CN108175408A - 一种生物电阻抗信号产生方法及模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种生物电阻抗信号产生方法及模拟装置，方法为：1.生物电阻抗信号建模；2.数字信号生成；3.阻抗信号和容抗信号生成；4.阻抗和容抗变换5.生物电阻抗信号合成；模拟装置包括，上位机或微处理器、数控电阻、数控电容、阻抗变换电路、容抗变换电路和合成电路。本发明解决生物电阻抗信号时变、非平稳、循环周期、混沌并存在明显个体差异的问题。以及现有技术无法同时满足仪器设计、生产、调试、定标和动物实验测试需求的问题。还解决了现有技术无法动态模拟生理或病理过程生物电阻抗变化的问题。

Description

一种生物电阻抗信号产生方法及模拟装置

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，涉及一种生物电阻抗信号产生方法及模拟装置。

背景技术

生物电阻抗(Bioelectrical Impedance)是生物组织所特有的电学特性，能够反映生物组织的成分、含量和构成。蕴含丰富的生理、病理信息，是基础医学、临床医学和健康学研究的重要内容。在临床医学中，经胸电阻抗的变化可以监测呼吸运动，右心室心尖电阻抗可用作频率自适应心脏起搏器的感知参数，全身电阻抗成像可作为影像诊断的重要手段。在健康保健中，生物电阻抗分析(Bioelectrical Impedance Analysis)可用于人体成分分析、计算人体总含水量(Total Body Water)以及去脂体重(Fat Free Mass)等等。

上述应用均以生物电阻抗测量为基础，而各类生物电阻抗的实质是大量不同种类细胞电学特性的宏观表现。具体到单个细胞，其电阻抗可以用附图1A所示的三元件模型来等效，即以表征细胞内液直流阻抗特性的电阻Ri串联表征细胞膜交流容抗特性的电容Cm，然后二者并联表征细胞外液直流阻抗的电阻Re构成。因此，单个细胞在低频直流激励下表现出纯阻抗的特性，而在高频交流激励下表现出阻抗与容抗并存的特性。生物组织是由大量不同种类细胞构成的，其阻抗特性是所有细胞电学特性的集总体现，故生物组织的电阻抗即可以用附图1B所示的由阻抗Rt与容抗Ct并联连接的并联模型等效，也可以用附图1C所示的由阻抗Rt与容抗Ct串联连接的串联模型等效。因此，生物组织电阻抗在低频直流激励下同样表现出纯阻抗的特性，而在高频交流激励下表现出阻抗与容抗并存的特性。生物组织电阻抗不仅存在频率依赖性，而且是时变的、非平稳的、循环周期的并具有混沌特性的，存在明显的个体差异性。也就是说，在同一生理、病理过程中，生物电阻抗的阻抗Rt与容抗Ct不仅是变化的，而且其变化的统计规律不完全确定，变化周期不完全确定，阻抗值与容抗值同时存在涨落现象，并且不同的生物个体在同一生理、病理过程中也可能表现出不同的电阻抗特性。生物电阻抗的上述特点给对生物电阻抗测量仪器的研发带来了很大的困难：测量仪器的研发需要稳定、可靠和可重复的高质量的标准信号源和严格的质量控制过程才能确保仪器测量的准确性，而生物电阻抗的这些特性使得现有研发过程只能通过对滑动变阻器、精密变阻箱手动调节来测试纯阻抗条件下的测量效果，而无法测试阻抗和容抗同时存在的测量效果，更无法测量容抗动态变化时的测量效果。对某个生理或病理过程中电阻抗变化的测试也只能依靠大量的动物或人体实验来摸索、验证测量过程，而无法实现自动测试过程，必然导致研发难度过大、研发周期过长，研发成本居高不下，使得上述以生物电阻抗测量为基础的基础和临床应用难以推广、难以大规模应用，限制了生物电阻抗测量技术的发展。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种生物电阻抗信号产生方法及模拟装置，结构简单、易于实现、可模拟产生动态变化生物电阻抗信号。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种生物电阻抗信号产生方法，包括下述步骤：

