一種手持式阻抗血流圖檢測系統的設計

夏軍營，付峰，尤富生，史學濤

第四軍醫大學 生物醫學工程學院，陜西 西安 710032

一種手持式阻抗血流圖檢測系統的設計

夏軍營，付峰，尤富生，史學濤

第四軍醫大學 生物醫學工程學院，陜西 西安 710032

本文介紹了一種手持式阻抗血流圖檢測系統的設計過程。該系統基于生物阻抗法，利用數字化的正交序列解調方法保證測量精度，采用模塊化的設計方法提高系統的擴展能力，采用低功耗設計和無線數據傳輸增強系統的靈活性。樣機的初步試驗證明該系統運行穩定，可以對人體多個部位進行測量，而且具有低功耗和便攜的特性。

手持式；生物阻抗；阻抗血流圖；低功耗

0 前言

機旋轉試驗中的腦血流監測等[6]。其次，對測量信號的解調采用的是模擬電路的方法，響應時間過長，無法進行多通道的時分復用。目前許多應用中都需要進行兩個或更多部位的測量[4]，單通道系統已經不能滿足需要，如果多通道系統每個通道都必須有獨立的解調電路，無疑會增加系統的成本、體積以及功耗。此外，還需要采取專門的定標等措施保證不同通道之間測量結果的一致性。

為解決這些問題，本文設計了一套由鋰電池供電的低功耗、小體積、無線傳輸的手持式阻抗血流圖檢測系統，可以根據需要佩戴在受試者身上，不影響受試者的活動，便于開展相關檢測與監護。此外，系統采用了在電阻抗斷層成像數據采集系統中已經得到廣泛應用的正交序列解調法[7]進行全數字的測量信號解調，以保證系統的測量精度，并對系統進行了模塊化的設計，以便于向多通道系統的升級。

1 系統設計

1.1 阻抗血流圖測量原理

阻抗血流圖也稱阻抗容積圖（Impedance Plethysmogram），其基本原理是基于生物體容積變化時會引起的相應的電阻抗變化[5]。血液的流動是除呼吸以外引起生物體短時容積變化的主要原因。生物體組織的血流量隨心動周期而變化，由于血液相比一般的生物體組織導電性要強，當某個部位血流增加時，其阻抗會隨之降低，反之則阻抗增加。

若對人體特定部位施加恒定的電流激勵，則響應電壓隨阻抗變化而變化，只要測得電壓的改變即可反映出血管容積的變化，從而得到阻抗血流圖。激勵和測量電極置于人體的不同部位，如手腕、胸部、頸部和腦部等，就可以得到不同部位的阻抗血流圖，反映相應部位的血液循環狀態，進一步對其進行無損傷的功能評價[5]。

1.2 系統總體設計

生物電阻抗測量可以采用兩電極法，也可以采用四電極法。四電極法相對于兩電極法可以減少接觸阻抗和極化電位的影響，測量結果更加可靠，因而本文采用的是四電極法。系統硬件主要包括數據采集器和主機無線數據接收器兩個部分，總體結構框見圖1。

圖1 手持式阻抗血流圖檢測系統結構

手持式數據采集器采用鋰電池供電，可以采集得到受試者被檢部位的阻抗血流圖數據，并可以通過無線模塊進行發送上傳。無線數據接收器接收到數據采集器發送來的阻抗血流圖數據后，將其通過USB總線上傳到PC主機上，由PC主機上的接收軟件接收并存儲以便于后續的分析和處理。

1.3 數據采集器

1.3.1 數據采集器的總體結構

圖2 數據采集器結構示意圖

手持式數據采集器是由微控制器、阻抗測量模塊、人機接口模塊（按鍵、液晶）、數據存儲、無線傳輸與電源管理模塊等構成，見圖2。其中阻抗測量模塊實現了基于四電極法的低功耗電阻抗測量功能。為一塊獨立的電路子板，其電源線、與微控制器通信的信號線以及四個電極信號線通過板級接插件連接到數據采集器的主電路板。四個電極信號再經由主電路板上的電極接口與連接到人體的電極相連，從而實現對人體電阻抗的測量功能。這樣一來，以后只需要在主電路板的電極接口部分加入合適的模擬開關及其控制電路，即可由阻抗測量模塊通過時分復用實現多個通道的測量。

經試用，該導航能在選定導航路線的時候提示該路線上的天氣影響情況以及目的地的能見度、溫度、風速等。但功能比較簡單，缺少使用說明，信息的預報準確度有待驗證。

數據采集器由鋰電池供電，電源管理模塊實現鋰電池的充電管理和系統各模塊的供電管理。為盡量降低功耗，整個硬件系統采用3.3 V單電源供電，各主要模塊采用獨立的供電通道，并可以由微控制器分別進行上、掉電控制。

