CN116115186B - 一种生物组织成分检测的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物组织成分检测的方法及系统，其方法包括：生成交流激励信号，输入待检测生物组织，获取电流响应信号；向所述待检测生物组织发射射频发射信号，接收射频反射信号，处理后获得中频回波信号；对所述中频回波信号进行锁相检测处理；对锁相检测处理结果进行归一化处理；对归一化处理结果进行分析处理，得到生物组织成分检测结果。本发明通过对待检测生物组织施加中频激励，发射并接收连续波射频信号，根据不同的生物组织具有不同的射频介电性能分析处理得出不同生物组织成分的含量，不仅能同步检测多种生物组织成分，且可调节连续波射频信号频率实现对不同深度的生物组织成分的检测，准确度高，成本较低，具有较高的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及生物组织成分检测技术领域，尤其涉及一种生物组织成分检测的方法及系统。
背景技术
目前的生物组织成分检测技术受诸多因素影响，准确度不高，且解析维度较低，以体脂为例，现有最常见的体脂测量方法是生物阻抗法(BIA)，即利用两个或多个电极接触表皮测量电极之间的阻抗并进一步计算体脂，其理论基础是肌肉组织和脂肪组织的电导率不同，这种方法简单廉价，适合居家自我监测，但其准确度受电极接触状态、表皮的干燥程度、身体肌肉组织状态等多重因素影响。而现有体质测量的金标准方法是双能X射线方法(DEXA)，即利用两个低辐射源对身体进行照射，利用身体不同组织(矿物质、瘦身体、脂肪)对X射线吸收率不同的原理来测量体内脂肪含量，这种方法准确率较高，但依赖于大型专业仪器，成本较高，只适合医院等专业机构使用。而且以上两种方法均存在解析维度低、依赖两室-四室模型的问题，仅能做简单区体脂，难以对水分、肌肉、矿物质等进行精细的解析。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种生物组织成本检测的方法及系统，通过对待检测生物组织施加中频激励，发射并接收连续波射频信号，根据不同的生物组织具有不同的射频介电性能分析处理得出不同生物组织成分的含量，不仅能同步检测多种生物组织成分，且可调节连续波射频信号频率实现对不同深度的生物组织成分的检测，准确度高，成本较低，具有较高的应用价值。
本发明提出了一种生物组织成分检测的方法，包括：
基于中频激励模块生成交流激励信号，基于接触电极将所述交流激励信号输入待检测生物组织，并基于接触电极获取电流响应信号；
基于设置在射频激励模块上的射频收发天线向所述待检测生物组织发射射频发射信号，并接收从所述待检测生物组织反射的射频反射信号，将所述射频发射信号与所述射频反射信号进行混频放大处理后获得中频回波信号，并传输至锁相检测模块；
基于锁相检测模块以所述交流激励信号为参考信号对所述中频回波信号进行锁相检测处理，得到锁相检测处理结果，所述锁相检测处理的检测相位为-10～10度；
对所述锁相检测处理结果进行归一化处理，得到归一化处理结果；
基于数据处理模块对归一化处理结果进行分析处理，得到生物组织成分检测结果。
进一步的，所述交流激励信号为频率为100-100kHz、幅度为500mV-5V的单频正弦波，或所述交流激励信号为频率为100-100kHz、幅度为500mV-5V的方波。
进一步的，所述接触电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极的间距大于5cm。
进一步的，所述射频发射信号为连续波射频信号，所述射频发射信号的频率为0.5-5GHz。
进一步的，所述射频收发天线位于所述第一电极和第二电极的中间区域，且与所述待检测生物组织的间距为1-5cm。
进一步的，所述将所述射频发射信号与所述射频反射信号进行混频放大处理后获得中频回波信号包括：
对所述射频发射信号与所述射频反射信号进行混频处理，并经过多级放大处理，得到中频回波信号。
进一步的，所述对所述锁相检测处理结果进行归一化处理，得到归一化处理结果包括：
以所述电流响应信号为参考信号对所述锁相检测处理结果进行归一化处理，得到所述锁相检测处理结果的归一化处理结果。
