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的激勵源須滿(mǎn)足兩路以上同步輸出、高頻率精度、各路相位獨立可調、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激勵源的應用優(yōu)勢，設計了以AD9959為核心的用于生物阻抗測量或成像系統的恒流驅動(dòng)信號源。設計的信號源四通道輸出同步，頻率精度為0.0058Hz，各通道相位分別可調且最小步長(cháng)為0.022°，幅值分辨率可達9.8μA，控制方便，電路簡(jiǎn)單。

　　引言

　　生物電阻抗檢測和成像系統的目標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;對于非接觸式檢測方式，其硬件部分為微弱磁場(chǎng)測量系統。這兩種測量系統一般都由激勵源、電極、信號處理電路、A/D轉換電路和控制單元等部分組成。其中，激勵源的作用是提供直接作用于人體的電流或磁場(chǎng)激勵信號，其精度和穩定性對于整個(gè)測量系統的性能起著(zhù)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。

　　目前已有文獻報道的生物電阻抗檢測和成像系統的激勵源主要包括以下幾種：由PLD、可編程時(shí)鐘芯片和高速DAC組成的激勵源[2];由可編程信號發(fā)生器MAX038實(shí)現的激勵源[3];用FPGA實(shí)現的基于DDS(數字直接合成)原理的激勵源[4];以及采用現有專(zhuān)門(mén)的DDS集成芯片在DSP的控制下實(shí)現的激勵源[5]等。其中，基于DDS原理的FPGA實(shí)現方法與專(zhuān)門(mén)DDS集成芯片應用較為廣泛。相對而言，專(zhuān)門(mén)DDS集成芯片以其頻率穩定度高、分辨率高、調節方便、輸出范圍寬以及轉換速度快、相位噪聲低、與單片機、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對激勵源性能的特殊要求，闡述了DDS芯片AD9959在生物電阻抗測量和成像系統中的優(yōu)勢應用，隨后介紹了AD9959的使用方法，并設計了基于A(yíng)D9959的生物電阻抗測量系統的高性能激勵源電路。

　　生物電阻抗測量和成像系統對激勵源的特殊要求

　　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，對其激勵源部分有以下特殊要求：

　　(1)激勵和參考信號相位方便調整?，F有的生物電阻抗檢測和成像系統中，多數使用模擬鎖相解調的方法測量采集到的攜帶阻抗信息的電壓信號，此時(shí)激勵源不僅提供激勵信號，同時(shí)也提供用于鎖相解調的參考信號。而參考信號與激勵作用下傳感器產(chǎn)生的待測信號在進(jìn)入鎖相解調電路之前往往經(jīng)過(guò)不同的信號通路，通常都存在不同的相移，如不進(jìn)行補償，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(lái)測量誤差。尤其對于非接觸式阻抗測量和成像系統，由于激勵電極和測量電極其一或均為線(xiàn)圈，往往需要后接高階的濾波電路以濾除干擾，將造成待測信號與參考信號較大的相對相移，此時(shí)必須對參考信號相位進(jìn)行補償。調整DDS芯片參考信號通道的相位控制字為一種可行、可靠、有效的補償方式。

　　(2)對激勵信號幅值、頻率、相位的精度要求。在生物電阻抗測量和成像系統中，測量電極采集到的信號是對激勵信號的直接響應，因此，激勵信號的幅值精度直接決定了生物電阻抗測量和成像系統的測量精度。具體的，應使激勵信號的幅值誤差小于測量電路采用ADC的1LSB。當進(jìn)行生物阻抗譜的測量時(shí)，需要激勵源工作于掃頻模式，此時(shí)高頻率分辨率保證了可以實(shí)現任意步長(cháng)的掃頻模式。非接觸式檢測時(shí)，傳感器(感應線(xiàn)圈)輸出的感應電動(dòng)勢是信號頻率的一次函數，信號頻率發(fā)生微小波動(dòng)時(shí)，會(huì )直接影響測量結果，因此要求信號源具有高的頻率精度和穩定度。為了滿(mǎn)足上述通道相位補償的準確性，也希望激勵信號的相位有較高的精度。

　　(3)激勵源輸出信號為電流信號，并對于待測生物組織呈現恒流特性。生物電阻抗測量和成像系統通過(guò)向人體注入激勵電流后，檢測組織內部建立的電流場(chǎng)分布來(lái)獲得被測點(diǎn)的阻抗信息。激勵源的恒流特性可使其受電極未知接觸阻抗影響較小，減少負載阻抗在測量中引入的誤差。負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，因此通常需要激勵源電流輸出阻抗約為幾兆歐時(shí)，才會(huì )對生物組織呈現出較好的恒流特性。

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