hz，频率扫描的不仅要求， 提高扫描精度，有利于得到更详尽的频率特性曲线，反应出物体导纳的详细特性。为避免高 频干扰，将ad9851及其外围电路采用pcb制版实现，调节图中接入在引脚iout和iout输 出端的电阻将输出信号峰峰值稳定在iv，作为测量物体的原激励信号。如图3，i/v转换电路实际是一个反向放大器。被测端口的输出信号与i/v转换电 路的输入端相连，又反向放大器工作原理可以知道|y| = |v2|/(|vi|*rf)，|νι|为正弦信 号发生器的输出信号幅值，|v1| = 1/2v，|v2|为ι/ν转换电路的输出信号幅值，rf为ι/ν 转换电路的反馈电阻。所以ι/ν转换电路的输出信号峰峰值为2*|v2| = |y|*rf。为了提高测量精度，2*|V2|需要在IOOmV 1.5V，多通道A/D采样器的范围之内。Rf的选择决定了测量精度，因此对不同的物体要切换不同的Rf，图中Rf与模拟开关相连，在整个装置工 作过程中，程序预先设定一个档位，通过采集到的数据分析，重新选择合适的档位再开始测 量，以此实现了自动档位调整，提高测量精度。同时，在输入端串联一小电阻，如图3中电阻 Rg，为了避免测量纯电容物体时，I/V转换电路容易自激震荡的问题。此电路中运放芯片为 0PA551，因为此芯片几乎不引起额外相移，可保证I/V转换电路完全反应出输出信号与原 激励信号间的幅度相位变化，从而供后面的多通道A/D采样器采集。I/V转换电路后的信号流经多通道A/D采样器，如图4。I/V转换电路的输出端和 正弦信号发生器的输出端与多通道A/D采样器的两个输入端相连。两路信号经过如图的加 法器，将输入信号电平移到1. 5V 3. 5V，即A/D采样芯片THS1206的采样范围内。THS1206 的数据总线与FPGA相连，控制总线受FPGA中的A/D驱动程序控制，单片机发出采集指令， FPGA的A/D采样控制程序启动，对THS1206实现工作方式设定，使THS1206工作在连续转换 模式，转换数据存入其内部集成的FIFO中，然后由FPGA提取。两路信号将被同时转换，以 此放入寄存器中，供微处理器1下一步数据处理。两路高速多通道A/D采样器同步采样正弦信号发生器输出信号和I/V变换电路输 出信号，采样率为信号频率的128倍频，即fs = 128*f，分别采样N= 1024点，fs为采样 频率，f为信号频率。如上所述，已采集到的两采样序列分别为vl [η]和ν2[η]存于FPGA 的RAM中。在单片机的控制下，分别对两个采样序列进行N点DFT运算，由数字角频率w = 2 π f/fs = 231 kO/N,得k0 = fN/fs = 8，基波频谱为DFT的第k0 = 8根谱线。序列vl [η] 的基波谱为 其中vl [η]基波频谱的实部和虚部分别为
相角为 θ1，tanθ1 =Vilm/Vire。
同理序列ν2[η]的基波谱的实部、虚部和相角分别为 则可得导纳角为θ = θ2-θ10设I/V变换电路的反馈电阻为Rf，则导纳模为
则Re[Y]=|Y|cos9'Im[Y] = IYlsin0。由此将得到的导纳角和导纳模通过LCD液晶显示器显示出来，如果要得到不同频 率下的物体导纳特性，则通过单片机实现扫描测量，通过LCD液晶显示器将该物体的频率 特性曲线显示出来，方便测量人员识别。
权利要求一种医用细胞膜的导纳测量装置，其特征在于，包括微控制系统(101、102、103)、测量电路(104、105、107)、探测端口(106)，其中微控制系统(101、102、103)包括单片机(101)、FPGA芯片(102)、LCD液晶显示器(103)，测量电路(104、105、107)包括DDS正弦信号发生器(104)、多通道A/D采样器(105)、I/V转换电路(107)；单片机(101)、FPGA芯片(102)、DDS正弦信号发生器(104)依次电连接，DDS正弦信号发生器(104)分两路输出，一路连接探测端口，一路连接多通道A/D采样器；探测端口(106)与I/V转换电路(107)电连接，I/V转换电路连接多通道A/D采样器，多通道A/D采样器(105)连接至FPGA芯片；LCD液晶显示器(103)连接至FPGA芯片。
2.根据权利要求1所述的医用细胞膜的导纳测量装置，其特征在于 所述DDS正弦信号发生器(104)采用集成DDS芯片AD9851构成。
3.根据权利要求1或2所述的医用细胞膜的导纳测量装置，其特征在于所述I/V转换电路(107)由输入限流电阻Rg、运算放大器OPA656和一组反馈电阻组成。
4.根据权利要求3所述的医用细胞膜的导纳测量装置，其特征在于所述多通道A/D采样器(105)采用同步采样芯片THS1206组成，包括两路输入隔离放 大器、控制信号和数据总线。
专利摘要本实用新型涉及导纳测量技术领域，尤其涉及一种细胞膜的导纳测量装置。本实用新型包括微控制系统、测量电路、探测端口，其中微控制系统包括单片机、FPGA芯片、LCD液晶显示器，测量电路包括DDS正弦信号发生器、多通道A/D采样器、I/V转换电路；单片机、FPGA芯片、DDS正弦信号发生器依次电连接，DDS正弦信号发生器分两路输出，一路连接探测端口，一路连接多通道A/D采样器；探测端口与I/V转换电路电连接，I/V转换电路连接多通道A/D采样器，多通道A/D采样器连接至FPGA芯片；LCD液晶显示器连接至FPGA芯片。本实用新型克服了膜导纳微量级测量及高频测量的难题，采用DFT分析技术，和高速FPGA运算能力，实现了快速，高效，高精度测量，提高了医药分析人员测量细胞膜导纳的工作效率。
文档编号G01N27/02GK201611340SQ20102012958
公开日2010年10月20日 申请日期2010年3月9日 优先权日2010年3月9日
发明者刘思勤, 胥鸣, 解娜, 陈小桥, 陈浩 申请人:武汉大学