系統使用16位、超低功耗單片機MSP430F247作為數據采集器的主控制器，實現阻抗測量模塊的控制、測量數據的緩存和無線發送、人接交互接口的管理以及各模塊的供電管理等功能。測量得到的電阻抗信息在存儲器中進行緩存，并通過無線的方式實時或延時發送到PC主機。按鍵和液晶顯示屏構成系統的人機交互界面，操作人員可以據此控制手持式數據采集器的工作。

系統選擇大容量的串行DataFlash芯片AT45DB321D作為數據存儲器，該芯片共有8192頁，每頁512字節。數據采集過程中，測量到的數據首先保存到數據存儲器中，如果此時能夠建立與主機無線數據接收器的無線連接，則再將數據通過無線連接進行發送；如果無法連接主機數據接收器，則數據暫時存放在數據存儲器內，等到以后成功建立與主機之間的無線連接后，再將緩沖的數據依次發送到主機。

無線連接電路由工作頻率2.4 GHz，數據速率為500 kbps的，具有低功耗特性的A7015芯片構成。該模塊在空曠環境下的直線傳輸距離為100m，經過測試可以與室內或者隔壁的主機無線數據接收器建立無線連接，滿足本系統對無線數據傳輸的需求。

1.3.2 阻抗測量模塊

阻抗測量模塊包括激勵電路和測量電路，并采用一片32位的超低功耗ARM芯片STM32L151作為控制器，以實現阻抗測量過程中激勵和測量電路的時序控制，并對采集到的波形數據進行正交序列解調以得到阻抗數據。其原理框圖，見圖3。

圖3 阻抗測量模塊原理框圖

為便于以后向多通道系統升級，阻抗測量模塊被設計

阻抗測量的激勵信號由低功耗DDS波形發生芯片AD9834產生。AD9834可通過3線SPI接口進行控制，其輸出信號頻率連續可調，在75MHz的工作時鐘下最高可達37.5MHz。系統中采用25.6MHz的工作時鐘，激勵信號選擇為100 kHz的正弦信號。輸出信號的幅度控制由外接的一片微功耗串行數模轉換芯片AD5620完成。激勵信號由DDS輸出后經過4階切比雪夫低通濾波器進行防鏡像平滑濾波，得到較為純凈的正弦信號。然后采用改進的Howland壓控流源轉換為恒定幅度的電流激勵信號，輸出到正激勵電極[8]。

由于系統采用單電源供電，激勵信號實際上是以供電電壓的一半，也就是1.65 V為中心上下波動的，為防止測量電極持續極化，負激勵電極連接到1.65 V的虛擬地電平。

電流激勵信號經正負激勵電極作用于人體后，可以在正負測量電極上拾取電壓響應信號。來自一對測量電極的信號經過緩沖后，進入低功耗數字可編程儀表放大器AD8231進行放大。AD8231的增益由1到128分8級可調，足以滿足系統對信號放大的動態范圍的需要。為消除直流和低頻干擾的影響，AD8231的輸入級采用交流耦合方式。

放大后的信號由16位高精度模數轉換芯片AD7980進行采集。AD7980可以通過3線SPI接口進行控制，最高采樣率為1Msps，實際應用中由于SPI接口速度的限制一般無法達到。為實現高精度的正交序列解調，需要一個信號周期內有較多的信號樣點，直接采樣方式難以滿足要求。因而系統在STM32L151控制下采用相干采樣的方式，以接近400 ksps的采樣率通過多周期累計達到了每個信號周期獲取128個樣點的效果。

為保持測量與激勵信號的同步，STM32L151與AD9834采用同源時鐘，其工作頻率也為25.6MHz。在上述工作頻率和采樣頻率下，STM32L151可以實時的完成波形數據的正交序列解調，因而該模塊進行阻抗測量的頻率可達3kHz以上。實際工作中，阻抗測量由MSP430F247發起，完成一次測量后由STM32L151將解調后的阻抗數據發送給MSP430F247。即使考慮到控制和通信等額外時間開銷，該模塊的性能也足以滿足多個通道時分復用的需求。

1.4 無線數據接收器

無線數據接收器通過USB接口與PC主機連接，并通過USB接口供電。無線數據接收器主要包括微控制器和無線模塊兩個部分，其原理框圖如圖1所示。控制器采用32位的ARM芯片STM32F103，該芯片內置USB控制器，可以方便的通過USB總線實現與PC的數據通訊。無線模塊采用與數據采集器中相同的A7105無線模塊。

