夏军营，付峰，尤富生，史学涛

第四军医大学 生物医学工程学院，陕西 西安 710032

一种手持式阻抗血流图检测系统的设计

夏军营，付峰，尤富生，史学涛

第四军医大学 生物医学工程学院，陕西 西安 710032

本文介绍了一种手持式阻抗血流图检测系统的设计过程。该系统基于生物阻抗法，利用数字化的正交序列解调方法保证测量精度，采用模块化的设计方法提高系统的扩展能力，采用低功耗设计和无线数据传输增强系统的灵活性。样机的初步试验证明该系统运行稳定，可以对人体多个部位进行测量，而且具有低功耗和便携的特性。

手持式；生物阻抗；阻抗血流图；低功耗

0 前言

机旋转试验中的脑血流监测等[6]。其次，对测量信号的解调采用的是模拟电路的方法，响应时间过长，无法进行多通道的时分复用。目前许多应用中都需要进行两个或更多部位的测量[4]，单通道系统已经不能满足需要，如果多通道系统每个通道都必须有独立的解调电路，无疑会增加系统的成本、体积以及功耗。此外，还需要采取专门的定标等措施保证不同通道之间测量结果的一致性。

为解决这些问题，本文设计了一套由锂电池供电的低功耗、小体积、无线传输的手持式阻抗血流图检测系统，可以根据需要佩戴在受试者身上，不影响受试者的活动，便于开展相关检测与监护。此外，系统采用了在电阻抗断层成像数据采集系统中已经得到广泛应用的正交序列解调法[7]进行全数字的测量信号解调，以保证系统的测量精度，并对系统进行了模块化的设计，以便于向多通道系统的升级。

1 系统设计

1.1 阻抗血流图测量原理

阻抗血流图也称阻抗容积图（Impedance Plethysmogram），其基本原理是基于生物体容积变化时会引起的相应的电阻抗变化[5]。血液的流动是除呼吸以外引起生物体短时容积变化的主要原因。生物体组织的血流量随心动周期而变化，由于血液相比一般的生物体组织导电性要强，当某个部位血流增加时，其阻抗会随之降低，反之则阻抗增加。

若对人体特定部位施加恒定的电流激励，则响应电压随阻抗变化而变化，只要测得电压的改变即可反映出血管容积的变化，从而得到阻抗血流图。激励和测量电极置于人体的不同部位，如手腕、胸部、颈部和脑部等，就可以得到不同部位的阻抗血流图，反映相应部位的血液循环状态，进一步对其进行无损伤的功能评价[5]。

1.2 系统总体设计

生物电阻抗测量可以采用两电极法，也可以采用四电极法。四电极法相对于两电极法可以减少接触阻抗和极化电位的影响，测量结果更加可靠，因而本文采用的是四电极法。系统硬件主要包括数据采集器和主机无线数据接收器两个部分，总体结构框见图1。

图1 手持式阻抗血流图检测系统结构

手持式数据采集器采用锂电池供电，可以采集得到受试者被检部位的阻抗血流图数据，并可以通过无线模块进行发送上传。无线数据接收器接收到数据采集器发送来的阻抗血流图数据后，将其通过USB总线上传到PC主机上，由PC主机上的接收软件接收并存储以便于后续的分析和处理。

1.3 数据采集器

1.3.1 数据采集器的总体结构

图2 数据采集器结构示意图

手持式数据采集器是由微控制器、阻抗测量模块、人机接口模块（按键、液晶）、数据存储、无线传输与电源管理模块等构成，见图2。其中阻抗测量模块实现了基于四电极法的低功耗电阻抗测量功能。为一块独立的电路子板，其电源线、与微控制器通信的信号线以及四个电极信号线通过板级接插件连接到数据采集器的主电路板。四个电极信号再经由主电路板上的电极接口与连接到人体的电极相连，从而实现对人体电阻抗的测量功能。这样一来，以后只需要在主电路板的电极接口部分加入合适的模拟开关及其控制电路，即可由阻抗测量模块通过时分复用实现多个通道的测量。

经试用，该导航能在选定导航路线的时候提示该路线上的天气影响情况以及目的地的能见度、温度、风速等。但功能比较简单，缺少使用说明，信息的预报准确度有待验证。

数据采集器由锂电池供电，电源管理模块实现锂电池的充电管理和系统各模块的供电管理。为尽量降低功耗，整个硬件系统采用3.3 V单电源供电，各主要模块采用独立的供电通道，并可以由微控制器分别进行上、掉电控制。

