便携式肝血流图测量系统设计

孟祥全 俞梦孙 杨松岩 北京航空航天大学 生物与医学工程学院 （北京 100083）

肝脏是人体最大的内脏器官，也是人体最大的代谢器官。肝脏的血液循环状态，可以用来判断肝脏的功能以及肝脏的病理变化。肝血流图是一种无损伤性检查肝脏供血和血管机能的一种方法，通过测定肝区组织对高频电流的阻抗变化，以反映肝脏的血液循环状态，借以判断肝脏血管功能及肝脏质地的病理变化，有助肝脏疾病的诊断，如对慢性肝炎、肝硬变及肝癌的诊断和定位[1]。

本文采用ADI最新的复阻抗模拟前端设计了高性能低功耗肝血流图系统，极大的提高了肝血流图的精度，充分展现了肝血流图的细节。

1.血流图的测量原理

生物体组织的等效电路模型如图1所示[2,3]，其中电容C主要代表了细胞膜的容抗，R1代表了细胞外液的阻抗，R2代表了细胞内液的电阻。根据等效电路即可得出生物组织是一个复阻抗单元。

对于未知物体等效电抗，需要采用扫频的方式得出被测物体在不同频率下电压电流的关系，利用傅里叶变换求出被测阻抗的实部和虚部[4]。

图1.生物组织阻抗模型

肝血流图是心动周期中心脏和大血管中的血流搏动通过肝脏组织传至体表的阻抗变化，是容积搏动波，它是以高频定值微弱电流通过肝脏来测定肝组织的阻抗。血液是较好的导电体，随着心脏的跳动血液在肝脏血管中呈搏动性的流动，肝脏的电阻抗也发生周期性的增减变化。

2.系统设计

肝血流阻抗测量系统框图如图2所示。使用Analog Devices公司的复阻抗模拟前端AD5941[5]和超低功耗微控制器ADuCM3029[6]为主要电路。并通过5kV隔离USB ADuM4160[7]和上位机PC通讯，以便进一步满足医疗设备的安全要求。上位机使用LabView软件设计界面显示和测量控制。

图2.肝血流阻抗测量系统框图

图3.AD5941肝血流图激励和测量连接图

2.1 阻抗模拟前端电路

AD5941集成了低带宽低功耗测量AFE环路，和高带宽高性能测量AFE环路两部分。内部集成12-bit DAC产生激励信号频率到200kHz，可以充分满足阻抗血流测量的激励频率要求。16-bit，800kSPS的SAR ADC以及点数可设置调整的离散傅里叶变换计算引擎，可以降低处理器的负担。

AD5941的PGA内部AIN2和AIN3输入共模电阻为10MΩ，人体躯干部位阻抗约几十欧姆。相比于待测的人体阻抗，可以确保大部分电流流过人体的待测部位。10MΩ的阻抗也确保PGA的输入电压近似于待测部位的电压A和B。这样大大减小了电极和人体接触阻抗RACCESS对测量带来的影响，同样也降低了测量导联线阻抗对测量的影响。AD5941肝血流图激励和测量连接图见图3。

2.2 数据处理和上位机显示设计

数据处理单元采用Analog Devices公司的超低功耗ARM Cortex-M3微控制器ADuCM3029做为控制器，通过SPI接口对AD5941进行控制。并通过5kV隔离USB转UART接口和上位机PC通讯，以便进一步满足医疗设备的安全要求。上位机使用LabView软件设计界面显示和测量控制，可以实现更改激励电流信号频率和血流图波形存储等功能。肝血流图测量GUI界面见图4。

图4.肝血流图测量GUI界面

3.实验结果

为了验证肝脏血流图系统的测量精度，分别测试了系统的接触阻抗误差、纯电阻的测量精度和纯电容的测量精度。

3.1 接触阻抗误差

复阻抗系统在测量人体时，皮肤接触阻抗和导线阻抗容易引入误差[8,9]。设置激励电流在100μA，PGA在1倍，分别使用10kHz，30kHz和50kHz三个激励频率测量100Ω电阻的阻抗。使用精度5%的电阻模拟接触阻抗，分别选择0Ω，100Ω，470Ω，1000Ω，1400Ω的电阻。测量结果如图5。由接触阻抗引起的误差在±0.2%范围内。

图5.接触阻抗误差

图6.电阻相对测量精度

图7.电阻噪声有效值

图8.电容相对测量精度

图9.电容噪声有效值

3.2 电阻电容相对测量精度

设置激励电流在425μA，使用PGA增益为9倍测量一个100Ω精度0.5%的电阻。使用变异系数[10]，即测量结果的标准差和均值的比来评估系统测量结果的离散程度。测量时使用激励500μA激励电流，激励信号频率从5kHz开始并以5kHz的步进测量到50kHz。结果如图6所示。在5～50kHz激励信号范围内，相对精度可以达到-93dB。5～20kHz激励信号范围内，相对精度可以高达到-100dB。

统计1000点测量结果的噪声有效值，结果如图7所示。可见，在5～50kHz激励信号范围内，测量结果的噪声有效值为2mΩ。

使用激励电流频率从30kHz以5kHz的步进测量到50kHz，测试5.6nF电容，相对测量精度和噪声有效值分别如图8（相对精度最高可达-97dB）和图9所示（噪声有效值最低可达50mΩ）。

4.结论

高精度肝血流图测量系统可以获得临床需要的重要细节，本系统对100Ω的相对测量精度达到100dB，噪声有效值达到2mΩ；对5.6nF的电容测量相对精度达到97dB，同时在对100Ω电阻进行测量时，对于1400Ω接触电阻的误差抑制在0.2%以内，同时在保证测量精度的情况下激励电流可以设置在425μA以下，极大的保证了人体测量的安全性，达到了复阻抗测量方面的先进水平。

[1]周良楣.实用肝血流图[M].太原:山西医药杂志编辑部,1983.

[2]任超世.生物电阻抗测量技术[J].中国医疗器械信息,2004,10(1):21-25.

[3]班东坡.人体电阻抗测量系统设计[D].天津:天津大学,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]霍旭阳,尤富生, 史学涛,等.一种高精度生物电阻抗测量系统的设计[J].仪器仪表学报,2007,28(6):994-998.