CN104146709A - 一种多频点生物电阻抗快速获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频点生物电阻抗快速获取方法，基于DDS（DirectDigitalSynthesizer，缩写为DDS）原理利用FPGA（Field－ProgrammableGateArray，缩写为FPGA）编程实现一个多频点复合激励源V_in，复合激励源V_in同时加载到参考电阻R_ref和待测生物体电阻抗Z_x上，通过合理的选取采样频率f_s和数字傅里叶变换DFT的点数N，只需对V_ref、V_x在所需要的几个频点上进行DFT（DiscreteFourierTransform，缩写为DFT），即可准确获得V_ref、V_x在这些频点上对应的幅值Amp_ref、Amp_x与相角Deg_ref、Deg_x，进而获得待测生物体电阻抗Z_x在这些频点上的幅值。本发明具有阻抗获取精度高、运算量小、抗干扰能力强及扫描时间快等优点。

Description

一种多频点生物电阻抗快速获取方法

技术领域

本发明涉及生物特征信号提取方法领域，具体是一种多频点生物电阻抗快速获取方法。

背景技术

生物电阻抗技术：利用生物组织及器官的电学特征来提取生物生理信息的无创检测技术。它是利用置于体表的电极向生物体输入微弱的检测电流，然后测量适当部位的电压变化，从而得到相关组织或器官的电阻抗变换情况，以获取生理及病理信息。这种技术由于无创伤、安全、价格低廉等优点，广泛应用于现代医学中，主要包括：电抗血流图，人体阻抗成像、人体成分测量等方面。

生物电阻抗测量技术经历了从直流到交流、从纯电阻到复阻抗、从单频点到多频点的测量技术演变，但是，当前主流的多频生物电阻抗测量方法仍然属于分时单频测量法，即从低频到高频逐次扫描生物体的阻抗，耗时长，并且由于生物体生理状态受心跳、血流影响时刻发生变化，分时单频测量法不能准确反应生物体在某一时刻的生物阻抗频谱信息。

2014年4月9日公开的第CN103705236号中国专利申请，其公开了一种生物电阻抗谱同步快速测量方法，该方法利用FPGA实现了基于Walsh函数的多频同步激励信号源及对应的生物电阻抗获取方法，但是由于Walsh函数信号相对于传统的正弦信号存在一些缺点，其自相关性不理想，频谱的旁瓣值较大，这样一方面会产生假同步，另一方面由该方法获得激励源的频率准确度有限，所以阻抗提取时必须增加DFT的点数，同时增加修正算法来解决DFT栅栏效应带来的误差，这将大大增加系统的运算量和复杂度。

发明内容

本发明的目的是提供一种多频点生物电阻抗快速获取方法，以实现同时对生物体进行多频点复阻抗测量，并保证阻抗获取精度的同时减小运算量。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种多频点生物电阻抗快速获取方法，其特征在于：在一个FPGA上构建多路直接频率合成器DDS，将多路直接频率合成器DDS输出的单频信号经加法器电路合成为多频点复合激励源V_in，采用自动平衡电桥将多频点复合激励源V_in同时加载至参考电阻R_ref和待测生物体电阻抗Z_x上，再采用双路同步模数转换芯片将参考电阻R_ref上的电压V_ref、待测生物体电阻抗Z_x上的电压V_x转换成数字信号；

选择参考电阻R_ref上的电压V_ref和待测生物体电阻抗Z_x上的电压V_x的采样频率f_s，并选择进行数字傅里叶变换DFT的点数N，采样频率f_s、进行数字傅里叶变换DFT的点数N须满足公式f_s/N＝f₀/M，公式中M为自然数，f₀为复合激励源V_in的基波频率，以使参考电阻R_ref上的电压V_ref、待测生物体电阻抗Z_x上的电压V_x中a*f₀、b*f₀、c*f₀频率分量，a、b、c为自然数，恰好落在数字傅里叶变换DFT变换后的M*a+1、M*b+1、M*c+1点处，计算所选择的数字傅里叶变换DFT的点数N的数字傅里叶变换DFT分量，即可得到选择参考电阻R_ref上的电压V_ref、待测生物体电阻抗Z_x上的电压V_x中a*f₀、b*f₀、c*f₀频率分量的幅值与相位，进而获得待测生物体电阻抗Z_x在a*f₀、b*f₀、c*f₀频率处的幅值与相位。

根据权利要求1所述的一种多频点生物电阻抗快速获取方法，其特征在于：每路直接频率合成器DDS分别由相位累加器、波形存储器查找表、数模转换器及低通滤波器构成，其中相位累加器和波形存储器查找表是在FPGA中编程实现的，数模转换器及低通滤波器是以外围电路形式接入FPGA实现的，相位累加器以频率控制字K做累加，产生所需的频率控制数据，把得到的频率控制数据作为地址对正弦查询表进行寻址，正弦查询表实质是一个相位/幅度转换电路，正弦查询表中存储二进制码表示所需合成信号幅度值，寻址后输出一个相对应的幅度值，将该幅度信号经数模转换器转化成模拟信号，经滤波器输出。