进一步的，所述基于数据处理模块对归一化处理结果进行分析处理包括：
在所述归一化处理结果中选取一个以上的固定频率点，读取对应的中频回波信号强度并进行计算。
本发明还提出了一种生物组织成分检测系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序以实现上述的一种生物组织成分检测的方法。
本发明基于中频激励模块对待检测生物组织施加中频激励，使所述待检测生物组织的射频介电性能受到激励处于波动状态，基于设置在射频激励模块上的射频收发天线发射射频发射信号，接收从待检测生物组织反射的射频反射信号，将所述射频发射信号和所述射频反射信号进行混频放大处理后获得中频回波信号，并进行锁相检测处理、归一化处理和分析处理，根据不同生物组织具有不同的射频介电特性，解析出不同生物组织成分的含量，能克服电极接触状态及待检测生物组织表面干燥程度的影响，准确度高；检测装置结构简单，成本较低；使用射频激励模块发射连续波射频信号，可同步检测多种生物组织成分参数，同时可调节连续波射频信号频率，实现对不同深度的生物组织成分进行检测，具有较高的应用价值。
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，显而易见的，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它的附图。
图1是本发明实施例中的生物组织成分检测的方法流程图；
图2是本发明实施例中的生物组织成分检测系统结构原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。
另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明实施例所涉及的生物组织成分检测的方法，包括：基于中频激励模块生成交流激励信号，基于接触电极将所述交流激励信号输入待检测生物组织，并基于接触电极获取电流响应信号；基于设置在射频激励模块上的射频收发天线向所述待检测生物组织发射射频发射信号，并接收从所述待检测生物组织反射的射频反射信号，将所述射频发射信号与所述射频反射信号进行混频放大处理后获得中频回波信号，并传输至锁相检测模块；基于锁相检测模块以所述交流激励信号为参考信号对所述中频回波信号进行锁相检测处理，得到锁相检测处理结果，所述锁相检测处理的检测相位为-10～10度；对所述锁相检测处理结果进行归一化处理，得到归一化处理结果；基于数据处理模块对归一化处理结果进行分析处理，得到生物组织成分检测结果。
在本实施例的一个可选实现方式中，如图1和图2所示，图1示出了本发明实施例中的生物组织成分检测的方法流程图，图2示出了本发明实施例中的生物组织成分检测系统结构原理图。
具体的，如图2所示，包括待检测生物组织101、接触电极102、中频激励模块103、射频收发天线104、射频激励模块105、锁相检测模块106。
在本实施例的一个可选实现方式中，如图1所示，包括以下步骤：
S101、基于中频激励模块生成交流激励信号，基于接触电极将所述交流激励信号输入待检测生物组织，并基于接触电极获取电流响应信号；
这里基于中频激励模块的中频信号生成模块生成交流激励信号AC(AlternatingCurrent)，并基于贴合在待检测生物组织上的接触电极将所述交流激励信号AC输入待检测生物组织中，并检测待检测生物组织产生的反应电流。
在本实施例的一个可选实现方式中，所述交流激励信号可为频率为100-100kHz、幅度为500mV-5V的单频正弦波信号，所述幅度为峰峰值电压。
更多的，所述交流激励信号可为频率为100-100kHz，幅度为500mV-5V的方波信号，所述幅度为峰峰值电压。
在本实施例的一个可选实现方式中，所述接触电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极的间距大于5cm。
优选的，所述第一电极和第二电极的间距为10cm。
这里设置所述第一电极和第二电极的间距大于5cm，使得中频激励模块基于接触电极输入的交流激励信号在待检测生物组织的作用区域与射频激励模块基于射频收发天线发射的射频发射信号在待检测生物组织的作用区域重叠，提高检测的准确性.。
