基于單片機(jī)MSP430的生物阻抗測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張麗娟 楊丹丹 王行 舒少將 田爽 成波

摘要：在Cole-Cole阻抗圓圖理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)MSP430F5529，能實(shí)現(xiàn)人體阻抗測量及顯示的低功耗生物阻抗測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)是將基于AD9833模塊產(chǎn)生的正弦波電流激勵(lì)施加于人體被測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)人體阻抗信號采集，并通過藍(lán)牙與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信的人體阻抗測量平臺。

關(guān)鍵詞：人體阻抗測量;正弦電流激勵(lì);幅值相位檢測;低功耗

中圖分類號：Q64 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

生物電阻抗測量，簡稱阻抗技術(shù)，是一種利用生物組織與器官的電特性及其變化規(guī)律提取與人體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的檢測技術(shù)[1]。它具有無創(chuàng)、無害、廉價(jià)、操作簡單和便于擴(kuò)展功能多樣等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)人體通過不同頻率的交流電流時(shí)，隨著頻率不同，所穿透人體組織的深度也不同，并且不同人體組織表現(xiàn)出不同的電阻抗特性，可由此來判斷人體組織器官的生理、病理信息。由于這一特性，基于生物阻抗測量的醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)被越來越廣泛地應(yīng)用到醫(yī)學(xué)臨床與研究中。

1 ? 人體阻抗測量原理

1.1 人體電阻抗等效電路模型

20世紀(jì)初期，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)生物組織對不同頻率的電流具有容性和阻性兩種特性。對組織施加低頻電流，電流主要通過細(xì)胞外液、細(xì)胞膜對電流的流通起阻礙作用。當(dāng)不斷提高電流的頻率，細(xì)胞膜的阻礙作用會(huì)越來越小，因此，高頻時(shí)，會(huì)有部分電流通過細(xì)胞內(nèi)液。經(jīng)研究知，細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)液可等效為電阻，細(xì)胞膜可等效為電容，由此可得出R-C三元件人體電阻抗等效電路，如圖1、圖2所示。

圖2中，R3為細(xì)胞外液電阻，C3為細(xì)胞外液電容;R1為細(xì)胞膜電阻，C1為細(xì)胞膜電容;R2為細(xì)胞內(nèi)液電阻，C2為細(xì)胞內(nèi)液電容。當(dāng)通以低頻電流時(shí)，由于，因R1很大，且C2、C3很小，均可視為斷路，則得到圖1的簡化電路。R1為整個(gè)生物組織細(xì)胞外液電阻，R2為整個(gè)生物組織細(xì)胞內(nèi)液電阻，C為整個(gè)生物組織細(xì)胞膜電容。

1.2 Cole-Cole理論

通過總結(jié)思考，美國加州大學(xué)的Cole KS教授和Cole RH教授共同提出了Cole-Cole理論，其基本內(nèi)容是：用理想的R-C三元件來等效實(shí)際生物電阻抗只是理想情況下的等效，如果考慮實(shí)際因素，生物組織的電阻抗在復(fù)平面上的軌跡是一段圓弧[2]，其特征方程式是：

其中，是時(shí)間常數(shù)，是頻率為0時(shí)的生物組織電阻抗，是頻率為無窮大時(shí)的生物組織電阻抗，是松弛因子，取值范圍（0，1），其大小決定了圓心的位置;當(dāng)=1時(shí)，生物組織的模型即三元件等效模型，由這4個(gè)參數(shù)，可計(jì)算出圓弧軌跡。

綜上，可采用四電極法測量，先取兩點(diǎn)作激勵(lì)電極，然后向生物組織施加一定頻率的正弦波激勵(lì)電流，再從兩個(gè)測量電極獲取被測體表的電壓信號，根據(jù)電壓值計(jì)算出阻抗值;同樣方法，測量其他頻率下的阻抗值，通過曲線擬合法可得到整個(gè)阻抗圓圖，頻率分辨率越高，計(jì)算越準(zhǔn)確。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430F5529為主控，首先使用DDS直接數(shù)字頻率合成器AD9833模塊產(chǎn)生40 kHz～50 kHz正弦信號，經(jīng)過低通濾波、壓控恒流源電路，產(chǎn)生恒定電流為10 uA的激勵(lì)信號施加于人體被測網(wǎng)絡(luò);然后經(jīng)前置放大提取測量電極檢測信號，再經(jīng)過濾波調(diào)理電路后送幅值相位檢測模塊，最后由單片機(jī)測量出信號的幅度和相位值，并通過藍(lán)牙通信模塊，將測量的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，在上位機(jī)PC端計(jì)算對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的阻抗值。

3 硬件設(shè)計(jì)

具體硬件電路設(shè)計(jì)由電源、信號發(fā)生模塊、信號采集模塊三部分組成。其中，信號發(fā)生模塊包括DDS信號發(fā)生器、低通濾波器和壓控電流源;信號采集模塊包括差分放大器和幅值相位檢測電路;接入幅值相位檢測模塊的信號傳遞到單片機(jī)內(nèi)，由AD采樣獲取相應(yīng)電壓參數(shù)，通過串口發(fā)送至藍(lán)牙，經(jīng)由適配器發(fā)送到PC機(jī)上實(shí)時(shí)顯示。

