孟祥全 俞夢(mèng)孫 楊松巖 北京航空航天大學(xué) 生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 （北京 100083）

肝臟是人體最大的內(nèi)臟器官，也是人體最大的代謝器官。肝臟的血液循環(huán)狀態(tài)，可以用來(lái)判斷肝臟的功能以及肝臟的病理變化。肝血流圖是一種無(wú)損傷性檢查肝臟供血和血管機(jī)能的一種方法，通過(guò)測(cè)定肝區(qū)組織對(duì)高頻電流的阻抗變化，以反映肝臟的血液循環(huán)狀態(tài)，借以判斷肝臟血管功能及肝臟質(zhì)地的病理變化，有助肝臟疾病的診斷，如對(duì)慢性肝炎、肝硬變及肝癌的診斷和定位[1]。

本文采用ADI最新的復(fù)阻抗模擬前端設(shè)計(jì)了高性能低功耗肝血流圖系統(tǒng)，極大的提高了肝血流圖的精度，充分展現(xiàn)了肝血流圖的細(xì)節(jié)。

1.血流圖的測(cè)量原理

生物體組織的等效電路模型如圖1所示[2,3]，其中電容C主要代表了細(xì)胞膜的容抗，R1代表了細(xì)胞外液的阻抗，R2代表了細(xì)胞內(nèi)液的電阻。根據(jù)等效電路即可得出生物組織是一個(gè)復(fù)阻抗單元。

對(duì)于未知物體等效電抗，需要采用掃頻的方式得出被測(cè)物體在不同頻率下電壓電流的關(guān)系，利用傅里葉變換求出被測(cè)阻抗的實(shí)部和虛部[4]。

圖1.生物組織阻抗模型

肝血流圖是心動(dòng)周期中心臟和大血管中的血流搏動(dòng)通過(guò)肝臟組織傳至體表的阻抗變化，是容積搏動(dòng)波，它是以高頻定值微弱電流通過(guò)肝臟來(lái)測(cè)定肝組織的阻抗。血液是較好的導(dǎo)電體，隨著心臟的跳動(dòng)血液在肝臟血管中呈搏動(dòng)性的流動(dòng)，肝臟的電阻抗也發(fā)生周期性的增減變化。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肝血流阻抗測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖2所示。使用Analog Devices公司的復(fù)阻抗模擬前端AD5941[5]和超低功耗微控制器ADuCM3029[6]為主要電路。并通過(guò)5kV隔離USB ADuM4160[7]和上位機(jī)PC通訊，以便進(jìn)一步滿足醫(yī)療設(shè)備的安全要求。上位機(jī)使用LabView軟件設(shè)計(jì)界面顯示和測(cè)量控制。

圖2.肝血流阻抗測(cè)量系統(tǒng)框圖

圖3.AD5941肝血流圖激勵(lì)和測(cè)量連接圖

2.1 阻抗模擬前端電路

AD5941集成了低帶寬低功耗測(cè)量AFE環(huán)路，和高帶寬高性能測(cè)量AFE環(huán)路兩部分。內(nèi)部集成12-bit DAC產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)頻率到200kHz，可以充分滿足阻抗血流測(cè)量的激勵(lì)頻率要求。16-bit，800kSPS的SAR ADC以及點(diǎn)數(shù)可設(shè)置調(diào)整的離散傅里葉變換計(jì)算引擎，可以降低處理器的負(fù)擔(dān)。

AD5941的PGA內(nèi)部AIN2和AIN3輸入共模電阻為10MΩ，人體軀干部位阻抗約幾十歐姆。相比于待測(cè)的人體阻抗，可以確保大部分電流流過(guò)人體的待測(cè)部位。10MΩ的阻抗也確保PGA的輸入電壓近似于待測(cè)部位的電壓A和B。這樣大大減小了電極和人體接觸阻抗RACCESS對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響，同樣也降低了測(cè)量導(dǎo)聯(lián)線阻抗對(duì)測(cè)量的影響。AD5941肝血流圖激勵(lì)和測(cè)量連接圖見圖3。

2.2 數(shù)據(jù)處理和上位機(jī)顯示設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理單元采用Analog Devices公司的超低功耗ARM Cortex-M3微控制器ADuCM3029做為控制器，通過(guò)SPI接口對(duì)AD5941進(jìn)行控制。并通過(guò)5kV隔離USB轉(zhuǎn)UART接口和上位機(jī)PC通訊，以便進(jìn)一步滿足醫(yī)療設(shè)備的安全要求。上位機(jī)使用LabView軟件設(shè)計(jì)界面顯示和測(cè)量控制，可以實(shí)現(xiàn)更改激勵(lì)電流信號(hào)頻率和血流圖波形存儲(chǔ)等功能。肝血流圖測(cè)量GUI界面見圖4。

