基于阻抗测量技术的血液凝固时间监测系统的构建及其应用.pdf

1422014.07·磁性元件与电源????在受伤时，血液会凝结成块，从而止血，这是好事，除非是在需要血液不停流动的手术期间（例如在心脏搭桥手术中安置人工心肺机时） 在这些情况下，需要在手术期间采用抗凝血剂，但是在手术完成后必须很快地进行一个相反的处理过程在控制这个过程时，了解什么时候发生凝血反应非常重要，由此血液凝固时间监测系统为人们关注的热点又因其血液凝固时间与阻抗测量响应有着一定的对应关系，则阻抗测量技术成为血液凝固监测系统的技术重点作为设计人员构建出新型血液凝固时间监测系统，并由此将其血液凝固时间自动产生而又快速提供出相关数据及有效诊断以之改进医疗流程等重要事宜紧密相连与此同时，对作为专业医务人员来说，使用好血液凝固时间监测系统以提高病患安全性也至关重要为此本文将对血液凝固时间监测系统的构建与应用作分析说明为此本文应先从血液凝固时间与阻抗测量的对应关系述起面临医疗设备测试的挑战与机遇，当今的生物电阻抗技术是利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术由此可通过监控凝血样本的整个阻抗，以测量出与凝血形成有关的传导率变化所谓阻抗主要指电阻抗，是以电阻值为实部和电抗值为虚部的复数，单位为欧姆。

血液从流动的液体状态变成不能流动的胶冻状凝块的过程即为血液凝固 (blood coagulation)这是由凝血因子参与的一系列蛋白质有限水解的过程血液凝固的关键过程是血浆中的纤维蛋白原转变为不溶的纤维蛋白血液在体外 25 摄氏度室温时的凝固时间正常是 2.5s-5.0s，温度越低凝固时间越快通过理论与实践可获得如图 1 所示的血液凝固时间与阻抗测量的对应关系曲线（即阻抗响应曲线） ，纵坐标为阻抗，横坐标为凝固时间 (S)图 1 中兰、红、点、黑箭头表示不同血样的凝血时间从图 1 看出，随着血样中肝磷脂浓度的增加（从 0.5 到 1.5） ， 血液凝固时间也随着增加（黑基于阻抗测量技术的血液凝固时间监测系统 的构建及其应用Blood Coagulation time monitoring system based on impedance measurement technology of building and its application叶云燕摘 要 ： 本文将对基于阻抗测量技术与芯片在血液凝固时间监测系统的构建及应用作分析说明关键词 ： 凝固时间，阻抗转换系统，测量，幅值和相位Abstract: this paper will be based on the impedance measurement technology and chip in the building and application of blood coagulation time monitoring system for analysis.Keywords: Coagulation time, impedance conversion system, Measurement, Amplitude and phase图 1 血液凝固时间与阻抗测量的对应关系（阻抗响应曲线）2014.07143·磁性元件与电源箭头血样的凝血时间最长） 。

从图 1 也看出凝固时间增加时的阻抗不同的比较，其兰色箭头示阻抗（绝对值）最小，到黑色箭头示阻抗（绝对值）为最大既然已知血液凝固时间与阻抗测量存在一定的对应关系，因此从阻抗测量技术入手是可获得血液凝固时间监测的有效途径应该说，阻抗测量基本方式是通过体表电极向检测对象施加安全的激励电流，并使用体表电极检测相应的电压变化，获取相关信息该方法具有无创、无害、廉价的优点据此阻抗测量技术是采用精度高的阻抗测量方法，利用比例测量，DFT 数字解调，软件校准和补偿四项技术，在整体上可提高阻抗测量技术系统的测量精度对电阻的测量，通常使用伏安法，生物阻抗测量也是基于伏安法的原理即已知一个元件的电阻等于此元件两端的电压降与流过其电流的比值，RX=UX/IX然而在实际测量中往往使用比例测量的方法，在被测回路中串入采样电阻 RS，有 IX=US/RS，因此 ： RX =UX/IX=RS×UX/US，这样就把电阻的测量转换成为两电压之比的测量，降低了对电压源 US 的准确度和稳定度的要求，测量结果的精确度只与参比电阻的精度有关如图 2(a) 所示，用一只运算放大器接成电压并联负反馈结构即可据此该比例测量原理可构成比例法测量生物阻抗测量电路，如图 2(b) 所示。