步骤1，生物电阻抗信号建模；对单周期生物电阻抗变化中的纯电阻部分和纯电容部分分别以两个分时作用的正弦函数和一个线性函数建立纯电阻数学模型和纯电容数学模型；

步骤2，数字信号生成；根据步骤1中建立的纯电阻数学模型和纯电容数学模型，得到纯电阻部分和纯电容部分按照时间变化的函数值，作为数字信号；

步骤3，阻抗信号和容抗信号生成；通过数字信号控制数控电阻和数控电容，产生所需模拟的生理或病理过程的动态变化，生成阻抗信号和容抗信号；

步骤4，阻抗和容抗变换；通过对数控电阻和数控电容的动态变化分别进行阻抗变换和容抗变换，将阻抗变化量和容抗变化量调整到所需要的精度和动态范围内，得到调整后的阻抗和容抗；

步骤5，生物电阻抗信号合成；将调整后的阻抗和容抗以并联或串联的方式连接，形成所需要的动态变化的生物电阻抗模型，输出对应的生物电阻抗信号。

优选的，所述步骤1中建立的纯电阻部分数学模型为：

式中：A_R为纯电阻部分的幅度，T₁为信号上升时间，T₂为信号下降时间，K_Rt+b_R为纯电阻部分线性变化成分，K_R为线性变化成分的斜率，b_R为线性变化成分的截距。

优选的，所述步骤1中建立的纯电容部分数学模型为：

式中：A_C为纯电容部分幅度的绝对值，T₁为信号上升时间，T₂为信号下降时间，K_Ct+b_C为纯电容部分线性变化成分，K_C为线性变化成分的斜率，b_C为线性变化成分的截距。

优选的，所述步骤2中，通过上位机或微处理器将函数值转换为驱动数控电阻和数控电容使用的编码值，作为数字信号；

所述步骤3中在上位机或微处理的控制下通过数字信号控制数控电阻和数控电容，产生所需模拟的生理或病理过程的动态变化，生成阻抗信号和容抗信号。

一种生物电阻抗信号模拟装置，包括，

上位机或微处理器，用于对单周期生物电阻抗变化中建立的纯电阻数学模型和纯电容数学模型进行运算，分别获得阻抗和容抗的数字信号以驱动数控电阻和数控电容；

数控电阻，用于接收上位机或微处理器发来的驱动数字信号，在数字信号的控制下改变自身电阻，产生模拟生理或病理过程的动态变化的纯电阻阻抗；

数控电容，用于接收上位机或微处理器发来的驱动数字信号，在数字信号的控制下改变自身电容，产生模拟生理或病理过程的动态变化的纯电容容抗；

阻抗变换电路，用于将阻抗变化量调整到所需要的精度和动态范围内，得到调整后的阻抗；

容抗变换电路，用于将容抗变化量调整到所需要的精度和动态范围内，得到调整后的容抗；

合成电路，用于将调整后的阻抗和容抗以并联或者串联的方式连接，生成所需要的生物电阻抗信号。

优选的，所述数控电阻为Microchip公司生产的MCP41010，所述数控电容为MAXIM公司生产的MAX1474或Xicor公司生产的X90100。

优选的，所述阻抗变换电路由两级负阻抗变换电路级联构成；

第一级负阻抗变换电路由运算放大器A2、电阻R5和电阻R6构成，R5连接运算放大器A2同相输入端与输出端，R6连接运算放大器A2反相输入端与输出端，运算放大器A2的输出端连接串联的电阻R0和可变电阻△R，电流增益为负载阻抗为R0+ΔR；

第二级负阻抗变换电路由运算放大器A1、电阻R3和电阻R4构成，R3连接运算放大器A1同相输入端与输出端，R4连接运算放大器A1反相输入端与输出端，运算放大器A1反相输入端连接运算放大器A2同相输入端，单级电流增益为负载阻抗为第一级负阻抗变换电路等效阻抗；两级负阻抗变换电路级联电流增益为

进一步，第一级负阻抗变换电路等效阻抗为：

优选的，所述容抗变换电路由两级负阻抗变换电路级联构成；

第一级负阻抗变换电路由运算放大器A4、电阻R13R5和电阻R14构成，R13连接运算放大器A4同相输入端与输出端，R14连接运算放大器反相输入端与输出端，运算放大器A4的输出端连接并联的电容C0和可变电容△C，电流增益为负载电容为C0+ΔC；

