基于multisim11仿真的生物醫(yī)學(xué)工程課程設(shè)計(jì)：人體阻抗測(cè)量

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告人體阻抗測(cè)量引言 本課程設(shè)計(jì)探索了一種適用于家庭的低成本生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)。采用由一對(duì)激勵(lì)電極及一對(duì)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(hào), 經(jīng)過(guò)一定的削減，施加在與人體皮膚接觸的激勵(lì)電極對(duì)上,通過(guò)測(cè)量敏感電極對(duì)的電壓, 實(shí)現(xiàn)人體生物阻抗的檢測(cè), 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(cè)量系統(tǒng)在測(cè)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(cè)量的要求。這為人體肥胖程度的家庭檢測(cè)提供了一種有效的工具。Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適

2、用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)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(wú)需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過(guò)Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)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(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。Multisim 被美國(guó)NI公司收購(gòu)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

3、器；（2）所有的虛擬信號(hào)都可以通過(guò)計(jì)算機(jī)輸出到實(shí)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(jì)算機(jī)中進(jìn)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(shí)用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來(lái)。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(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。1、 人體阻抗模型及其測(cè)量的意義：人體的基本構(gòu)造單位是細(xì)胞。細(xì)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(xì)胞膜或質(zhì)膜，它允許某些物質(zhì)有選擇地通過(guò)，同時(shí)又嚴(yán)格地保持細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)成分的穩(wěn)定。由于細(xì)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

4、Ci分別為細(xì)胞外液電阻，細(xì)胞內(nèi)液電阻和細(xì)胞膜電容。人體阻抗是包括人體皮膚、血液、肌肉、細(xì)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(dá)105 106m。但因其不是一張完整的薄膜，又很容易受到破壞，故計(jì)算人體阻抗時(shí)一般不予以考慮。人體各部分阻抗大小對(duì)比如表1所示。遭受突然的生理刺激時(shí)，人體阻抗可能明顯降低。便攜式人體健康狀況檢測(cè)儀受到越來(lái)越多的重視, 該類儀器中人體成分檢測(cè)占據(jù)極其重要的地位, 例如脂肪、水分檢測(cè)儀等。 目前存在的測(cè)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

5、收法等。其中，生物電阻抗分析法(BIA ： Bioelectrical impedanceanalysis)具有無(wú)創(chuàng)、簡(jiǎn)便、廉價(jià)、可靠的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn), 醫(yī)生和病人都易于接受，并且這種方法測(cè)量人體成分的可行性已經(jīng)得到大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。生物阻抗技術(shù)的真正優(yōu)勢(shì)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(jìn)行人體組織與器官的無(wú)損傷功能評(píng)價(jià) 。2、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與完整電路圖3、 各模塊實(shí)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(shí)得到最大的體現(xiàn), 因此選 f c 作為測(cè)量頻率。通

6、常人體特征頻率為 50 kH z 。電路的震蕩頻率fosc = 1/2RC，理論與實(shí)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(shí)間，所以開始仿真后要經(jīng)過(guò)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(hào)比電壓信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，所以微弱信號(hào)傳遞時(shí)常以電流形式進(jìn)行。下圖就是我們采用的V/I方案，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)。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(fù)載Rx的電流為Iout = Vin*(R32/R30) /（Rs+R0+Rx）；圖5 振蕩器與V/

7、I變換電路所謂的V/I變換，其實(shí)是將輸入電壓放大一定倍數(shù)再加到負(fù)載上，從而得到電流的。只是負(fù)載變化對(duì)電流的影響相對(duì)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(guò)500uA。振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)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(dòng)放大器差分放大器是一種零點(diǎn)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(yǔ)“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(lái)實(shí)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(shí)際應(yīng)用中,溫度變化和電源電壓不

8、穩(wěn)等因素對(duì)放大作用的影響，等效于每個(gè)晶體管的輸入端產(chǎn)生了一個(gè)漂移電壓。利用差放電路的對(duì)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(duì)稱性越好時(shí)，這種漂移電壓也越小。而相對(duì)于由晶體管構(gòu)成的差放，由運(yùn)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(shì)。如下圖右邊部分所示的由3個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的差動(dòng)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(jī)的P3.1引腳。圖7 運(yùn)放構(gòu)成的差動(dòng)放大

9、器（這里放大倍數(shù)理論值為7.67，改變R9的值可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)）圖8 差動(dòng)放大器輸入-輸出波形實(shí)際放大倍數(shù)為5.365/0.696=7.71，與理論值7.67相對(duì)誤差0.5%圖9 差動(dòng)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(hào)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(hào)時(shí)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?lái)組成整流電路，在小信號(hào)檢波時(shí)輸出端將得不到原信號(hào)（或使原信號(hào)失真很大）。如果把二極管置于運(yùn)算放大器組成的負(fù)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(duì)1mV左右的小信號(hào)進(jìn)行檢

10、測(cè)，其誤差小于0.05%。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(shí)間常數(shù)，T為輸入交流信號(hào)周期。經(jīng)多次調(diào)試，R38=500K，C7=5uF（或1uF）時(shí)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(gè)模塊暫時(shí)不能用multisim仿真，只能放一個(gè)思路在這里。主要是因?yàn)锳D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(duì)multisim仿

11、真來(lái)說(shuō)，幾毫秒已經(jīng)是比較漫長(zhǎng)的等待，而單片機(jī)執(zhí)行一個(gè)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(zhǎng)時(shí)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(méi)出來(lái)而multisim已經(jīng)因?yàn)榉€(wěn)定性問(wèn)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(cè)試讓2選1開關(guān)分別接通R0和Rx，測(cè)出AD輸入端的直流電壓強(qiáng)度，計(jì)算Rx的阻值。圖15 聯(lián)合測(cè)試電路圖接入R0和Rx時(shí)，只接入Rx時(shí)，因?yàn)閁0x / Ux = (R0+Rx)*I / Rx*I，所以RX = R0 / (U0x/U

12、x-1) =1000/(4.982/1.655-1)=497.51與真實(shí)值500的相對(duì)誤差為|497.51500|/500=0.50%這里要注意多等待一會(huì)，讓電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最好兩次測(cè)量時(shí)等待的時(shí)間一樣長(zhǎng)，這樣使測(cè)量誤差更小。0.50%的誤差說(shuō)明了測(cè)量電路的準(zhǔn)確性和可靠性，實(shí)際做出來(lái)的話，接下來(lái)就看AD數(shù)據(jù)采集的本事了，最后是MCU計(jì)算和LCD顯示。有機(jī)會(huì)一定把實(shí)際系統(tǒng)做出來(lái)。5、總結(jié)生物醫(yī)學(xué)工程，是一個(gè)很寬廣的概念，涵蓋了太多的領(lǐng)域。我們學(xué)校這個(gè)專業(yè)，就是用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)服務(wù)于醫(yī)學(xué)，尤其是醫(yī)療器械和信號(hào)處理。歸根結(jié)底，還是看你的數(shù)電、模電、射頻、微機(jī)、編程知識(shí)掌握的是否扎實(shí)，是否能靈活運(yùn)用。這次課程設(shè)計(jì)，從資料搜集、方案論證，到每個(gè)模塊的實(shí)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(hào)源我們弄了兩天多，差動(dòng)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(fèi)周折，不得不感嘆：能力差，