用于生物阻抗测量的同步多通道高精度恒流源

摘要：针对生物电阻抗测量和成像系统的激励源须满足两路以上同步输出、高频率精度、各路相位独立可调、输出为恒流性质等特殊要求，本文分析了多核共用时钟的DDS芯片作为生物电阻抗测量和成像系统激励源的应用优势，设计了以AD9959为核心的用于生物阻抗测量或成像系统的恒流驱动信号源。设计的信号源四通道输出同步，频率精度为0.0058Hz，各通道相位分别可调且最小步长为0.022°，幅值分辨率可达9.8μA，控制方便，电路简单。

引言

生物电阻抗检测和成像系统的目标检测量是生物组织的电阻抗信息，对于接触式检测方式，其硬件部分为体表电位测量系统;对于非接触式检测方式，其硬件部分为微弱磁场测量系统。这两种测量系统一般都由激励源、电极、信号处理电路、A/D转换电路和控制单元等部分组成。其中，激励源的作用是提供直接作用于人体的电流或磁场激励信号，其精度和稳定性对于整个测量系统的性能起着决定性的作用。同时，由于其直接作用于人体，对其安全性又提出特殊的要求。

目前已有文献报道的生物电阻抗检测和成像系统的激励源主要包括以下几种：由PLD、可编程时钟芯片和高速DAC组成的激励源[2];由可编程信号发生器MAX038实现的激励源[3];用FPGA实现的基于DDS(数字直接合成)原理的激励源[4];以及采用现有专门的DDS集成芯片在DSP的控制下实现的激励源[5]等。其中，基于DDS原理的FPGA实现方法与专门DDS集成芯片应用较为广泛。相对而言，专门DDS集成芯片以其频率稳定度高、分辨率高、调节方便、输出范围宽以及转换速度快、相位噪声低、与单片机、DSP等通讯方便等特点尤其受到人们的青睐。

本文分析了生物电阻抗测量和成像系统对激励源性能的特殊要求，阐述了DDS芯片AD9959在生物电阻抗测量和成像系统中的优势应用，随后介绍了AD9959的使用方法，并设计了基于AD9959的生物电阻抗测量系统的高性能激励源电路。

生物电阻抗测量和成像系统对激励源的特殊要求

作为用于检测人体电阻抗信息的生物电阻抗测量和成像系统，对其激励源部分有以下特殊要求：

(1)激励和参考信号相位方便调整。现有的生物电阻抗检测和成像系统中，多数使用模拟锁相解调的方法测量采集到的携带阻抗信息的电压信号，此时激励源不仅提供激励信号，同时也提供用于锁相解调的参考信号。而参考信号与激励作用下传感器产生的待测信号在进入锁相解调电路之前往往经过不同的信号通路，通常都存在不同的相移，如不进行补偿，该相移就会被叠加在由待测生物阻抗引起的相移中，带来测量误差。尤其对于非接触式阻抗测量和成像系统，由于激励电极和测量电极其一或均为线圈，往往需要后接高阶的滤波电路以滤除干扰，将造成待测信号与参考信号较大的相对相移，此时必须对参考信号相位进行补偿。调整DDS芯片参考信号通道的相位控制字为一种可行、可靠、有效的补偿方式。

(2)对激励信号幅值、频率、相位的精度要求。在生物电阻抗测量和成像系统中，测量电极采集到的信号是对激励信号的直接响应，因此，激励信号的幅值精度直接决定了生物电阻抗测量和成像系统的测量精度。具体的，应使激励信号的幅值误差小于测量电路采用ADC的1LSB。当进行生物阻抗谱的测量时，需要激励源工作于扫频模式，此时高频率分辨率保证了可以实现任意步长的扫频模式。非接触式检测时，传感器(感应线圈)输出的感应电动势是信号频率的一次函数，信号频率发生微小波动时，会直接影响测量结果，因此要求信号源具有高的频率精度和稳定度。为了满足上述通道相位补偿的准确性，也希望激励信号的相位有较高的精度。

(3)激励源输出信号为电流信号，并对于待测生物组织呈现恒流特性。生物电阻抗测量和成像系统通过向人体注入激励电流后，检测组织内部建立的电流场分布来获得被测点的阻抗信息。激励源的恒流特性可使其受电极未知接触阻抗影响较小，减少负载阻抗在测量中引入的误差。负载阻抗通常包括电极与皮肤的接触阻抗、电极本身的阻抗以及待测生物组织阻抗，其中电极本身的阻抗一般约为0.1～3kΩ，待测生物组织的阻抗约为几百千欧，因此通常需要激励源电流输出阻抗约为几兆欧时，才会对生物组织呈现出较好的恒流特性。

(4)尽可能宽的激励信号输出范围。目前，公认的生物阻抗检测特征频率为50kHz，然而又有研究发现人体组织复阻抗的虚部包含着丰富的生理、病理信息，该虚部信息十分微弱，但其大小随激励信号频率的提高而增强[6]，因此在某些检测场合中希望激励源可实现尽可能高的激励频率。