第二级负阻抗变换电路由运算放大器A3、电阻R11和电阻R12构成，R11连接运算放大器A3同相输入端与输出端，R12连接运算放大器A3反相输入端与输出端，运算放大器A3反相输入端连接运算放大器A4同相输入端，单级电流增益为负载容抗为第一级负阻抗变换电路等效容抗；两级负阻抗变换电路级联电流增益为

进一步，第一级负阻抗变换电路等效容抗为：

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明以对生物电阻抗信号建模产生数字信号替代现有大规模动物实验过程，以灵活多变的模型参数设置解决生物电阻抗信号时变、非平稳、循环周期、混沌并存在明显个体差异的问题。既可以产生确定的生物电阻抗信号满足仪器设计、生产、调试、定标的严苛测量要求，又可以灵活多变地产生各种模拟生理、病理状况的生物电阻抗信号，从而解决现有技术无法同时满足仪器设计、生产、调试、定标和动物实验测试需求的问题。通过以数控电阻、数控电容替代现有手动调节滑动变阻器、精密变阻箱技术，可以分别实现阻抗、容抗在数字信号控制下的连续动态调节，从而解决了现有技术无法动态模拟生理或病理过程生物电阻抗变化的问题。

进一步的，以两级结构简单的负阻抗变换电路构成阻抗、容抗变换电路，即方便地将数控电阻、数控电容产生的阻抗、容抗变化调整到所需要的精度和动态范围内，又确保了阻抗变换过程不引入新的相位差。解决了现有阻抗变换技术会引入相位误差的问题。本发明当外部输入激励信号频率在10KHz以下时，实际阻抗变换比例与理论值偏差很小，相对误差绝对值<5％，且输入信号幅度对阻抗变换比例影响不大。

附图说明

图1A为单个细胞的生物电阻抗等效模型示意图。

图1B为生物组织电阻抗并联等效模型示意图。

图1C为生物组织电阻抗串联等效模型示意图。

图2为本发明生物电阻抗信号产生方法的步骤图。

图3为本发明信号模拟装置的结构示意图。

图4为负阻抗变换电路原理图。

图5为本发明阻抗变换电路原理图。

图6为本发明容抗变换电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体的右心室心尖生物电阻抗信号产生方法及信号模拟装置实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明针对现有生物电阻抗信号产生方法无法同时满足仪器设计、生产、调试、定标和动物实验测试需求、无法动态模拟生理或病理过程生物电阻抗变化、现有阻抗变换技术会引入相位误差的问题，提出了一种生物电阻抗信号产生方法及模拟装置。

本发明的发明点在于：以对生物电阻抗信号建模产生数字信号替代现有大规模动物实验过程，以灵活多变的模型参数设置解决生物电阻抗信号时变、非平稳、循环周期和混沌并存在明显个体差异的问题；以数控电阻和数控电容替代现有手动调节滑动变阻器和精密变阻箱技术，可以分别实现阻抗和容抗在数字信号控制下的连续动态调节以及以两级结构简单的负阻抗变换电路构成阻抗和容抗变换电路，即方便地将数控电阻和数控电容产生的阻抗和容抗变化调整到所需要的精度和动态范围内，又确保了阻抗变换过程不引入新的相位差的问题。

通过分别对生理、病理过程中变化的生物电阻抗信号建模，以数字方式产生可模拟生理、病理变化过程的仿真生物电阻抗信号，并以数字方式控制数控电阻和数控电容按需要产生动态变化的阻抗和容抗信号，再分别以两级负阻抗变换电路将产生的阻抗和容抗信号调整到所需要的精度和动态范围内，然后将所获得的动态变化的阻抗信号和容抗信号并联或串联形成所需要的生物电阻抗信号。

参见图2，本发明一种生物电阻抗信号产生方法，包括下述步骤：

步骤1，生物电阻抗信号建模。对单周期阻抗变化中的纯电阻部分和纯电容部分分别以两个分时作用的正弦函数和一个线性函数建立数学模型，其中纯电阻部分数学模型为：

式中：A_R为纯电阻部分的幅度，T₁为信号上升时间，T₂为信号下降时间，K_Rt+b_R为纯电阻部分线性变化成分，K_R为线性变化成分的斜率，b_R为线性变化成分的截距。

