摘要：为获得同一时刻、不同频率下的生物阻抗信息，设计了基于虚拟仪器的混频生物阻抗测量系统。该系统硬件平台由自主开发的信号源模块和信号调理模块以及NI公司的PCI-6111板卡组成.对混频激励下阻抗信息的提取方法进行了研究。提出了基于虚参考点的数据采集方法，利用LabVIEW实现数据的采集、分析处理、显示和存储等，大大提高了开发效率。通过与Agilent4294A阻抗分析仪进行比对，证明该系统具有较高的测量精度和准确性
关键词：虚拟仪器；生物阻抗测量;数字解调
医学研究表明，生物体各个组织(器官)具有不同的阻抗特性，而且一些病理现象和生物活动均会引起生物体组织阻抗的变化，因此生物组织阻抗携带着丰富的病理和生理信息。通过测量生物阻抗值，分析和研究生物体的病理和生理状况，在临床上具有很高的实用价值。
虚拟仪器作为一种新型仪器，改变了传统仪器的使用方式，它建立在有限的硬件基础上，融合了计算机强大的硬件资源，通过软件编程实现仪器的各种功能．具有灵活性、可扩展性、缩短开发时间和使系统集成简单化等特点．本系统采用虚拟仪器技术，可以根据设计需要增减仪器的功能，提高了仪器性能，并便于各种算法的实现．
1 混频激励下生物阻抗测量原理
生物阻抗测量技术通常是借助置于体表的激励电极向被测对象施加微小的交变电流(或电压)信号，同时通过测量电极检测组织表面的电压(或电流)信号，由所测信号计算出相应的电阻抗及其变化量．因为电流源激励模式受未知接触阻抗的影响小且加到电极的电流幅值容易控制，不致引起安全问题，所以本系统采用电流激励、电压测量方式.
早期，生物阻抗测量采用单频率全身阻抗测量法，通过测量人体总阻抗，利用各种经验公式计算人体水分总含量(TBW)．但是根据人体的几何形状特性，在躯干中相同的质量变化所产生的阻抗变化会远小于其在肢体中的变化，而且由于人体体形的个体差异，会产生较大的误差．后来针对上述问题，采用单频率分段测量法，但获得信息较少，操作的可行性差．目前较理想的方案是多频率生物阻抗分析．国内外学者已开展了这方面的研究，如美国Alaba-ma大学的Sufia Islam等人利用阻抗分析仪将1Hz～1．348MHz频率范围内的多频率分析技术与HPLC和SP方法进行了对比研究；英国的NI Pa-ton用该项技术分析了HIV病毒感染者的人体水分总含量(TBW)和细胞外液体积(ECW)，等等．第三军医大学的殷均斐等人研制了阻抗法人体成分测量装置，设计了1～100 kHz之间5个频点．
根据生物组织频率阻抗特性，在β频散段内(10 kHz～10 MHz)，细胞膜电容基本稳定，随着频率的增加，膜电容的容抗减小，外加电流由低频时绕过细胞膜流经细胞外液到高频时穿过细胞膜流经细胞内外液.当前的多频率阻抗测量的研究一般采用阻抗分析仪分别测量不同频点的人体阻抗，然后进行计算研究．由于生物体是动态的，不同时刻不同频率下的阻抗值，并不能反映同一时刻的生物体特征，因此，本系统采用两种不同频率的混频激励方式，在高低不同频段获得同一时刻生物阻抗信息．
1．1 正交数字解调法
为了同时获得高频和低频信号激励下人体复阻抗的值，将高频和低频信号混合后作为激励信号，实现混频激励．混频激励下阻抗信息提取采用正交数字解调法.其原理如下：
假设激威信号含有n个频率成分，其幅值分别为Bi，频率为ki×f(f为基准频率，即采样频率和信号所包含频率的公约数)(i=0，1，…，n-1)，将其施加到被测对象上，采样频率为f=N×f(N>2max(k0，k1，…，kn-1))，对不同频率对应信号均匀采样qi个周期，则总采样点数为M=(N／ki)×qi,可得序列
式中：｜Zi｜为对应第i个频率成分时阻抗的模值；ψi为对应第i个频率下阻抗的相角；j=0，1，…，M-1．构造同相和正交参考信号序列
由于N和Bi已知，由式(4)(5)可求出相应频率下复阻抗的模值和相角．
1．2 虚参考点法
正交数字解调法只有在保证激励电流与参考信号同相位的基础上，才能够得到复阻抗实部和虚部的精确值．而数字解调中的参考信号为构造的三角函数，很难做到和激励电流同相位，并且实际系统中,由于各种因素的影响激励电流(通过导线,负载变化等)也会产生相移，造成系统误差，而流经被测电阻的电流信号又很难提取．针对上述问题，提出了虚参考点方法．在人体被测电阻抗的回路中串联一个已知阻抗特征的纯阻性参考电阻，激励电流的相移以及激励电流和参考信号的相位差均可由参考电阻求得，从而消除了因此引入的误差．图1为虚参考点实现过程示意图.