系统使用16位、超低功耗单片机MSP430F247作为数据采集器的主控制器，实现阻抗测量模块的控制、测量数据的缓存和无线发送、人接交互接口的管理以及各模块的供电管理等功能。测量得到的电阻抗信息在存储器中进行缓存，并通过无线的方式实时或延时发送到PC主机。按键和液晶显示屏构成系统的人机交互界面，操作人员可以据此控制手持式数据采集器的工作。

系统选择大容量的串行DataFlash芯片AT45DB321D作为数据存储器，该芯片共有8192页，每页512字节。数据采集过程中，测量到的数据首先保存到数据存储器中，如果此时能够建立与主机无线数据接收器的无线连接，则再将数据通过无线连接进行发送；如果无法连接主机数据接收器，则数据暂时存放在数据存储器内，等到以后成功建立与主机之间的无线连接后，再将缓冲的数据依次发送到主机。

无线连接电路由工作频率2.4 GHz，数据速率为500 kbps的，具有低功耗特性的A7015芯片构成。该模块在空旷环境下的直线传输距离为100m，经过测试可以与室内或者隔壁的主机无线数据接收器建立无线连接，满足本系统对无线数据传输的需求。

1.3.2 阻抗测量模块

阻抗测量模块包括激励电路和测量电路，并采用一片32位的超低功耗ARM芯片STM32L151作为控制器，以实现阻抗测量过程中激励和测量电路的时序控制，并对采集到的波形数据进行正交序列解调以得到阻抗数据。其原理框图，见图3。

图3 阻抗测量模块原理框图

为便于以后向多通道系统升级，阻抗测量模块被设计

阻抗测量的激励信号由低功耗DDS波形发生芯片AD9834产生。AD9834可通过3线SPI接口进行控制，其输出信号频率连续可调，在75MHz的工作时钟下最高可达37.5MHz。系统中采用25.6MHz的工作时钟，激励信号选择为100 kHz的正弦信号。输出信号的幅度控制由外接的一片微功耗串行数模转换芯片AD5620完成。激励信号由DDS输出后经过4阶切比雪夫低通滤波器进行防镜像平滑滤波，得到较为纯净的正弦信号。然后采用改进的Howland压控流源转换为恒定幅度的电流激励信号，输出到正激励电极[8]。

由于系统采用单电源供电，激励信号实际上是以供电电压的一半，也就是1.65 V为中心上下波动的，为防止测量电极持续极化，负激励电极连接到1.65 V的虚拟地电平。

电流激励信号经正负激励电极作用于人体后，可以在正负测量电极上拾取电压响应信号。来自一对测量电极的信号经过缓冲后，进入低功耗数字可编程仪表放大器AD8231进行放大。AD8231的增益由1到128分8级可调，足以满足系统对信号放大的动态范围的需要。为消除直流和低频干扰的影响，AD8231的输入级采用交流耦合方式。

放大后的信号由16位高精度模数转换芯片AD7980进行采集。AD7980可以通过3线SPI接口进行控制，最高采样率为1Msps，实际应用中由于SPI接口速度的限制一般无法达到。为实现高精度的正交序列解调，需要一个信号周期内有较多的信号样点，直接采样方式难以满足要求。因而系统在STM32L151控制下采用相干采样的方式，以接近400 ksps的采样率通过多周期累计达到了每个信号周期获取128个样点的效果。

为保持测量与激励信号的同步，STM32L151与AD9834采用同源时钟，其工作频率也为25.6MHz。在上述工作频率和采样频率下，STM32L151可以实时的完成波形数据的正交序列解调，因而该模块进行阻抗测量的频率可达3kHz以上。实际工作中，阻抗测量由MSP430F247发起，完成一次测量后由STM32L151将解调后的阻抗数据发送给MSP430F247。即使考虑到控制和通信等额外时间开销，该模块的性能也足以满足多个通道时分复用的需求。

1.4 无线数据接收器

无线数据接收器通过USB接口与PC主机连接，并通过USB接口供电。无线数据接收器主要包括微控制器和无线模块两个部分，其原理框图如图1所示。控制器采用32位的ARM芯片STM32F103，该芯片内置USB控制器，可以方便的通过USB总线实现与PC的数据通讯。无线模块采用与数据采集器中相同的A7105无线模块。

本系统中，无线数据传输由手持式数据采集器启动，无线数据接收器作为服务器应答手持式数据采集器发送来的数据传输命令，并将通过无线模块接收到的测量数据通过USB接口传输到主机软件。

