CN113080923A - 一种基于电桥法的等效生物电阻抗测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电桥法的等效生物电阻抗测量方法，所述系统以扫频的形式产生激励测试信号，并通过由运放搭建的自适应平衡电桥实现等效生物电阻抗值的测量，流经人体后的测试信号进入放大电路，对所测得的信号进行放大，之后进入高通滤波电路过滤掉工频干扰等低频杂波，并通过混频器技术降低测量信号频率，实现人体等效生物电阻抗中相位角的直接测量，解决了现有技术中的生物电阻抗测量在高频激励信号下相位角的测量误差较大所导致的测量准确性较低技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学工程技术领域，尤其涉及一种基于电桥法的等效生物电阻抗测量方法。
背景技术
生物电阻抗测量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生物生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术，具有无创、快速、相对成本低、安全、操作简便、可重复性高和反应信息丰富、无交叉感染风险等优点，广泛应用于疾病的动态监测和诊疗，其检测原理是通过相邻的表面电极释放小量交流电,同时在体表横截面的其他电极测量不同电极间的差异,测量的差异取决于在体内组织导电率的差异以及组织生物电特征。因此，生物电阻抗测量技术已成为辅助临床诊疗中一种新兴技术并广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电桥法的等效生物电阻抗测量方法，旨在解决现有技术中的生物电阻抗测量在高频激励信号下相位角的测量误差较大所导致的测量准确性较低技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的一种基于电桥法的等效生物电阻抗测量方法，包括下列步骤：
系统供电，模块组初始化；
所述系统接到测试指令，产生测试信号；
所述测试信号流经人体，获得测量信号；
所述测量信号返回所述系统；
所述系统处理信息，输出结果。
其中，所述模块组包括上位机、单片机、信号发生器、椭圆滤波电路、自适应平衡电桥电路、放大电路、高通滤波电路、混频器和两组A/D转换电路，各模块依次设置，且模块间电性连接。
其中，在所述系统接到测试指令，产生测试信号的过程中，所述上位机发出所述测试指令，所述单片机将所述测试指令解码，控制所述信号发生器产生测试信号。
其中，在所述测试信号流经人体，获得测量信号的过程中，所述测试信号依次经过所述椭圆滤波电路和所述自适应平衡电桥电路，再流经人体。
其中，所述测量信号在返回所述系统后首先进入所述放大电路，获得放大信号。
其中，在所述系统处理信息，输出结果的过程中，包括下列步骤：
所述放大信号进入高通滤波电路，获得高频信号；
所述高频信号分路；
第一路所述高频信号进入混频器，获得相位角数据；
第二路所述高频信号进入A/D转换电路，获得直流分量数据；
所述相位角数据流经A/D转换电路进入单片机；
所述直流分量数据直接送回单片机；
所述单片机进行计算，输出结果传输给上位机。
本发明的一种基于电桥法的等效生物电阻抗测量方法，所述系统以扫频的形式产生激励测试信号，并通过由运放搭建的自适应平衡电桥实现等效生物电阻抗值的测量，流经人体后的测试信号进入放大电路，对所测得的信号进行放大，之后进入高通滤波电路过滤掉工频干扰等低频杂波，并通过混频器技术降低测量信号频率，实现人体等效生物电阻抗中相位角的直接测量，解决了现有技术中的生物电阻抗测量在高频激励信号下相位角的测量误差较大所导致的测量准确性较低技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种基于电桥法的等效生物电阻抗测量方法的流程示意图。
图2是本发明的一种基于电桥法的等效生物电阻抗测量方法的信号流向图。
图3是四电极测量方法的构成示意图。
图4是经典惠斯通电桥原理图。
图5是本发明的自适应平衡电桥原理图。
图6是本发明的混频器技术原理图。