以右心室心尖为例，两个分时作用的正弦函数分别描述了右室心尖生物电阻抗中手心脏收缩影响而产生的阻抗信号上升沿和下降沿的变化过程，线性变化过程用于描述受代谢、情绪或药物影响而产生的极低频阻抗线性上升或线性下降过程。

纯电容部分数学模型为：

式中：A_C为纯电容部分幅度的绝对值，T₁为信号上升时间，T₂为信号下降时间，K_Ct+b_C为纯电容部分线性变化成分，K_C为线性变化成分的斜率，b_C为线性变化成分的截距。

以右心室心尖为例，两个分时作用的正弦函数分别描述了右室心尖生物电阻抗中手心脏收缩影响而产生的容抗信号上升沿和下降沿的变化过程，由于阻抗和容抗均由心肌细胞形变而产生，心肌细胞收缩时阻抗增大而容抗减小，故容抗相位与阻抗相位相差π。线性变化过程用于描述受代谢、情绪或药物影响而产生的极低频容抗线性上升或线性下降过程。

步骤2，数字信号生成。根据步骤1式(1)、(2)，在上位机或微处理器中生成R(t)、C(t)按照时间变化的函数值。供步骤3使用。

步骤3，生物电阻抗信号生成。将步骤2产生的R(t)、C(t)按照时间变化的函数值转换为驱动数控电阻、数控电容使用的编码值，在微处理器控制下分别送往数控电阻、数控电容控制数控电阻、数控电容按需变化。

步骤4，阻抗和容抗变换。将按需变化的数控电阻、数控电容分别送往以两级负阻抗变换电路构成的阻抗、容抗变换电路，将阻抗、容抗变化量调整到所需要的精度和动态范围内。如附图4负阻抗变换电路原理图所示，常规负阻抗变换电路主要用于改变电路阻抗的性质，如容抗变为感抗、感抗变为容抗，其等效阻抗为：

其中，为电流增益。

本发明使用两级负阻抗变换电路级联构成阻抗变换电路，从而消除阻抗变换的相位差，如附图5阻抗变换电路原理图所示，其等效阻抗为：

其中，优选地，R3为200Ω，R4为1kΩ，R5为300Ω，R6为2.4kΩ，R0为16kΩ，ΔR变化范围为10kΩ，则Z_in变化范围为16kΩ至26kΩ，ΔR每调节步长由40Ω调整为ΔZ为1Ω，与动物实验数据基本吻合。

本发明使用两级负阻抗变换电路级联构成容抗变换电路，从而消除容抗变换的相位差，如附图6容抗变换电路原理图所示，其等效容抗为：

其中，优选地，R11为6.1kΩ，R12为1kΩ，R13为1kΩ，R14为1kΩ，C0为180pF，ΔC变化范围为7pF，则Z_in变化范围为1100pF至1140pF，ΔC每调节步长由0.22pF调整为1.34pF，与动物实验数据基本吻合。

步骤5，生物电阻抗信号合成。将调整到所需要的精度和动态范围内的阻抗和容抗以并联或串联的方式连接，形成所需要的动态变化的生物电阻抗信号。

与之相应地，一种生物电阻抗信号模拟装置，参见图3，包括下述模块：

模块1，微处理器或上位机。以微处理器或上位机对建立的数学模型进行运算，分别获得阻抗、容抗的数字信号以驱动数控电阻和数控电容。

模块2，数控电阻。数控电阻接收上位机或微处理器发来的驱动编码数字信号，在编码的控制下按需改变自身电阻，产生模拟生理或病理过程的动态变化的纯电阻阻抗。优选地，数控电阻为Microchip公司生产的MCP41010，使用SPI接口，2.7V～5.5V单电源工作，端到端电阻10kΩ，有256个抽头，在SPI接口控制下电阻呈线性变化。