3.1 電源

主要采用TI公司的LP2992來轉(zhuǎn)換我們所得到的電壓（5 V、3.3 V、2.5 V、1.8 V），通過LM2664將相應(yīng)的正電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓。

3.2 壓控恒流源

電路采用兩片OPA454構(gòu)成雙運(yùn)放電壓控制電流源，把濾波放大單元輸出的正弦電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，如圖3所示，A1接成深度負(fù)反饋狀態(tài)，A2把A2的輸出U0傳到A1同相端，并在該端與控制信號電壓Ui相加。

A1處于深度負(fù)反饋狀態(tài)，虛短得Un=Up，又因?yàn)镽1=R2=R3=R4，所以Ui=Ua-Uo，即電阻Rs上的電壓降Ui等于輸入電壓。如果不考慮集成運(yùn)放輸入偏置電流的影響，可知流經(jīng)電阻Rs和的電流Io=Ui/Rs，恒流源輸出電流的大小只與輸入電壓和Rs有關(guān)，而與負(fù)載無關(guān)，適當(dāng)選取Ui和Rs就可以得到想要的輸出電流。我們?nèi)1=R2=R3=R4=10 kΩ，Rs=50 kΩ，Io=Ui/Rs=1 V/50 k=20 uA。

4 軟件開發(fā)

整個(gè)系統(tǒng)包含上位機(jī)、下位機(jī)兩部分，下位機(jī)部分用單片機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)，比如產(chǎn)生40 kHz～50 kHz正弦波激勵(lì)信號、AD采集經(jīng)過人體的電壓值、將電壓值通過藍(lán)牙傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)采用LabView軟件，其主要功能是讀取下位機(jī)發(fā)送來的電壓值，通過幅值和相位計(jì)算阻抗值等參數(shù)并進(jìn)行處理，同時(shí)在PC機(jī)上進(jìn)行顯示[3]。

4.1 上位機(jī)LabView界面設(shè)計(jì)

（1）前面板：在選項(xiàng)卡控制面板，可以選擇串口號，在顯示面板，對我們要測的并聯(lián)阻抗、電阻值和電容值等參數(shù)進(jìn)行顯示。

（2）后面板：進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，首先串口通信，接收MSP430F5529傳輸?shù)碾妷盒盘枺筮M(jìn)行標(biāo)定、識別、判斷，分別讀取Vmag值和Vphs值進(jìn)行存儲運(yùn)算。

4.2 下位機(jī)單片機(jī)設(shè)計(jì)流程圖

下位機(jī)單片機(jī)設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

5 ? 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

系統(tǒng)調(diào)試是對設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，是很關(guān)鍵的環(huán)節(jié);調(diào)試有問題，就可以及時(shí)修正，以達(dá)到預(yù)期設(shè)想。本系統(tǒng)采用電池供電，可提供-2.5 V、1.8 V、2.5 V、3.3 V、5 V的電壓，壓控電流源可產(chǎn)生20 uA的恒定電流作為激勵(lì)施加到被測RC網(wǎng)絡(luò)，輸出信號經(jīng)放大濾波處理后接入AD8302幅值相位檢測模塊，通過對該模塊進(jìn)行線性測量，測得其VMAG與幅度比的斜率為0.5902，VPHS 與相位差的斜率為-0.0105，中心點(diǎn)電位為0.9173 mV，都與理論值非常接近。用可變電阻和多只等值電容構(gòu)成待測阻抗，經(jīng)RC網(wǎng)絡(luò)測量，得出所測最大電阻值為 10 kΩ，最大電容值為10 000 pF。

功耗測量分為靜態(tài)功耗和峰值功耗兩種情況。靜態(tài)功耗：把電流表串入系統(tǒng)中，打開電源開關(guān)，將系統(tǒng)除去藍(lán)牙模塊的部分接入到工作狀態(tài)，記錄系統(tǒng)的電流值，同時(shí)將電池兩端用萬用表測量，檢測記錄系統(tǒng)電壓。峰值功耗：把電流表串入系統(tǒng)中，打開電源開關(guān)，將系統(tǒng)所有模塊接入工作狀態(tài)，并將PC端上位機(jī)程序打開，記錄電流電壓值，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

綜上可以看出系統(tǒng)運(yùn)行的平均功耗很低，約為45 mW，且其阻抗測量精度可達(dá)5%。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的電源控制，整個(gè)系統(tǒng)極低的功耗運(yùn)行，激勵(lì)電流信號的頻率及幅度可調(diào)，能夠相對準(zhǔn)確地測量激勵(lì)信號流過人體之后的相位差，通過參考電阻的相位差及其兩端的電壓值，計(jì)算出人體的阻抗，從而實(shí)現(xiàn)人體阻抗的測量。但是精度還不夠高，今后還需改進(jìn)。下一步將繼續(xù)優(yōu)化，利用系統(tǒng)進(jìn)行人體生理信號，如呼吸、脈搏的監(jiān)測，使其實(shí)用價(jià)值更高。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫永文，韓建國.便攜式生物電阻抗測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2005，13（7）：645-646，676.

[2] 李向東.基于生物電阻抗測量技術(shù)的人體亞健康檢測方法與研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2014.

[3] 郭建強(qiáng)，寧小偉，高曉蓉，等.基于MSP430單片機(jī)的智能阻抗測量儀設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，32（12）：190-193.