圖4.肝血流圖測(cè)量GUI界面

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證肝臟血流圖系統(tǒng)的測(cè)量精度，分別測(cè)試了系統(tǒng)的接觸阻抗誤差、純電阻的測(cè)量精度和純電容的測(cè)量精度。

3.1 接觸阻抗誤差

復(fù)阻抗系統(tǒng)在測(cè)量人體時(shí)，皮膚接觸阻抗和導(dǎo)線阻抗容易引入誤差[8,9]。設(shè)置激勵(lì)電流在100μA，PGA在1倍，分別使用10kHz，30kHz和50kHz三個(gè)激勵(lì)頻率測(cè)量100Ω電阻的阻抗。使用精度5%的電阻模擬接觸阻抗，分別選擇0Ω，100Ω，470Ω，1000Ω，1400Ω的電阻。測(cè)量結(jié)果如圖5。由接觸阻抗引起的誤差在±0.2%范圍內(nèi)。

圖5.接觸阻抗誤差

圖6.電阻相對(duì)測(cè)量精度

圖7.電阻噪聲有效值

圖8.電容相對(duì)測(cè)量精度

圖9.電容噪聲有效值

3.2 電阻電容相對(duì)測(cè)量精度

設(shè)置激勵(lì)電流在425μA，使用PGA增益為9倍測(cè)量一個(gè)100Ω精度0.5%的電阻。使用變異系數(shù)[10]，即測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差和均值的比來(lái)評(píng)估系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的離散程度。測(cè)量時(shí)使用激勵(lì)500μA激勵(lì)電流，激勵(lì)信號(hào)頻率從5kHz開始并以5kHz的步進(jìn)測(cè)量到50kHz。結(jié)果如圖6所示。在5～50kHz激勵(lì)信號(hào)范圍內(nèi)，相對(duì)精度可以達(dá)到-93dB。5～20kHz激勵(lì)信號(hào)范圍內(nèi)，相對(duì)精度可以高達(dá)到-100dB。

統(tǒng)計(jì)1000點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的噪聲有效值，結(jié)果如圖7所示。可見，在5～50kHz激勵(lì)信號(hào)范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果的噪聲有效值為2mΩ。

使用激勵(lì)電流頻率從30kHz以5kHz的步進(jìn)測(cè)量到50kHz，測(cè)試5.6nF電容，相對(duì)測(cè)量精度和噪聲有效值分別如圖8（相對(duì)精度最高可達(dá)-97dB）和圖9所示（噪聲有效值最低可達(dá)50mΩ）。

4.結(jié)論

高精度肝血流圖測(cè)量系統(tǒng)可以獲得臨床需要的重要細(xì)節(jié)，本系統(tǒng)對(duì)100Ω的相對(duì)測(cè)量精度達(dá)到100dB，噪聲有效值達(dá)到2mΩ；對(duì)5.6nF的電容測(cè)量相對(duì)精度達(dá)到97dB，同時(shí)在對(duì)100Ω電阻進(jìn)行測(cè)量時(shí)，對(duì)于1400Ω接觸電阻的誤差抑制在0.2%以內(nèi)，同時(shí)在保證測(cè)量精度的情況下激勵(lì)電流可以設(shè)置在425μA以下，極大的保證了人體測(cè)量的安全性，達(dá)到了復(fù)阻抗測(cè)量方面的先進(jìn)水平。

[1]周良楣.實(shí)用肝血流圖[M].太原:山西醫(yī)藥雜志編輯部,1983.

[2]任超世.生物電阻抗測(cè)量技術(shù)[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息,2004,10(1):21-25.

[3]班東坡.人體電阻抗測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].天津:天津大學(xué),2003.

[4]Electrical impedance tomography (EIT) system, optimized for imaging brain function[J].Physiological Measurement,2002,31(1):149-158.

[5]Analog Devices.AD5940/41 High Precision, Bio- Impedance & Electrochemical Front End[S].2017.

[6]Analog Devices.ADuCM3029 datasheet[S].2017.

[7]Analog Devices.ADuM4160 datasheet[S].2012.

[8]J.Nyboer.Electrical Impedance Plethysmography[M].2nd, ed.Spring field, Charles C, Thomas,1970:37-52.

[9]Yerworth RJ, Bayford RH, Cusick G, et al.Design and performance of the UCLH mark 1b 64 channel electrical impedance tomography (EIT) system, optimized for imaging brain function[J].Physiological Measurement,2002,23(1):149-158.

[10]霍旭陽(yáng),尤富生, 史學(xué)濤,等.一種高精度生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2007,28(6):994-998.