本系統中，無線數據傳輸由手持式數據采集器啟動，無線數據接收器作為服務器應答手持式數據采集器發送來的數據傳輸命令，并將通過無線模塊接收到的測量數據通過USB接口傳輸到主機軟件。

2 實驗與分析

設計的數據采集器主電路板長寬分別僅為10cm和5.6cm，插入阻抗測量子板后總高度約為1cm，體積小巧，足以滿足手持式系統的要求。系統設計完成后首先進行了功耗測試。采用1100mA鋰電池供電，接入249Ω純電阻負載，打開無線發送，系統以2 kHz的阻抗測量速率的連續工作時間可達13h以上。由此可以說明該系統的低功耗設計是很成功的。

為驗證系統的測量性能，進行了初步的人體試驗，并分別在胸部（前胸）和腦部（額頭）進行了測試。測量時四個電極呈一字排列，激勵電極在外側，測量電極在內側。為進一步降低噪聲干擾，在Matlab中對測得的原始波形數據進行了帶通濾波處理，獲得的血流波形，見圖4。其中A、B分別為在胸部和腦部進行測量得到的血流信號波形圖。由于胸部的血流信號較強，而腦部的血流信號很弱，波形A的幅度實際上比波形B大了10倍以上，圖中為顯示需要對波形B進行了放大處理。可以看出該系統在胸部和腦部都能獲取較為完整的血流信號波形，可以滿足人體不同部位的血流信號檢測需要。

圖4 人體胸部和腦部的血流信號波形圖

3 結論

本文采用數字正交序列解調方法，設計實現了一種鋰電池供電的手持式阻抗血流信號檢測系統，體積小巧、功耗很低，而且實現了測量數據的無線傳輸。系統可以對人體不同部位的血流信號進行檢測，并可以隨人體自由移動，能夠滿足各種不同場合下的應用需求。此外，該系統很容易升級為多通道測量系統，以適應更復雜的應用需求。

不過，實驗中也發現，由于腦部的血流信號過于微弱，測得的原始波形數據中高頻噪聲的幅度已經與血流信號本身的幅度相差不大，因而為能更好的對腦部血流信號進行測量，系統的精度還需要進一步提高。

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Design of a Hand-Held Impedance Rheography Detection System

XIA Jun-ying, FU Feng, YOU Fu-sheng, SHI Xue-tao
School of Bio-Medical Engineering, The Fourth Military Medical University, Xi’an Shaanxi 710032, China

This paper introduced the design of a bio-impedance-based hand-held IR（Impedance Rheography）detection system.The digital orthogonal sequential demodulation method was used in this system to ensure the accuracy of measurement.Modular design technology was used to increase the extendibility of the system.Low power consumption technology and wireless data transmission were used together to improve the flexibility of the system.According to the preliminary experiment, the lowpower-consumed and portable sample system demonstrated its stable performance and ability to use on different positions of human body.

hand-held；bio-impedance；impedance rheography；low power consumption

TM934.7

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.07.004

1674-1633（2015）07-0013-03

2015-06-28

軍隊課題（AWS14C006，CWS12J102）；國家自然科學基金課題（51477176）；國家科技支撐計劃課題（2011BAI08B13）。

付峰，教授，博士生導師。

通訊作者郵箱：fengfu@fmmu.edu.cn

阻抗血流圖是利用生物電阻抗技術提取與人體生理、病理狀態相關的血液動力學信息的一種方法[1]。雖然由于一些理論性問題尚未得到完全闡明，使其未能像心電圖、CT影像等一樣成為主流的臨床檢查方法，但是其憑借著無創、廉價、安全、操作簡單和可以連續監測等特點，在國內外的臨床檢查和實驗研究中已經得到了深入的發展和廣泛的應用，目前已成為生物醫學工程的一個分支[2]。

近年來，醫療設備的小型化、便攜化已經成了一種趨勢。阻抗血流圖以其簡單、廉價的固有特點在這方面具有先天的優勢，目前已經有研究人員進行了這方面的嘗試[3-5]。但是，這些系統還存在一些明顯的不足之處。首先，系統功耗未能得到有效控制，仍然需要專門的供電電源或由USB接口提供電源，并且需要專門的線纜用于數據傳輸。這就限制了系統隨人體自由移動的靈活性，從而無法在一些特殊的應用場合使用，如用于飛行員訓練和選拔的短臂離心