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)的激勵源須滿足兩路以上同步輸出、高頻率精度、各路相位獨立可調(diào)、輸出為恒流性質(zhì)等特殊要求，本文分析了多核共用時鐘的DDS芯片作為生物電阻抗測量和成像系統(tǒng)激勵源的應(yīng)用優(yōu)勢，設(shè)計了以AD9959為核心的用于生物阻抗測量或成像系統(tǒng)的恒流驅(qū)動信號源。設(shè)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(diào)且最小步長為0.022°，幅值分辨率可達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)一般都由激勵源、電極、信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和控制單元等部分組成。其中，激勵源的作用是提供直接作用于人體的電流或磁場激勵信號，其精度和穩(wěn)定性對于整個測量系統(tǒng)的性能起著決定性的作用。同時，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(tǒng)的激勵源主要包括以下幾種：由PLD、可編程時鐘芯片和高速DAC組成的激勵源[2];由可編程信號發(fā)生器MAX038實現(xiàn)的激勵源[3];用FPGA實現(xiàn)的基于DDS(數(shù)字直接合成)原理的激勵源[4];以及采用現(xiàn)有專門的DDS集成芯片在DSP的控制下實現(xiàn)的激勵源[5]等。其中，基于DDS原理的FPGA實現(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、DSP等通訊方便等特點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)計了基于AD9959的生物電阻抗測量系統(tǒng)的高性能激勵源電路。

　　生物電阻抗測量和成像系統(tǒng)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(tǒng)，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(diào)整?，F(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，此時激勵源不僅提供激勵信號，同時也提供用于鎖相解調(diào)的參考信號。而參考信號與激勵作用下傳感器產(chǎn)生的待測信號在進入鎖相解調(diào)電路之前往往經(jīng)過不同的信號通路，通常都存在不同的相移，如不進行補償，該相移就會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，將造成待測信號與參考信號較大的相對相移，此時必須對參考信號相位進行補償。調(diào)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(tǒng)中，測量電極采集到的信號是對激勵信號的直接響應(yīng)，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(tǒng)的測量精度。具體的，應(yīng)使激勵信號的幅值誤差小于測量電路采用ADC的1LSB。當(dāng)進行生物阻抗譜的測量時，需要激勵源工作于掃頻模式，此時高頻率分辨率保證了可以實現(xiàn)任意步長的掃頻模式。非接觸式檢測時，傳感器(感應(yīng)線圈)輸出的感應(yīng)電動勢是信號頻率的一次函數(shù)，信號頻率發(fā)生微小波動時，會直接影響測量結(jié)果，因此要求信號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償?shù)臏蚀_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(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電流后，檢測組織內(nèi)部建立的電流場分布來獲得被測點的阻抗信息。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，才會對生物組織呈現(xiàn)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(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，但其大小隨激勵信號頻率的提高而增強[6]，因此在某些檢測場合中希望激勵源可實現(xiàn)盡可能高的激勵頻率。