而实际应用是用 DDS（DDS 是直接数字式频率合成器，是一项关键的数字化技术）产生的正弦交流信号作为激励源 (U1) 以获得阻抗的完整信息，待测阻抗可等效为电容和电导 (GX) 的并联模式即 YX=GX+jCX=AX在理想状态下不考虑放大器等电路引起的幅值和相位的变化，设激励信号 U1=U1msinωt，I=U1×YX，则响应信号 U2=-I×RS=-U1×YX×RS=U1m×RS×AXsin(ωt+j)，其中 j 被测电导的相位，AX 为被测电导幅值，RS 为参比电阻只要将 U2 与 U1 做比较就可以得到待测阻抗的信息，避免了电压源不稳定带来的误差，测量结果的精度取决于参比电阻的精度 ??????????目前阻抗测量系统中常用的解调方式是 DFT（离散傅立叶变换）称数字正交解调，包括 ： 整流滤波、开关解调、模拟乘法器、 数字解调 模拟乘法器解调是常用的方法之一，它利用正交解调原理，具有电路简单，测量速度快且适合于较高较宽的频率范围内工作的优点DFT 算法实现了数字锁相的过程，保证了本振和载波的同频同相，简化了模拟电路，并且求和平均的过程抑制了噪声，调高了信噪比除上述之外，还需通过解调结果计算待测电阻的阻值，进一步补偿误差提高精度，即进行系统的非线性补偿。

实际应用中，系统是利用微控制器或单片机作为控制器，在有限的存储空间和运算速度的条件下，采用分段线性插值的方法实现非线性补偿 ??????????????上述阻抗测量技术与方法也就是阻抗测量方案的设计思想如何选择阻抗测量芯片及其技术至关重要当今已有不少芯片是能满足阻抗测量方案设计思想，在此仅以AD5934 芯片为例对其技术特征及其血液凝固测量系统的构建和应用作研讨 ????AD5934 是一款高精度的阻抗测量芯片，片上集成一个频率发生器与 DDS、 12 位采样率高达 1MSPS 的模数转换器 (ADC) 和实现 DFT 算法的 DSP作为一个片上系统本身就具有抗外界噪声干扰和简化测量电路的优点内部的频率发生器可以产生特定的频率信号（图 4 中 Vout 端的正弦(a) 比例法测量电阻的方法图(b) 比例法测量生物阻抗方法图图 21442014.07·磁性元件与电源电压信号）来激励外部可调电阻 Z(ω)，电阻上得到的响应信号被 ADC 采样，并通过片上的 DSP 进行 DFT（离散的傅立叶变换） 傅立叶变换后返回在这个输出频率下得到的实部值 R 和虚部值 I这样就可以很容易的计算出在每个扫描频率下的傅立叶变换的模和电阻的相角。

计算是利用实部和虚部寄存器内容在片外完成，寄存器内容可以从串行 I2C 接口读取其可编程的频率发生器，最高频率可达100kHz作为设备通过口和主机通讯，实现频率扫面控制阻抗测量范围为 100Ω 到 10MΩ ； 芯片内部带有温度传感器，测量误差范围为 ±2℃ ； 带有内部时钟，可以实现相位测量 ； 系统精度为 0.5% ； 可供选择的电源范围为 2.7V 到5V； 正常工作的温度范围 -40℃到 +125℃， 16 脚 SSOP 封装AD5934 阻抗测量芯片内部组成见图 4 兰色框图 ?高精密阻抗转换系统的构建（见图 4 所示）依据目前生物复阻抗测量运行方式，所谓高精度的阻抗转换器系统的解决方案就是 AD5934 阻抗测量芯片能在内部 DDS 产生激励电压信号（图 4 中 Vout 端的正弦电压信号） ，应先对未知阻抗（图 4 中可调电阻 Z(ω)）施加一定频率的激励信号（而用户可以调节激励频倍号的频率和模值） ，对其响应信号进行采样和数据分析（如 DFT） ，其离散傅里叶变换结果在对应频率上返回出响应信号的模值和相位，再通过计算进而得到被测复阻抗的幅度和相位信息而频率发生器在已知频率上为外部复数阻抗提供激励电压。