图7是本发明的混频器的相位测量理想传输特性图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，本发明提出了一种基于电桥法的等效生物电阻抗测量方法，包括下列步骤：
S1：系统供电，模块组初始化；
S2：所述系统接到测试指令，产生测试信号；
S3：所述测试信号流经人体，获得测量信号；
S4：所述测量信号返回所述系统；
S5：所述系统处理信息，输出结果。
其中，所述模块组包括上位机、单片机、信号发生器、椭圆滤波电路、自适应平衡电桥电路、放大电路、高通滤波电路、混频器和两组A/D转换电路，各模块依次设置，且模块间电性连接。
其中，在所述系统接到测试指令，产生测试信号的过程中，所述上位机发出所述测试指令，所述单片机将所述测试指令解码，控制所述信号发生器产生测试信号。
其中，在所述测试信号流经人体，获得测量信号的过程中，所述测试信号依次经过所述椭圆滤波电路和所述自适应平衡电桥电路，再流经人体。
其中，所述测量信号在返回所述系统后首先进入所述放大电路，获得放大信号。
其中，在所述系统处理信息，输出结果的过程中，包括下列步骤：
所述放大信号进入高通滤波电路，获得高频信号；
所述高频信号分路；
第一路所述高频信号进入混频器，获得相位角数据；
第二路所述高频信号进入A/D转换电路，获得直流分量数据；
所述相位角数据流经A/D转换电路进入单片机；
所述直流分量数据直接送回单片机；
所述单片机进行计算，输出结果传输给上位机。
进一步地，所述系统中各模块之间的联系以及信号流向请参阅图2。
以下为本发明的一种基于电桥法的等效生物电阻抗测量方法的具体实施例：
等效生物电阻抗的测量过程中，主要分为：阻抗值测量，阻抗中阻值部分的测量和阻抗中相位角部分的测量三部分。测试中选用四电极测量方法，请参阅图3，选用一组电极片作为激励端，施加测试激励信号，另一组电极片作为测试端，进行测试信号的采集。依据检测内容的不同选择不同频段的激励信号，目前常用的测试频段主要集中在低频段(1KHz—500KHz)，高频段(1MHz-100MHz)两部分，低频测试信号主要反映体成分信息，高频测试信号主要反映血液成分信息，本具体实施例针对激励信号频段为高频测试频段展开研究，解决高频测试部分的阻抗测不准问题，并从两个部分进行论述：
1.自适应平衡电桥部分
现阶段电子技术的发展，对阻抗的测量方式，从原理角度分析主要有电桥法、谐振法以及矢量阻抗法三大类别。其中谐振法通过已知电感参数以及测定谐振频率计算出被测器件参数值，较为简单快捷。谐振法主要适用于高频信号测量，但自身抗干扰能力较差，无法实现精确测量。矢量阻抗法的原理为：经过量程电阻的电流与被测阻抗的电流相等，从而求得被测阻抗的参数。矢量阻抗法所需的实验条件较为简单直接，但其测试环境要求较高，不便于多次便携测量，而电桥法可以利用电桥平衡进行阻抗测量，不仅能实现精确检测，同时具有较高的抗干扰能力，因此选用电桥法搭建测试平台。
如图4所示为经典惠斯通电桥原理图，其中R1,R2,Rz,Rx构成四臂电桥。当检流计G的示数为0时，表示电桥平衡，此时有公式：
R1*Rx＝R2*Rz
以上述电桥为基础，设计自适应平衡电桥。具体自适应平衡电桥电路请参阅图5，当运放处于深度负反馈状态时，此时具有“虚短”，“虚断”特性，图示中a点，b点的电位相同，为零电势位。调节数字电位计Rz，使d点电位为0时，a点电位与d点电位相同，即为上述惠斯通电桥中的B点，D点。以此分析，自适应平衡电桥中的输入Ui体现为惠斯通电桥中A点电势位，自适应平衡电桥中的c点电势位体现为惠斯通电桥中C点电势位，其余电阻一一对应，完成电桥电路的搭建。
当满足平衡状态时，对自适应平衡电桥电路的c点为节点进行基尔霍夫电流定律分析，具体过程如下：
i1＝iz
i1＝Ui/R1
iz＝-Uc/RZ
i2＝ix
i2＝-Uc/R2
i2+iz＝ix+i1
整理上述公式，得到：
(-Uc/R2)+(-Uc/Rz)＝(U1/Rx)+(U1/R1)
当满足R1＝R2时，有：
iz＝i2+i3
i3＝(Uc-Uo)/R3
得到公式：
整理公式得到：
当满足R1＝R2＝R3时，得到最终关于待测阻抗Rx的表达式为：
上述过程介绍运用自平衡电桥法进行阻抗检测的完整过程。通过数字电位计Rz的调节，实现电桥电路的自平衡状态，同时解决针对不同测试对象所产生的阻抗不匹配问题，提高测量部分的抗干扰能力，降低等效生物电阻抗检测的误差问题。