本发明优点为：

本发明充分挖掘生物电阻抗测量与DFT的特性，通过合理的选取采样频率f_s与DFT分析的点数N，使得DFT后所需分析的频点在频域将正好落在DFT离散点上。解决了DFT中栅栏效应对分析准确度的影响；只要求解所需的几个频点DFT分量，而不需要计算所有的DFT分量，同时也省去了为减小DFT效应影响而加入的修正算法，大大减小运算量。

本发明使用DFT计算待测生物体电阻抗Z_x的幅值与相位，由于各个频点信号分析是相互独立的，即便其它频点上存在干扰信号，对结果也没有影响，提高系统的抗干扰能量。另外对于激励源多个频点信号分量间幅值、相位的一致性也没有要求，即多路DDS输出的单频信号幅度、相位可以不一致，降低了多频点复合激励源的设计难度。

本发明由于采用DFT分析方法计算生物体阻抗Z_x，激励源中各个频率分量在频域是相互独立的，所以可利用多频点复合激励源加载分析，一次获取多个频点上的阻抗，缩短了分时扫频所需要的时间，实现了真正的同时多频生物电阻抗分析。

本发明基于FPGA实现多路DDS信号，将多路DDS输出的单频信号合成一个多频点复合激励源，结合DDS原理和FPGA的优势与一体的同时多频点激励源实现方法，充分的发挥了DDS技术频率转换快、频率精度高和FPGA逻辑资源丰富、速度快等特点。该激励源具有频点可配置、频率精度高、硬件结构简单等优点，高精度的频率将为后面算法的优化提供条件。

附图说明

图1是本发明生物电阻抗获取方法的原理示意图。

图2是本发明生物电阻抗获取方法的流程图。

图3是本发明中FPGA实现DDS的原理图。

图4是本发明中提到的DFT栅栏效应示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种多频点生物电阻抗快速获取方法，在一个FPGA上构建多路直接频率合成器DDS，将多路直接频率合成器DDS输出的单频信号经加法器电路合成为多频点复合激励源V_in，采用自动平衡电桥将多频点复合激励源V_in同时加载至参考电阻R_ref和待测生物体电阻抗Z_x上，再采用双路同步模数转换芯片将参考电阻R_ref上的电压V_ref、待测生物体电阻抗Z_x上的电压V_x转换成数字信号；

选择参考电阻R_ref上的电压V_ref和待测生物体电阻抗Z_x上的电压V_x的采样频率f_s，并选择进行数字傅里叶变换DFT的点数N，采样频率f_s、进行数字傅里叶变换DFT的点数N须满足公式f_s/N＝f₀/M，公式中M为自然数，f₀为复合激励源V_in的基波频率，以使参考电阻R_ref上的电压V_ref、待测生物体电阻抗Z_x上的电压V_x中a*f₀、b*f₀、c*f₀频率分量(a、b、c为自然数)，恰好落在数字傅里叶变换DFT变换后的M*a+1、M*b+1、M*c+1点处，计算所选择的数字傅里叶变换DFT的点数N的数字傅里叶变换DFT分量，即可得到选择参考电阻R_ref上的电压V_ref、待测生物体电阻抗Z_x上的电压V_x中a*f₀、b*f₀、c*f₀频率分量的幅值与相位，进而获得待测生物体电阻抗Z_x在a*f₀、b*f₀、c*f₀频率处的幅值与相位。

每路直接频率合成器DDS分别由相位累加器、波形存储器查找表、数模转换器及低通滤波器构成，其中相位累加器和波形存储器查找表是在FPGA中编程实现的，数模转换器及低通滤波器是以外围电路形式接入FPGA实现的。相位累加器以频率控制字K做累加，产生所需的频率控制数据，把得到的频率控制数据作为地址对正弦查询表进行寻址，正弦查询表实质是一个相位/幅度转换电路，正弦查询表中存储二进制码表示所需合成信号幅度值，寻址后输出一个相对应的幅度值，将该幅度信号经数模转换器转化成模拟信号，经滤波器输出。

DDS信号源的产生：如图3，利用FPGA芯片设法将波形采样点的值依次通过数模转换器(MDAC)转换成模拟量输出,可达到预期的目的。其基本环节由计数器(Counter)、只读存储器(EPROM)、数模转换器(MDAC)和滤波器等组成(同DDS原理)。如图3累加器由加法器和D触发器级联组成。在时钟脉冲f_c的控制下，对输入频率控制字K进行累加，累加满量时产生溢出。相位累加器的输出对应于该合成周期信号的相位，并且这个相位是周期性的，在0～2π范围内起变化。相位累加器位数为N，最大输出为2^N-1，对应于2π的相位，累加一次就输出一个相应的相位码，通过查表得到正弦信号的幅度，然后经D/A转换及低通滤波器滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。

