DDS芯片AD9854在脉搏波阻抗谱测量中的应用

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1、DDS芯片AD9854在脉搏波阻抗谱测量中的应用1.引言生物阻抗技术是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术[1]，应用非常广泛[2-4]，但是常用的方法很难消除个体差异和测量条件对阻抗测量的影响。采用脉搏波阻抗谱法却能够有效地减小个体差异和测量条件对阻抗测量的影响，是一种很有前景的血液成分无创检测方法。但是采用脉搏波阻抗谱方法需要测量系统两路同频严格正交信号源，且信号频率在要求范围内程控可调，为实现快速准确测量脉搏波阻抗谱，不仅要求信号能工作在单频工作模式，而且还要求信号源能工作在跳频和扫频工作模式。根据应用领域的要求，为了

2、实现测量系统的高精度、多模式的需求，本文采用直接数字合成技术，以DDS芯片AD9854为核心设计了用于脉搏波阻抗谱测量系统的恒流驱动信号源。实验结果表明：采用AD9854，电路设计简单，工作可靠，容易实现频率调整，频谱稳定度和精确度以及相位误差完全满足测量系统的要求。2.脉搏波阻抗谱法2.1阻抗容积描记术生物阻抗技术是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术，通常使用的方法：振幅恒定的交变电流从激励电极馈入人体，测量电极间电压信号为U，可以得到阻抗。但是该方法中测量电极的阻抗和个体差异引起的误差较大。因此使用较少，现在相对比较好

3、的方法是阻抗容积描记。阻抗容积描记记录了由于人体不同截面之间容积改变引起的阻抗变化，广泛用于心输出量、

4、 压信号可血流量、肺功能和胃动力等的无创检测和血流变学研究[8]。因其用阻抗法反映血流变化，阻抗容积图又称之为阻抗血流图。根据阻抗血流图原理可以得到：(1)其中Z0表示人体基础阻抗。上式表明电阻抗的变化起因于血液容积的变化，而电阻抗变化量与血液容积变化量成正比，由此可以实现阻抗血流图的无创检测。虽然该方法在一定程度

5、上抑制了测量电极引起的误差，但是该方法却不能抑制个体差异和测量条件在脉搏波阻抗无创测量中的影响。2.2脉搏波阻抗谱法的提出ArteryBoneMuscleVein(b)(a)OtherTissuesBloodVessels由于人体组织的复杂结构和特性，从理论上或实践上都很难建立反映随生理活动而产生的电流密度分布变化和电场变化情况的精确模型。为此，通常使用简化的集总参数并联模型．肢体模型由肌肉组织、血液和骨头并联构成(图1a)。7图1肢体等效图这样，肢体的电特性可由肌肉包裹相互平行的圆柱状血管和骨头的结构近似表示。这种三成分并联结构，每个都有一电阻值，取决于其电阻率和长度与面积之比L

6、／A。血液相对于骨头具有更低的电阻率，因而它在从外部测量的电阻值中贡献最大，也即血液阻抗相对于外围组织要小得多[5]。对图3a进一步简化可以得到图3b，以此推导得到脉搏波阻抗谱无创测量的理论基础[6]，可以得到：(2)改变激励恒流源频率，i=1，2，3…N，可以测量得到不同频率下的阻抗脉搏波幅值：(3)这就是脉搏波阻抗谱。对于同一个人，同一段时间内而言，k值不变。利用脉搏波阻抗谱，在任意两个频率下阻抗脉搏波幅度分别为△Zfi,△Zfj,则其比值反映在脉搏波阻抗谱特性上。(4)即任意两个不同频率下阻抗脉搏波变化量的比值只取决于脉搏波阻抗特性。利用脉搏波阻抗谱的方法，不仅消除了测量电极

7、的影响，而且也消除了个体差异和测量条件的影响，即消去k。如果取激励信号的某个频率f0（可以是任意某一频率）的阻抗值作为基准，得到方程组：(5)由此可得到脉搏波阻抗谱的特性。3.系统设计3.1脉搏波阻抗谱的对信号源的要求脉搏波阻抗谱方法虽然消除了个体差异和测量条件的影响，但是对信号源的频率精度和频带宽度，正交相位差以及工作的模式提出了很高的要求。假如人体阻抗是R(t),馈入人体的恒流源为,则测量电极测量出的电压值为，其中θ与细胞膜有关的量，是阻抗谱中一个重要的变量。在单