模块3，数控电容。数控电容接收上位机或微处理器发来的驱动编码数字信号，在编码的控制下按需改变自身电容，产生模拟生理或病理过程的动态变化的纯电容容抗。优选地，数控电容为MAXIM公司生产的MAX1474，容值可调范围是6.4pF～13.3pF，32级可编程调节，每级变化量0.22pF；或Xicor公司生产的X90100，容值可调范围是7.5pF～14.5pF，32级可编程调节，每级变化量0.23pF。

模块4，阻抗变换电路。以两级负阻抗变换电路构成的阻抗变换电路，将阻抗变化量调整到所需要的精度和动态范围内。如附图5所示，第一级负阻抗变换电路由运算放大器A2、电阻R5、R6构成，R5连接运算放大器A2同相输入端与输出端，R6连接运算放大器A2反相输入端与输出端，运算放大器A2的输出端连接串联的电阻R0和数控电阻△R，电流增益为负载阻抗为R0+ΔR；第二级负阻抗变换电路由运算放大器A1、电阻R3、R4构成，R3连接运算放大器A1同相输入端与输出端，R4连接运算放大器A1反相输入端与输出端，运算放大器A1反相输入端连接运算放大器A2同相输入端，单级电流增益为负载阻抗为第一级负阻抗变换电路等效阻抗。两级负阻抗变换电路级联电流增益为

模块5，容抗变换电路。以两级负阻抗变换电路构成的容抗变换电路，将容抗变化量调整到所需要的精度和动态范围内。如附图6所示，第一级负阻抗变换电路由运算放大器A4、电阻R13、R14构成，R13连接运算放大器A4同相输入端与输出端，R14连接运算放大器A4反相输入端与输出端，运算放大器A4的输出端连接并联的电容C0和数控电容△C，电流增益为负载电容为C0+ΔC；第二级负阻抗变换电路由运算放大器A3、电阻R11、R12构成，R11连接运算放大器A3同相输入端与输出端，R12连接运算放大器A3反相输入端与输出端，运算放大器A3反相输入端连接运算放大器A4同相输入端，单级电流增益为负载容抗为第一级负阻抗变换电路等效容抗。两级负阻抗变换电路级联电流增益为

模块6，合成电路。用于将经阻抗变换电路和容抗变换电路调整后的阻抗和容抗以并联或者串联的方式连接，生成所需要的生物电阻抗信号。

采用本发明所述的生物电阻抗信号产生方法和信号模拟装置可以通过设置相关参数，动态地输出不同频率、不同变化幅度的阻抗和容抗信号，合成所需的生物电阻抗信号，不仅能够获得稳定、可靠以及可重复性强的高质量阻抗信号源，而且可以替代部分动物实验测试，缩短实验时间、降低实验难度、节约实验成本，为各类生物电阻抗检测电路的设计、调试、生产测试和定标提供了实用工具。

Claims (10)

1.一种生物电阻抗信号产生方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1，生物电阻抗信号建模；对单周期生物电阻抗变化中的纯电阻部分和纯电容部分分别以两个分时作用的正弦函数和一个线性函数建立纯电阻数学模型和纯电容数学模型；

步骤2，数字信号生成；根据步骤1中建立的纯电阻数学模型和纯电容数学模型，得到纯电阻部分和纯电容部分按照时间变化的函数值，作为数字信号；

步骤3，阻抗信号和容抗信号生成；通过数字信号控制数控电阻和数控电容，产生所需模拟的生理或病理过程的动态变化，生成阻抗信号和容抗信号；

步骤4，阻抗和容抗变换；通过对数控电阻和数控电容的动态变化分别进行阻抗变换和容抗变换，将阻抗变化量和容抗变化量调整到所需要的精度和动态范围内，得到调整后的阻抗和容抗；

步骤5，生物电阻抗信号合成；将调整后的阻抗和容抗以并联或串联的方式连接，形成所需要的动态变化的生物电阻抗模型，输出对应的生物电阻抗信号。

2.如权利要求1所述的一种生物电阻抗信号产生方法，其特征在于，所述步骤1中建立的纯电阻部分数学模型为：

式中：A_R为纯电阻部分的幅度，T₁为信号上升时间，T₂为信号下降时间，K_Rt+b_R为纯电阻部分线性变化成分，K_R为线性变化成分的斜率，b_R为线性变化成分的截距。

