基于FPGA的人体阻抗测量系统研究与实现

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人体的细胞液由细胞内液和细胞外液组成,在健康状态下,细胞内外液维持着动态上的平衡。当人体患有某种疾病时,如肾病,细胞内外液水含量将会失衡,从而导致人体出现脱水或者水肿的症状。生物电阻抗技术是利用电学的方法测量人体水分,以此来提取人体的生物电阻抗信息,并根据这些信息来反映人体的生理或病理信息的技术。人体阻抗的测量方式是通过恒流源向人体施加安全激励电流,并采集人体反射回来的电压与电流信号来计算人体的阻抗值。该方法无创无害,且简单廉价,因此在医学领域得到广泛应用。在测量过程中需要采用微控制器产生信号并且进行数据处理,而基于FPGA平台对此进行研究与实现是利用了FPGA能够并行处理数据的优势,在进行信号处理的同时,可以与其他逻辑电路或乘法器一起工作,从而缩短了运行时间。由于目前对人体阻抗测量系统的研究中,当系统工作在高频段如500KHz以上时,测量结果仍有较大失真,本文针对该问题进行了硬件电路与软件算法的研究与设计,使其在高频区间的测量精度得到优化。主要工作内容如下:(1)本文中总结了人体阻抗测量系统的研究方法,从生物电阻抗的原理入手,讲述了其研究方法的理论支撑。分析了弗莱贝尔加等效电路模型、斯爱得巴姆等效电路模型和毕格麦亚等效电路模型之后,根据本文所设计系统的特点确定了等效电路模型,使系统更加便于计算出细胞膜的容值和细胞内外液的阻值;明确了四电极测量方法,该方法使用差分输入的方式采集人体反射电压信号,提高了信号精度,去除了共有的误差干扰,使系统具有更强的抗干扰能力。(2)根据人体细胞的阻容特性设计了扫频模式的电流激励信号,有效缩短了测量时间并避免了系统工作频率过高所造成的幅值衰减。该扫频信号的频率范围为1KHz~1MHz。(3)对该系统的硬件电路部分进行了设计,包括恒流源电路,电压采集电路,电流采集电路和线性放大电路等模块,并对电路的各项参数进行了仿真比较,最终使恒流源的输出阻抗最低保持在352KΩ以上,解决了恒流源因在高频信号下输出阻抗减小而造成测量结果失真的问题;通过在电路的反馈输入端添加运放的方式减少反馈端分流,并且在输出端加入屏蔽驱动电路,使其在后面的板级调试中,恒流源电路的输出线性误差在2.8%以下,即在实际应用中,电路具有良好的抗干扰能力。(4)设计了本系统的软件部分。包括异步FIFO的设计、基于UART协议的数据传输模块设计和相敏检波算法设计。在相敏检波算法设计部分对该算法进行了理论推导和算法仿真。仿真数据结果表明,预设相位差与计算相位差最高误差为0.013°,预设幅值与计算幅值最高误差为2.27%。由此可见,该算法在计算复阻抗信号的幅值和相位时具有较高的精度。将算法在FPGA中进行代码实现后将得出的幅值和相位结果通过UART模块传输给PC端。(5)本文对所设计的电路和算法进行整体系统的验证。在系统的工作性能和精度测试方面,对已知的一个阻抗值确定的电路模型进行测试,实验表明本系统对测试阻抗的幅值平均误差为1.15%,相位平均误差为0.30°。进而对三名年龄体型相仿的志愿者进行人体阻抗测量,对各个频率下的人体阻抗值进行计算。
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