多频复合激励源的合成：多路DDS信号由FPGA输出后，先经过低通滤波器滤除其谐波信号，送加法器电路合并后，再由电压跟随器输出。Cole生物电阻抗模型认为一段生物体的阻抗可以等效成三元RC网络，其阻抗随频率的变化轨迹在复平面上为一段圆弧，常用的生物电阻抗分析是通过几个间隔较大的频点拟合出该轨迹。选取的几个频点一般是某一基波f₀的几个谐波a*f₀、b*f₀、c*f₀。[0017]自动平衡电桥：自动平衡电桥通过测量生物体阻抗Z_x两端的电压V_x和流过Z_x上的电路来计算阻抗等参数，依靠一个反馈环路，使得运放的输入G处电压虚地并使电流流过参考电阻R_ref，因此可通过测量参考电阻R_ref上的电压V_ref得到Z_x上通过的电流。

由双路同步模数转换芯片采集待测阻抗Z_x与参考电阻R_ref上同一时刻的电压波形V_ref、V_x，根据那奎斯特采样定律，采样频率f_s要大于两倍有用信号频率，并且为了保证采样信号的信噪比，需要使用12位以上的模数转换芯片。

采样频率f_s与DFT分析的点数N选取：

由于DFT存在栅栏效应，如图4，即频谱是离散的，频率落在离散频点之间信号的其幅度和相位值不能由DFT直接得到，需要根据其附近频点的值推算得到。提高DFT的点数N，可以提高分辨率，及提高离散频谱的密度，进而减小栅栏效应。但是对于功率谱非常集中的单频点复合激励信号，这种推算，即便是运用一些复杂的修正算法，其误差也是非常大的。本发明是通过合理的选择采样频率f_s与DFT分析的点数N，让有用信号的频点都正好落在离散频点之上，从而达到提高分析准确度和减少运算时间的目的。

根据公式(1)选取傅里叶变换的点数N，让DFT在频域的分辨率等于f₀/M，由于多频激励信号源是由DDS产生的正弦信号叠加而成，具有很高的频率精度，所以可保证DFT变换之后f₀的所有谐波信号均正好落在离散频点之上。当然需要保证那奎斯特采样定律及N为整数两个条件能够满足。对于绝大多数的多频生物电阻抗分析，上面两个条件都是可以满足的。

在满足上面的条件下，我们就可以在关心的几个频点a*f₀、b*f₀、c*f₀运用DFT，得到这些频点上V_ref、V_x的模值与相位：

$Z\left({\mathrm{kf}}_0\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X(n/f_s)e^{-j2\mathrm{\πnk}/N}(k=a,b,c)$

由于准确知道激励信号源的频点位置，所以只需要在a*f₀、b*f₀、c*f₀几个频点进行DFT变换，而不是在整个频域对N个频点进行DFT变换，减少了运算量。

DFT计算阻抗：将对应频点上的模值相除再乘以R_ref就是该频点上Z_x的模值Am_pZx，将对应频点上的相位相加就是Z_x的相角。至此，准确获取了Z_x在多个频点上的模值与相角De_gZx。

Claims (2)

1.一种多频点生物电阻抗快速获取方法，其特征在于：在一个FPGA上构建多路直接频率合成器DDS，将多路直接频率合成器DDS输出的单频信号经加法器电路合成为多频点复合激励源V_in，采用自动平衡电桥将多频点复合激励源V_in同时加载至参考电阻R_ref和待测生物体电阻抗Z_x上，再采用双路同步模数转换芯片将参考电阻R_ref上的电压V_ref、待测生物体电阻抗Z_x上的电压V_x转换成数字信号；

选择参考电阻R_ref上的电压V_ref和待测生物体电阻抗Z_x上的电压V_x的采样频率f_s，并选择进行数字傅里叶变换DFT的点数N，采样频率f_s、进行数字傅里叶变换DFT的点数N须满足公式f_s/N=f₀/M，公式中M为自然数，f₀为复合激励源V_in的基波频率，以使参考电阻R_ref上的电压V_ref、待测生物体电阻抗Z_x上的电压V_x中a* f₀、b* f₀、c* f₀频率分量，a、b、c为自然数，恰好落在数字傅里叶变换DFT变换后的M*a+1、M*b+1、M*c+1点处，计算所选择的数字傅里叶变换DFT的点数N的数字傅里叶变换DFT分量，即可得到选择参考电阻R_ref上的电压V_ref、待测生物体电阻抗Z_x上的电压V_x中a* f₀、b* f₀、c* f₀频率分量的幅值与相位，进而获得待测生物体电阻抗Z_x在a* f₀、b* f₀、c* f₀频率处的幅值与相位。

2.根据权利要求1所述的一种多频点生物电阻抗快速获取方法，其特征在于：每路直接频率合成器DDS分别由相位累加器、波形存储器查找表、数模转换器及低通滤波器构成，其中相位累加器和波形存储器查找表是在FPGA中编程实现的，数模转换器及低通滤波器是以外围电路形式接入FPGA实现的，相位累加器以频率控制字K做累加，产生所需的频率控制数据，把得到的频率控制数据作为地址对正弦查询表进行寻址，正弦查询表实质是一个相位／幅度转换电路，正弦查询表中存储二进制码表示所需合成信号幅度值，寻址后输出一个相对应的幅度值，将该幅度信号经数模转换器转化成模拟信号，经滤波器输出。