3.如权利要求1所述的一种生物电阻抗信号产生方法，其特征在于，所述步骤1中建立的纯电容部分数学模型为：

式中：A_C为纯电容部分幅度的绝对值，T₁为信号上升时间，T₂为信号下降时间，K_Ct+b_C为纯电容部分线性变化成分，K_C为线性变化成分的斜率，b_C为线性变化成分的截距。

4.如权利要求1所述的一种生物电阻抗信号产生方法，其特征在于，所述步骤2中，通过上位机或微处理器将函数值转换为驱动数控电阻和数控电容使用的编码值，作为数字信号；

所述步骤3中在上位机或微处理的控制下通过数字信号控制数控电阻和数控电容，产生所需模拟的生理或病理过程的动态变化，生成阻抗信号和容抗信号。

5.一种生物电阻抗信号模拟装置，其特征在于，包括，

上位机或微处理器，用于对单周期生物电阻抗变化中建立的纯电阻数学模型和纯电容数学模型进行运算，分别获得阻抗和容抗的数字信号以驱动数控电阻和数控电容；

数控电阻，用于接收上位机或微处理器发来的驱动数字信号，在数字信号的控制下改变自身电阻，产生模拟生理或病理过程的动态变化的纯电阻阻抗；

数控电容，用于接收上位机或微处理器发来的驱动数字信号，在数字信号的控制下改变自身电容，产生模拟生理或病理过程的动态变化的纯电容容抗；

阻抗变换电路，用于将阻抗变化量调整到所需要的精度和动态范围内，得到调整后的阻抗；

容抗变换电路，用于将容抗变化量调整到所需要的精度和动态范围内，得到调整后的容抗；

合成电路，用于将调整后的阻抗和容抗以并联或者串联的方式连接，生成所需要的生物电阻抗信号。

6.如权利要求5所述的一种生物电阻抗信号模拟装置，其特征在于，所述数控电阻为Microchip公司生产的MCP41010，所述数控电容为MAXIM公司生产的MAX1474或Xicor公司生产的X90100。

7.如权利要求5所述的一种生物电阻抗信号模拟装置，其特征在于，所述阻抗变换电路由两级负阻抗变换电路级联构成；

第一级负阻抗变换电路由运算放大器A2、电阻R5和电阻R6构成，R5连接运算放大器A2同相输入端与输出端，R6连接运算放大器A2反相输入端与输出端，运算放大器A2的输出端连接串联的电阻R0和可变电阻△R，电流增益为负载阻抗为R0+ΔR；

第二级负阻抗变换电路由运算放大器A1、电阻R3和电阻R4构成，R3连接运算放大器A1同相输入端与输出端，R4连接运算放大器A1反相输入端与输出端，运算放大器A1反相输入端连接运算放大器A2同相输入端，单级电流增益为负载阻抗为第一级负阻抗变换电路等效阻抗；两级负阻抗变换电路级联电流增益为

8.如权利要求7所述的一种生物电阻抗信号模拟装置，其特征在于，第一级负阻抗变换电路等效阻抗为：

9.如权利要求5所述的一种生物电阻抗信号模拟装置，其特征在于，所述容抗变换电路由两级负阻抗变换电路级联构成；

第一级负阻抗变换电路由运算放大器A4、电阻R13R5和电阻R14构成，R13连接运算放大器A4同相输入端与输出端，R14连接运算放大器反相输入端与输出端，运算放大器A4的输出端连接并联的电容C0和可变电容△C，电流增益为负载电容为C0+ΔC；

第二级负阻抗变换电路由运算放大器A3、电阻R11和电阻R12构成，R11连接运算放大器A3同相输入端与输出端，R12连接运算放大器A3反相输入端与输出端，运算放大器A3反相输入端连接运算放大器A4同相输入端，单级电流增益为负载容抗为第一级负阻抗变换电路等效容抗；两级负阻抗变换电路级联电流增益为

10.如权利要求9所述的一种生物电阻抗信号模拟装置，其特征在于，第一级负阻抗变换电路等效容抗为：