2 实验与分析

设计的数据采集器主电路板长宽分别仅为10cm和5.6cm，插入阻抗测量子板后总高度约为1cm，体积小巧，足以满足手持式系统的要求。系统设计完成后首先进行了功耗测试。采用1100mA锂电池供电，接入249Ω纯电阻负载，打开无线发送，系统以2 kHz的阻抗测量速率的连续工作时间可达13h以上。由此可以说明该系统的低功耗设计是很成功的。

为验证系统的测量性能，进行了初步的人体试验，并分别在胸部（前胸）和脑部（额头）进行了测试。测量时四个电极呈一字排列，激励电极在外侧，测量电极在内侧。为进一步降低噪声干扰，在Matlab中对测得的原始波形数据进行了带通滤波处理，获得的血流波形，见图4。其中A、B分别为在胸部和脑部进行测量得到的血流信号波形图。由于胸部的血流信号较强，而脑部的血流信号很弱，波形A的幅度实际上比波形B大了10倍以上，图中为显示需要对波形B进行了放大处理。可以看出该系统在胸部和脑部都能获取较为完整的血流信号波形，可以满足人体不同部位的血流信号检测需要。

图4 人体胸部和脑部的血流信号波形图

3 结论

本文采用数字正交序列解调方法，设计实现了一种锂电池供电的手持式阻抗血流信号检测系统，体积小巧、功耗很低，而且实现了测量数据的无线传输。系统可以对人体不同部位的血流信号进行检测，并可以随人体自由移动，能够满足各种不同场合下的应用需求。此外，该系统很容易升级为多通道测量系统，以适应更复杂的应用需求。

不过，实验中也发现，由于脑部的血流信号过于微弱，测得的原始波形数据中高频噪声的幅度已经与血流信号本身的幅度相差不大，因而为能更好的对脑部血流信号进行测量，系统的精度还需要进一步提高。

[1]任超世,沙洪,王妍.阻抗血流图测量方法的发展与提高[J].中国医学装备,2005,2（4）：37-40.

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[3]方艳红,赵海龙,赵曙光,等.便携式心阻抗血流动力监测系统研究[J].微计算机信息,2008,24（10）：166-168.

[4]吴兵,武文芳.双通道血流容积测量系统的设计与实现[J].北京生物医学工程,2005,24（4）：280-283.

[5]杨玉星,束美霞,罗洁,等.基于小型电极的新型阻抗血流图测量系统的研究[J].航天医学与医学工程,2006,19（3）：208-211.

[6]朱超,孙喜庆,姚永杰,等.三周间断性短臂离心机+Gz暴露和运动负荷对人体心功能的影响[J].航天医学与医学工程,2009, 22（2）：162-168.

[7]史学涛,董秀珍,秦明新,等.用于电阻抗多频及参数成像数据采集系统的正交序列解调法[J].第四军医大学学报,2000,21（7）：164-167.

[8]Bertemes-Filho P,Brown BH,Wilson AJ.A comparison of modified Howland circuits as current generators with current mirror type circuits[J].Physiol Meas,2000,21（1）：1-6.

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

军队课题（AWS14C006，CWS12J102）；国家自然科学基金课题（51477176）；国家科技支撑计划课题（2011BAI08B13）。

付峰，教授，博士生导师。

通讯作者邮箱：fengfu@fmmu.edu.cn

阻抗血流图是利用生物电阻抗技术提取与人体生理、病理状态相关的血液动力学信息的一种方法[1]。虽然由于一些理论性问题尚未得到完全阐明，使其未能像心电图、CT影像等一样成为主流的临床检查方法，但是其凭借着无创、廉价、安全、操作简单和可以连续监测等特点，在国内外的临床检查和实验研究中已经得到了深入的发展和广泛的应用，目前已成为生物医学工程的一个分支[2]。

近年来，医疗设备的小型化、便携化已经成了一种趋势。阻抗血流图以其简单、廉价的固有特点在这方面具有先天的优势，目前已经有研究人员进行了这方面的尝试[3-5]。但是，这些系统还存在一些明显的不足之处。首先，系统功耗未能得到有效控制，仍然需要专门的供电电源或由USB接口提供电源，并且需要专门的线缆用于数据传输。这就限制了系统随人体自由移动的灵活性，从而无法在一些特殊的应用场合使用，如用于飞行员训练和选拔的短臂离心