基于multisim11仿真的生物醫(yī)學(xué)工程課程設(shè)計：人體阻抗測量參考模板

1、課程設(shè)計報告人體阻抗測量引言 本課程設(shè)計探索了一種人體阻抗測量系統(tǒng)，以及通過此系統(tǒng)分析人體阻抗特性。本設(shè)計采用由一對激勵電極及一對敏感電極組成的四電極結(jié)構(gòu), 用文氏電橋振蕩器產(chǎn)生 50 kH z 的正弦波信號, 經(jīng)過一定的削減，施加在與人體皮膚接觸的激勵電極對上,通過測量敏感電極對的電壓, 實現(xiàn)人體生物阻抗的檢測, 可望有效克服接觸電阻抗以及空間電磁波的干擾。multisim軟件仿真結(jié)果表明, 這種測量系統(tǒng)在測量結(jié)果的線性 、穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性等方面的性能可滿足人體成分測量的要求。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)

2、計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。Multisim 被美國NI公司收購以后，其性能得到了極大的提升。最大的改變就是：Multisim 9與LABVIEW 8的完美結(jié)合：（1）可以根據(jù)自己的需求制造出真正屬于自己的儀器；（2）所有的虛擬信號都可以

3、通過計算機輸出到實際的硬件電路上; (3) 所有硬件電路產(chǎn)生的結(jié)果都可以輸回到計算機中進行處理和分析。如此，學(xué)員可以很好地、很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來。并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。極大地提高了學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情和積極性。真正的做到了變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。1、 人體阻抗模型及其測量的意義：人體的基本構(gòu)造單位是細胞。細胞被一層具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的半透性膜所包被，稱作細胞膜或質(zhì)膜，它允許某些物質(zhì)有選擇地通過，同時又嚴(yán)格地保持細胞內(nèi)物質(zhì)成分的穩(wěn)定。由于細胞膜的存在，人體組織的阻抗特性可由圖1 所示的等效電路表示。其中Re，Ri和Ci分別為細胞外液電阻，細胞內(nèi)

4、液電阻和細胞膜電容。人體阻抗是包括人體皮膚、血液、肌肉、細胞組織及其結(jié)合部在內(nèi)的含有電阻和電容的全阻抗，如圖2所示。皮膚表面0.050.2mm厚的角質(zhì)層電阻值很高。在干燥和干凈的狀態(tài)下，其電阻率可達105 106·m。但因其不是一張完整的薄膜，又很容易受到破壞，故計算人體阻抗時一般不予以考慮。人體各部分阻抗大小對比如表1所示。遭受突然的生理刺激時，人體阻抗可能明顯降低。便攜式人體健康狀況檢測儀受到越來越多的重視, 該類儀器中人體成分檢測占據(jù)極其重要的地位, 例如脂肪、水分檢測儀等。 目前存在的測量人體成分的方法主要有生物電阻抗法、水重法、同位素稀釋法以及雙能量X光吸收法等。其中，生物

5、電阻抗分析法(BIA ： Bioelectrical impedanceanalysis)具有無創(chuàng)、簡便、廉價、可靠的獨特優(yōu)點, 醫(yī)生和病人都易于接受，并且這種方法測量人體成分的可行性已經(jīng)得到大量實驗結(jié)果的驗證。生物阻抗技術(shù)的真正優(yōu)勢或誘人之處在于利用生物阻抗所攜帶的豐富生理和病理信息，進行人體組織與器官的無損傷功能評價 。2、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與完整電路圖3、 各模塊實現(xiàn)3.1、文氏電橋振蕩器：圖3 文氏電橋正弦振蕩器根據(jù)人體電阻抗譜圖, 在特征頻率 f c 上, 人體電阻抗的虛部| X | 最大, 人體中的脂肪和非脂肪成分同時得到最大的體現(xiàn), 因此選 f c 作為測量頻率。通常人體特征頻率為

6、50 kH z 。電路的震蕩頻率fosc = 1/2RC，理論與實際有出入，經(jīng)多次調(diào)試，最終選定R=10K、C=205pF，使其輸出較為準(zhǔn)確的50KHz的正弦波。電路從起振到穩(wěn)定輸出需要一定時間，所以開始仿真后要經(jīng)過等待才能看到如下圖所示的合格波形：圖4 振蕩器輸出50KHz正弦波3.2、V/I變換電流信號比電壓信號抗干擾能力強，所以微弱信號傳遞時常以電流形式進行。下圖就是我們采用的V/I方案，把電壓信號轉(zhuǎn)變成電流信號。下方的電壓跟隨器起傳導(dǎo)電壓、隔離電流的作用； 理論上，流經(jīng)負載Rx的電流為Iout = Vin*(R32/R30) /（Rs+R0+Rx）；圖5 振蕩器與V/I變換電路所謂的V

7、/I變換，其實是將輸入電壓放大一定倍數(shù)再加到負載上，從而得到電流的。只是負載變化對電流的影響相對減小了一些。圖6 V/I電路的輸入/輸出如上圖，人體阻抗一般為500左右，則電路穩(wěn)定后流經(jīng)人體的電流不超過500uA。振蕩器產(chǎn)生的信號強度被削減了29%。圖7 V/I電路的幅頻特性圖圖8 V/I電路的相頻特性圖33、2選1開關(guān)與差動放大器差分放大器是一種零點漂移很小的直接耦合放大器，常用于直流放大。它可以是平衡（術(shù)語“平衡”意味著差分）輸入和輸出，也可以是單端（非平衡）輸入和輸出，常用來實現(xiàn)平衡與不平衡電路的相互轉(zhuǎn)換，是各種集成電路的一種基本單元。在實際應(yīng)用中,溫度變化和電源電壓不穩(wěn)等因素對放大作用

