孟祥全 俞夢孫 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)，可以用來判斷肝臟的功能以及肝臟的病理變化。肝血流圖是一種無損傷性檢查肝臟供血和血管機能的一種方法，通過測定肝區(qū)組織對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復(fù)阻抗單元。

對于未知物體等效電抗，需要采用掃頻的方式得出被測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阻抗的實部和虛部[4]。

圖1.生物組織阻抗模型

肝血流圖是心動周期中心臟和大血管中的血流搏動通過肝臟組織傳至體表的阻抗變化，是容積搏動波，它是以高頻定值微弱電流通過肝臟來測定肝組織的阻抗。血液是較好的導(dǎo)電體，隨著心臟的跳動血液在肝臟血管中呈搏動性的流動，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

肝血流阻抗測量系統(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5kV隔離USB ADuM4160[7]和上位機PC通訊，以便進(jìn)一步滿足醫(yī)療設(shè)備的安全要求。上位機使用LabView軟件設(shè)計界面顯示和測量控制。

圖2.肝血流阻抗測量系統(tǒng)框圖

圖3.AD5941肝血流圖激勵和測量連接圖

2.1 阻抗模擬前端電路

AD5941集成了低帶寬低功耗測量AFE環(huán)路，和高帶寬高性能測量AFE環(huán)路兩部分。內(nèi)部集成12-bit DAC產(chǎn)生激勵信號頻率到200kHz，可以充分滿足阻抗血流測量的激勵頻率要求。16-bit，800kSPS的SAR ADC以及點數(shù)可設(shè)置調(diào)整的離散傅里葉變換計算引擎，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。相比于待測的人體阻抗，可以確保大部分電流流過人體的待測部位。10MΩ的阻抗也確保PGA的輸入電壓近似于待測部位的電壓A和B。這樣大大減小了電極和人體接觸阻抗RACCESS對測量帶來的影響，同樣也降低了測量導(dǎo)聯(lián)線阻抗對測量的影響。AD5941肝血流圖激勵和測量連接圖見圖3。

2.2 數(shù)據(jù)處理和上位機顯示設(shè)計

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SPI接口對AD5941進(jìn)行控制。并通過5kV隔離USB轉(zhuǎn)UART接口和上位機PC通訊，以便進(jìn)一步滿足醫(yī)療設(shè)備的安全要求。上位機使用LabView軟件設(shè)計界面顯示和測量控制，可以實現(xiàn)更改激勵電流信號頻率和血流圖波形存儲等功能。肝血流圖測量GUI界面見圖4。

圖4.肝血流圖測量GUI界面

3.實驗結(jié)果

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

3.1 接觸阻抗誤差

復(fù)阻抗系統(tǒng)在測量人體時，皮膚接觸阻抗和導(dǎo)線阻抗容易引入誤差[8,9]。設(shè)置激勵電流在100μA，PGA在1倍，分別使用10kHz，30kHz和50kHz三個激勵頻率測量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.電阻相對測量精度

圖7.電阻噪聲有效值

圖8.電容相對測量精度

圖9.電容噪聲有效值

3.2 電阻電容相對測量精度

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

統(tǒng)計1000點測量結(jié)果的噪聲有效值，結(jié)果如圖7所示?？梢姡?～50kHz激勵信號范圍內(nèi)，測量結(jié)果的噪聲有效值為2mΩ。

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

4.結(jié)論

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

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

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

[3]班東坡.人體電阻抗測量系統(tǒng)設(shè)計[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,尤富生, 史學(xué)濤,等.一種高精度生物電阻抗測量系統(tǒng)的設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報,2007,28(6):994-998.