片上 12 位 ADC 对响应信号（电流）进行采样，通过内部集成DSP引擎进行离散傅里叶变换(DFT)运算处理DFT 算法在每个输出频率上返回数据的实部 (R) 与虚部 (I)利用这些分量，可以很容易地计算出扫描的每个频率点对应的阻抗幅度和相对相位AD5933 具有 DFT 称数字正交解调，对 ADC 采样数据做数字正交解调（或称离散傅立叶变换） ，也就是 1024个数组成的数字序列与正交向量相乘再求和的过程DFT算法实现了数字锁相的过程，保证了本振和载波的同频同相，简化了模拟电路，并且求和平均的过程抑制了噪声，调高了信噪比其 DDS 同 DSP（数字信号处理）一样，是一项数字化技术与传统的频率合成器相比，DDS 具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术从 AD5933 的功能框图 4 上展示了完全集成的阻抗测量系统本地数字处理支持测试电路的复数阻抗计算这个系统要求初始校准 ： 用一个精密电阻替（图 4 右的可调电阻 Z(ω)）代被测量的阻抗，并计算出后面测量的比例系数对于 1kHz~100kHz 的激励频率，AD5933 可以测量100~10M 之间的阻抗，系统精度为 0.5%。

应用优势AD5934 这款芯片从测量原理、解调原理、添加校准点等方面提高了阻抗转换系统精度，芯片本身的设计符合了设计高精度测量系统的基本要求故它可以广泛的应用在电化学分析、生物电极阻抗测量、阻抗谱分析、复杂阻图 4 用 AD5934 构建的高精密阻抗转换系统组成示意框图2014.07145·磁性元件与电源抗测量、生物医学和自动控制传感器、无创检测、原材料性能分析等众多领域由此为血液凝固测量系统中的应用（即高精密阻抗转换系开发）提供了很大的方便虽则血液凝固时间与阻抗变化的相互关系早已经被确定，但今新推出的复数阻抗测量的集成器件，这就给凝血时间测量仪器的节能、小型化与便携性及其外观等方面带来了很大的优势，这对于作为重症监护设备来说在使用上更加方便特别要指出的是，该芯片具有简单的 I2C 通讯方式，大大方便了用户的操作由于它给出的直接是变换后阻抗的实部和虚部数据，减小了用户编程的困难并简化了用户编程过程这些重大优势的高精密阻抗转换系统对于作为重症监护设备来说显得格为重要图 4 所示为应用AD5934 进行阻抗测量高精密阻抗转换系统（图 4 兰色框图与可调电阻 Z(ω) 的合成）的示意图该新型复数阻抗测量的集成器件在测量凝血时间的仪器上虽有重大优势，但对于重症监护设备来说需要注意的是，如因 AD5934 是单电源器件，通常信号摆幅的中心在固定直流偏置值附近，一旦当直流电压超过特定门限值时，会使水导电媒质在与电极接触时发生电化学反应，从而改变样本。

故在当前利用 AD5934 进行血样测量项目中，为了防止出现这种电解反应，电压激励和电流测量都采用交流耦合， 为此应增加使用信号调理电路； 又如温度测量实现，因 AD5934 片上的温度传感器是一个 13 位的数字温度传感器，第 14 位是一个标志位温度传感器可以精确测量周围器件的温度温度传感器的测量范围是 -40℃到 +125℃ ,当温度达到 +150℃时， 当工作在电压和温度的最大规格时，结构完整性将。