2.混频器部分
现阶段常用的模拟鉴相技术主要为乘积型鉴相技术与微波鉴相技术。其中微波鉴相技术中对输入的射频信号直接进行比较，受通道的高增益及宽动态要求，通道间相位一致性指标随着频率的升高而变的敏感，难以已实现对高频信号相位角的精确测量。模拟鉴相技术对前级信号的输入要求较高，目前常对双路信号做对数化处理，把线性域中的比值信息转换成对数域中的差值信息进行计算，但两个通道在相同的频率和相同的输入网络，那么阻抗不匹配和反射损耗基本上成为共模干扰，同时外部接收端电路的不匹配可能引起测量误差，导致人体相位角的小角度信号测量不准确问题。
为了解决两路信号为相同频率下所引起的干扰，运用混频器技术，设计可以实现同频检测，并直接测得相位角信息的鉴相电路。
混频器原理如图6所示，图示中流经人体后带有信息的测试信号为：
标准测试信号为：
经过混频器处理后输出信号为：
由混频器输出信号可知，混频器输出具有低频信号与高频信号两部分，分别对应选择低通滤波器与高通滤波器，采集得到对应低频信号：YL＝V cos(ψ)与高频信号：
通过上述低通滤波器后的信号YL＝V cos(ψ)为包含有相位角信息的信号，将测试信号直接进行A/D转换电路采集，可以得到其直流分量yL＝V sin(ψ)。两者进行求平方和处理后，得到高频信号电压幅值V，之后进行反三角函数计算，即可得到相位角ψ。
ψ＝arccos(YL)
自适应平衡电桥中，在电桥平衡后，数字电位计所对应的数值为等效生物电阻抗的阻抗Z，之后可直接计算出等效生物电阻抗的阻值R。
在给定测试激励信号幅值为500mV的条件下，运用混频器进行相位测量的理想传输特性图如图7所示，运用混频器技术进行高频信号鉴相时，可以通过不同信号放大器对微小信号进行放大，不会产生共模干扰，实现同频率信号之间的检测。并通过混频技术直接读取相位信息，只需要提供高精度基准电压，减少中间测量步骤，降低检测过程误差的产生及传递环节，有效提升检测过程的精度。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种基于电桥法的等效生物电阻抗测量方法，其特征在于，包括下列步骤：
系统供电，模块组初始化；
所述系统接到测试指令，产生测试信号；
所述测试信号流经人体，获得测量信号；
所述测量信号返回所述系统；
所述系统处理信息，输出结果。
2.如权利要求1所述的基于电桥法的等效生物电阻抗测量方法，其特征在于，所述模块组包括上位机、单片机、信号发生器、椭圆滤波电路、自适应平衡电桥电路、放大电路、高通滤波电路、混频器和两组A/D转换电路，各模块依次设置，且模块间电性连接。
3.如权利要求2所述的基于电桥法的等效生物电阻抗测量方法，其特征在于，在所述系统接到测试指令，产生测试信号的过程中，
所述上位机发出所述测试指令，所述单片机将所述测试指令解码，控制所述信号发生器产生测试信号。
4.如权利要求3所述的基于电桥法的等效生物电阻抗测量方法，其特征在于，在所述测试信号流经人体，获得测量信号的过程中，
所述测试信号依次经过所述椭圆滤波电路和所述自适应平衡电桥电路，再流经人体。
5.如权利要求4所述的基于电桥法的等效生物电阻抗测量方法，其特征在于，所述测量信号在返回所述系统后首先进入所述放大电路，获得放大信号。
6.如权利要求5所述的基于电桥法的等效生物电阻抗测量方法，其特征在于，在所述系统处理信息，输出结果的过程中，包括下列步骤：
所述放大信号进入高通滤波电路，获得高频信号；
所述高频信号分路；
第一路所述高频信号进入混频器，获得相位角数据；
第二路所述高频信号进入A/D转换电路，获得直流分量数据；
所述相位角数据流经A/D转换电路进入单片机；
所述直流分量数据直接送回单片机；
所述单片机进行计算，输出结果传输给上位机。
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| CN113080923B (zh) | 2024-04-02 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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