用于生物阻抗測量的同步多通道高精度恒流源

　　摘要：針對生物電阻抗測量和成像系統(tǒng)的激勵(lì)源須滿足兩路以上同步輸出、高頻率精度、各路相位獨(dú)立可調(diào)、輸出為恒流性質(zhì)等特殊要求，本文分析了多核共用時(shí)鐘的DDS芯片作為生物電阻抗測量和成像系統(tǒng)激勵(lì)源的應(yīng)用優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了以AD9959為核心的用于生物阻抗測量或成像系統(tǒng)的恒流驅(qū)動(dòng)信號(hào)源。設(shè)計(jì)的信號(hào)源四通道輸出同步，頻率精度為0.0058Hz，各通道相位分別可調(diào)且最小步長為0.022°，幅值分辨率可達(dá)9.8μA，控制方便，電路簡單。

　　引言

　　生物電阻抗檢測和成像系統(tǒng)的目標(biāo)檢測量是生物組織的電阻抗信息，對于接觸式檢測方式，其硬件部分為體表電位測量系統(tǒng);對于非接觸式檢測方式，其硬件部分為微弱磁場測量系統(tǒng)。這兩種測量系統(tǒng)一般都由激勵(lì)源、電極、信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和控制單元等部分組成。其中，激勵(lì)源的作用是提供直接作用于人體的電流或磁場激勵(lì)信號(hào)，其精度和穩(wěn)定性對于整個(gè)測量系統(tǒng)的性能起著決定性的作用。同時(shí)，由于其直接作用于人體，對其安全性又提出特殊的要求。

　　目前已有文獻(xiàn)報(bào)道的生物電阻抗檢測和成像系統(tǒng)的激勵(lì)源主要包括以下幾種：由PLD、可編程時(shí)鐘芯片和高速DAC組成的激勵(lì)源[2];由可編程信號(hào)發(fā)生器MAX038實(shí)現(xiàn)的激勵(lì)源[3];用FPGA實(shí)現(xiàn)的基于DDS(數(shù)字直接合成)原理的激勵(lì)源[4];以及采用現(xiàn)有專門的DDS集成芯片在DSP的控制下實(shí)現(xiàn)的激勵(lì)源[5]等。其中，基于DDS原理的FPGA實(shí)現(xiàn)方法與專門DDS集成芯片應(yīng)用較為廣泛。相對而言，專門DDS集成芯片以其頻率穩(wěn)定度高、分辨率高、調(diào)節(jié)方便、輸出范圍寬以及轉(zhuǎn)換速度快、相位噪聲低、與單片機(jī)、DSP等通訊方便等特點(diǎn)尤其受到人們的青睞。

　　本文分析了生物電阻抗測量和成像系統(tǒng)對激勵(lì)源性能的特殊要求，闡述了DDS芯片AD9959在生物電阻抗測量和成像系統(tǒng)中的優(yōu)勢應(yīng)用，隨后介紹了AD9959的使用方法，并設(shè)計(jì)了基于AD9959的生物電阻抗測量系統(tǒng)的高性能激勵(lì)源電路。

　　生物電阻抗測量和成像系統(tǒng)對激勵(lì)源的特殊要求

　　作為用于檢測人體電阻抗信息的生物電阻抗測量和成像系統(tǒng)，對其激勵(lì)源部分有以下特殊要求：

　　(1)激勵(lì)和參考信號(hào)相位方便調(diào)整。現(xiàn)有的生物電阻抗檢測和成像系統(tǒng)中，多數(shù)使用模擬鎖相解調(diào)的方法測量采集到的攜帶阻抗信息的電壓信號(hào)，此時(shí)激勵(lì)源不僅提供激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)也提供用于鎖相解調(diào)的參考信號(hào)。而參考信號(hào)與激勵(lì)作用下傳感器產(chǎn)生的待測信號(hào)在進(jìn)入鎖相解調(diào)電路之前往往經(jīng)過不同的信號(hào)通路，通常都存在不同的相移，如不進(jìn)行補(bǔ)償，該相移就會(huì)被疊加在由待測生物阻抗引起的相移中，帶來測量誤差。尤其對于非接觸式阻抗測量和成像系統(tǒng)，由于激勵(lì)電極和測量電極其一或均為線圈，往往需要后接高階的濾波電路以濾除干擾，將造成待測信號(hào)與參考信號(hào)較大的相對相移，此時(shí)必須對參考信號(hào)相位進(jìn)行補(bǔ)償。調(diào)整DDS芯片參考信號(hào)通道的相位控制字為一種可行、可靠、有效的補(bǔ)償方式。

　　(2)對激勵(lì)信號(hào)幅值、頻率、相位的精度要求。在生物電阻抗測量和成像系統(tǒng)中，測量電極采集到的信號(hào)是對激勵(lì)信號(hào)的直接響應(yīng)，因此，激勵(lì)信號(hào)的幅值精度直接決定了生物電阻抗測量和成像系統(tǒng)的測量精度。具體的，應(yīng)使激勵(lì)信號(hào)的幅值誤差小于測量電路采用ADC的1LSB。當(dāng)進(jìn)行生物阻抗譜的測量時(shí)，需要激勵(lì)源工作于掃頻模式，此時(shí)高頻率分辨率保證了可以實(shí)現(xiàn)任意步長的掃頻模式。非接觸式檢測時(shí)，傳感器(感應(yīng)線圈)輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢是信號(hào)頻率的一次函數(shù)，信號(hào)頻率發(fā)生微小波動(dòng)時(shí)，會(huì)直接影響測量結(jié)果，因此要求信號(hào)源具有高的頻率精度和穩(wěn)定度。為了滿足上述通道相位補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性，也希望激勵(lì)信號(hào)的相位有較高的精度。

　　(3)激勵(lì)源輸出信號(hào)為電流信號(hào)，并對于待測生物組織呈現(xiàn)恒流特性。生物電阻抗測量和成像系統(tǒng)通過向人體注入激勵(lì)電流后，檢測組織內(nèi)部建立的電流場分布來獲得被測點(diǎn)的阻抗信息。激勵(lì)源的恒流特性可使其受電極未知接觸阻抗影響較小，減少負(fù)載阻抗在測量中引入的誤差。負(fù)載阻抗通常包括電極與皮膚的接觸阻抗、電極本身的阻抗以及待測生物組織阻抗，其中電極本身的阻抗一般約為0.1～3kΩ，待測生物組織的阻抗約為幾百千歐，因此通常需要激勵(lì)源電流輸出阻抗約為幾兆歐時(shí)，才會(huì)對生物組織呈現(xiàn)出較好的恒流特性。

　　(4)盡可能寬的激勵(lì)信號(hào)輸出范圍。目前，公認(rèn)的生物阻抗檢測特征頻率為50kHz，然而又有研究發(fā)現(xiàn)人體組織復(fù)阻抗的虛部包含著豐富的生理、病理信息，該虛部信息十分微弱，但其大小隨激勵(lì)信號(hào)頻率的提高而增強(qiáng)[6]，因此在某些檢測場合中希望激勵(lì)源可實(shí)現(xiàn)盡可能高的激勵(lì)頻率。