基于multisim11仿真的生物醫(yī)學工程課程設計：人體阻抗測量

1、課程設計報告人體阻抗測量引言 本課程設計探索了一種適用于家庭的低成本生物電阻抗測量系統(tǒng)。采用由一對激勵電極及一對敏感電極組成的四電極結構, 用文氏電橋振蕩器產生 50 kH z 的正弦波信號, 經過一定的削減，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軟件仿真結果表明, 這種測量系統(tǒng)在測量結果的線性 、穩(wěn)定性及準確性等方面的性能可滿足人體成分測量的要求。這為人體肥胖程度的家庭檢測提供了一種有效的工具。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適

2、用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。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仿真的復雜內容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學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計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。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）所有的虛擬信號都可以通過計算機輸出到實際的硬件電路上; (3) 所有硬件電路產生的結果都可以輸回到計算機中進行處理和分析。如此，學員可以很好地、很方便地把剛剛學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創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。極大地提高了學員的學習熱情和積極性。真正的做到了變被動學習為主動學習。1、 人體阻抗模型及其測量的意義：人體的基本構造單位是細胞。細胞被一層具有特殊結構和功能的半透性膜所包被，稱作細胞膜或質膜，它允許某些物質有選擇地通過，同時又嚴格地保持細胞內物質成分的穩(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

4、Ci分別為細胞外液電阻，細胞內液電阻和細胞膜電容。人體阻抗是包括人體皮膚、血液、肌肉、細胞組織及其結合部在內的含有電阻和電容的全阻抗，如圖2所示。皮膚表面0.050.2mm厚的角質層電阻值很高。在干燥和干凈的狀態(tài)下，其電阻率可達105 106m。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

5、收法等。其中，生物電阻抗分析法(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得到大量實驗結果的驗證。生物阻抗技術的真正優(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)結構框圖與完整電路圖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

6、常人體特征頻率為 50 kH z 。電路的震蕩頻率fosc = 1/2RC，理論與實際有出入，經多次調試，最終選定R=10K、C=205pF，使其輸出較為準確的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，把電壓信號轉變成電流信號。下方的電壓跟隨器起傳導電壓、隔離電流的作用； 理論上，流經負載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)定后流經人體的電流不超過500uA。振蕩器產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換，是各種集成電路的一種基本單元。在實際應用中,溫度變化和電源電壓不

8、穩(wěn)等因素對放大作用的影響，等效于每個晶體管的輸入端產生了一個漂移電壓。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成的差放，由運放構成的差放又具有輸入阻抗高、輸出阻抗小、使用方便、調試容易等優(yōu)勢。如下圖右邊部分所示的由3個運放構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、繼電器構成2選1開關。mux接到單片機的P3.1引腳。圖7 運放構成的差動放大

9、器（這里放大倍數(shù)理論值為7.67，改變R9的值可調節(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導電性來組成整流電路，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

10、測，其誤差小于0.05%。右下角的R39和C7并聯(lián)構成濾波電路。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。經多次調試，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轉換的仿真例程。另外，對multisim仿

11、真來說，幾毫秒已經是比較漫長的等待，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，而且很可能仿真結果沒出來而multisim已經因為穩(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/U

12、x-1) =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、總結生物醫(yī)學工程，是一個很寬廣的概念，涵蓋了太多的領域。我們學校這個專業(yè)，就是用電子技術、計算機技術服務于醫(yī)學，尤其是醫(yī)療器械和信號處理。歸根結底，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。這次課程設計，從資料搜集、方案論證，到每個模塊的實現(xiàn)與調試、系統(tǒng)聯(lián)調，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，