图1中Zx为被测电阻抗；Rr为参考电阻；AxAr，ax，ar分别为Vx和Vr的幅值和相角．
设激励电流为I,则
利用这种虚参考点方法，实际系统中激励电流信号I的相移以及激励电流和参考信号之间的相位差可通过已知纯电阻Rr求得，因此，ax-ar消除了由此引入的误差．
2 硬件系统设计
硬件系统由信号源模块、信号调理模块、A／D采集卡、电源模块以及通讯接口单元等部分组成，系统结构如图2所示
A／D采集卡采用NI公司的PCI-6111多功能数据采集卡，该采集卡为PCI接口，具有两通道模拟输入，两通道模拟输出，八通道数字输入输出和两路计数器输入输出．模拟输入转换精度可达到12位，最高采样速率为5 MHz／s，可以满足系统设计要求.软件系统通过模拟输入将调理后的测量信号转换为数字信号送入PC机中；通过数字I／O产生控制信号，送入信号调理模块.
系统工作时，首先由信号源模块产生要求的电流激励信号，然后将激励信号加在被测目标上，响应信号经信号调理模块进行预处理(放大，滤波)后，由PCI-6111转换成数字信号送入PC机，完成计算、分析处理、显示和存储等功能．
2．1 信号源模块
信号源模块产生混频激励电流信号，该模块内嵌单片机，可通过RS-232接口接收由计算机发出的配置信息；模块具有掉电保护功能，配置信息存于EEPROM中，单片机根据配置信息，控制正弦信号发生器产生设置的正弦电压信号，经电压控制电流源(VCCS)变为电流激励信号，旅加于测量对象．
信号发生器是系统的一个重要组成部分．系统要求正弦波信号波形失真小、幅值稳定，且必须具有频率、幅值、相位可调节的功能．本系统采用两片具有50 MHz时钟频率的直接数字合成芯片AD7008配以相应的接口电路及放大、滤波电路构成信号发生器．这两路正弦波可设定各自的频率、幅值和相位，由单片机进行控制，通过合理使用AD7008的LOAD功能及同一个晶振，可确保两路正弦波信号以准确的相位差输出．通过跳线的设置可实现加法混频和单频激励．
利用AD844第二代电流传输器功能设计了电压控制电流源。负责将电压信号转换为电流激励信号，该电压控制电流源在1MHz频率下，输出阻抗达239 kΩ．
2．2 信号调理模块
由测量电极获取的信号均为毫伏级微弱电压信号，在传输过程中容易耦合大量的噪声，使有用信号的提取变得困难.因此需要对其进行信号预处理．通过差分运算放大器，消除共模干扰，然后根据信号的强弱，利用THS7002可编程增益放大器将信号进行适当放大，再经抗混叠滤波器处理后．送到A／D采集卡，完成信号的调理．
3 软件系统设计
上位机软件利用图形化编程语言LabVIEW实现，运用模块化编程思想，将其分为以下几个模块：①激励源设置模块；②PGA控制模块；③数据采集模块；④数据显示模块；⑤数据存储模块；⑥数据处理模块；⑦阻抗信息提取模块.
本文中介绍的混频激励下阻抗信息提取方法流程如图3所示．两通道采样信号经解调后进入虚参考点计算模块，得出被测阻抗的模值和相角.
4 实验结果
为检验系统的测量精度及准确性，在1000 kHz和50kHz两个频率混频激励下对系统进行测试，其结果与具有0．05％精度Agilent4294A阻抗分析仪的测量结果进行比较，如表1所示．
采用Cole-Cole三元件模型，用阻容元件模拟人体阻抗特性.
5 结论
设计了基于虚拟仪器的混频生物阻抗测量系统，实现了混频激励下阻抗信息的提取，针对系统中激励电流易产生相移的问题，设计了虚参考点方法，并用LabVIEW语言在PC机上编程实现．通过与Agilent4294A阻抗分析仪进行对比．证明该系统具有较高的测量精度及准确性．