8、的影響，等效于每個晶體管的輸入端產(chǎn)生了一個漂移電壓。利用差放電路的對稱性可以使之互相抵消或予以削弱，使輸出端的漂移電壓大大減小。顯然，共模增益越小，即電路對稱性越好時，這種漂移電壓也越小。而相對于由晶體管構(gòu)成的差放，由運放構(gòu)成的差放又具有輸入阻抗高、輸出阻抗小、使用方便、調(diào)試容易等優(yōu)勢。如下圖右邊部分所示的由3個運放構(gòu)成的差動放大器也稱儀用放大器。在R11=R12、R13=R14的情況下，放大倍數(shù)為A = Vin*（R8+R9+R10）/R9）*R13/R11圖左下角的R19與晶體管、二極管、VC、繼電器構(gòu)成2選1開關(guān)。mux接到單片機的P3.1引腳。圖7 運放構(gòu)成的差動放大器（這里放大倍數(shù)理

9、論值為7.67，改變R9的值可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)）圖8 差動放大器輸入-輸出波形實際放大倍數(shù)為5.365/0.696=7.71，與理論值7.67相對誤差0.5%圖9 差動放大器的幅頻特性圖與相頻特性圖3.4、精密整流、濾波單極性的直流輸出電壓與輸入交流信號的幅值呈線性比例關(guān)系的整流稱為線性整流，又稱精密整流。由于二極管的伏安特性在小信號時處于截止或特性曲線的彎曲部分，一般利用二極管的單向?qū)щ娦詠斫M成整流電路，在小信號檢波時輸出端將得不到原信號（或使原信號失真很大）。如果把二極管置于運算放大器組成的負反饋環(huán)路中，就能大大削弱這種影響，提高電路精度。這種電路可對1mV左右的小信號進行檢測，其誤差小于0.

10、05%。右下角的R39和C7并聯(lián)構(gòu)成濾波電路。理論上濾波電容的取值要滿足Td=RC>(35)T/2式中Td為電容放電時間常數(shù)，T為輸入交流信號周期。經(jīng)多次調(diào)試，R38=500K，C7=5uF（或1uF）時能輸出較為平穩(wěn)的直流波形。圖10 精密整流、濾波電路圖11 整流效果圖12 整流濾波電路的輸入/輸出輸出直流電壓05V，便于AD采集與MCU處理圖13 整流濾波電路的幅頻特性與相頻特性3.5、數(shù)據(jù)采集與顯示這個模塊暫時不能用multisim仿真，只能放一個思路在這里。主要是因為AD芯片似乎不能正常工作。網(wǎng)上也找不到multisim里AD轉(zhuǎn)換的仿真例程。另外，對multisim仿真來說，幾

11、毫秒已經(jīng)是比較漫長的等待，而單片機執(zhí)行一個完整程序往往需要幾毫秒甚至幾十毫秒，等multisim仿真出這么長時間內(nèi)電路的行為，人至少需要等待十幾或幾十分鐘，而且很可能仿真結(jié)果沒出來而multisim已經(jīng)因為穩(wěn)定性問題而出現(xiàn)異常。Multisim仿真模擬電路比較在行，數(shù)字電路則用proteus或quartasii比較靠譜。圖14 AD、MCU與LCD4、聯(lián)合測試讓2選1開關(guān)分別接通R0和Rx，測出AD輸入端的直流電壓強度，計算Rx的阻值。圖15 聯(lián)合測試電路圖接入R0和Rx時，只接入Rx時，因為U0x / Ux = (R0+Rx)*I / Rx*I，所以RX = R0 / (U0x/Ux-1)

12、=1000/(4.982/1.655-1)=497.51與真實值500的相對誤差為|497.51500|/500=0.50%這里要注意多等待一會，讓電路達到穩(wěn)定狀態(tài)，最好兩次測量時等待的時間一樣長，這樣使測量誤差更小。0.50%的誤差說明了測量電路的準(zhǔn)確性和可靠性，實際做出來的話，接下來就看AD數(shù)據(jù)采集的本事了，最后是MCU計算和LCD顯示。有機會一定把實際系統(tǒng)做出來。5、總結(jié)生物醫(yī)學(xué)工程，是一個很寬廣的概念，涵蓋了太多的領(lǐng)域。我們學(xué)校這個專業(yè)，就是用電子技術(shù)、計算機技術(shù)服務(wù)于醫(yī)學(xué)，尤其是醫(yī)療器械和信號處理。歸根結(jié)底，還是看你的數(shù)電、模電、射頻、微機、編程知識掌握的是否扎實，是否能靈活運用。這次課程設(shè)計，從資料搜集、方案論證，到每個模塊的實現(xiàn)與調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，每一步都是歷盡艱辛。50Khz信號源我們弄了兩天多，差動放大器弄了近3天，各種電路和器件的選擇、multisim軟件本身的使用也讓人破費周折，不得不感嘆：能力差，真可怕。連續(xù)兩