需要说明的是，这里基于中频激励模块对待检测生物组织施加中频激励，会使所述待检测生物组织的射频介电性能受到激励并处于波动状态，即使待检测生物组织处于活跃状态，使得后续的检测更为准确。
S102、基于设置在射频激励模块上的射频收发天线向所述待检测生物组织发射射频发射信号，并接收从所述待检测生物组织反射的射频反射信号；
在本实施例的一个可选实现方式中，所述射频收发天线的数量为一个以上。
优选的，所述射频收发天线的数量为两个。
在本实施例的一个可选实现方式中，所述射频发射信号为连续波射频信号。
在本实施例的一个可选实现方式中，所述射频发射信号的频率为0.5-5GHz。
需要说明的是，所述射频发射信号具有一定的穿透性，可穿透待检测生物组织的表面皮肤进入组织内部，并在组织内发射一系列的相互作用，射频发射信号所能穿透皮肤的深度受频率的影响，一般来说，频率越低，穿透深度就越深，例如，频率为50GHz的高频射频信号具有光学性质，在生物组织皮肤表面大部分会直接反射，因此深入生物组织的深度仅为数个毫米，而0.5GHz的低频射频信号可以深入生物组织的几十厘米处，这里即可实现在同步检测多种生物组织成分参数的同时，通过调节连续波射频信号的频率，实现对不同深度的生物组织成分进行检测。
在本实施例的一个可选实现方式中，所述射频收发天线均位于所述第一电极和第二电极这两个电极之间的中间区域，且所述射频收发天线与待检测生物组织的间距为1-5cm。
优选的，所述射频收发天线与待检测生物组织的间距为3cm。
需要说明的是，所述射频激励模块基于支撑结构予以支撑，与所述待检测生物组织互相之间保持静止状态。
这里设置所述射频收发天线位于所述第一电极和第二电极之间的中间区域，且与待检测生物组织的间距为1-5cm，使得中频激励模块基于接触电极输入的交流激励信号在待检测生物组织的作用区域与射频激励模块基于射频收发天线发射的射频发射信号在待检测生物组织的作用区域重叠，提高检测的准确性，且设置所述射频收发天线与待检测生物组织的间距为1-5cm，使得所述射频收发天线发射与接收的连续波射频信号的效率最高，提高检测的准确性。
S103、将所述射频发射信号与所述射频反射信号进行混频放大处理后获得中频回波信号，并传输至锁相检测模块；
这里基于射频激励模块的射频信号处理模块将所述射频发射信号与从待检测生物组织反射的射频发射信号进行混频处理并进行多级放大处理获得中频回波信号，并传输至锁相检测模块。
具体的，所述混频处理，即利用非线性元件组成的混频器，把两个不同频率的电信号进行混合，并通过选频回路得到第三个频率的信号的过程；在本实施例中，如果中频激励模块未对待检测生物组织施加中频激励，则待检测生物组织处于完全的静态，则射频激励模块所接收到的射频反射信号与发射的射频发射信号会完全同频且稳定，这时通过混频器对射频发射信号和射频反射信号进行混频处理，会输出稳定直流信号；如果中频激励模块对待检测生物组织施加了中频激励，则待检测生物组织的介电性能会出现周期性变化，则射频激励模块所接收的射频反射信号也会出现周期性变化，经过混频器进行混频处理后的输出信号也会出现跟随性周期性变化。
更多的，对上述经过混频处理的信号进行多级放大处理。
具体的，基于多级放大器对所述经过混频处理的信号进行多级放大处理，所述多级放大器即将若干个单管放大电路串接起来的电路，根据所需放大倍数设置单管放大电路的数量。
需要说明的是，这里的多级放大处理采用的是交流耦合的耦合方式。
这里将经过混频处理的信号进行多级放大处理，可以放大信号，便于集成化。
在本实施例的一个可选实现方式中，所述中频回波信号IF(IntermediateFrequency)是指高频信号经过变频而获得的一种信号，该信号的作用是方便稳定后续的锁相检测模块的工作，以及减小干扰，在本实施例中，即指经过射频激励模块发射到待检测生物组织反射的高频信号，经过混频处理后得到的中频回波信号。
更多的，因为对待检测生物组织施加了中频激励，所述待检测生物组织的射频介电性能受到激励并处于波动状态，所以产生的中频回波信号将会出现与中频激励信号同步的交流波动，所述交流波动可通过下述的锁相检测处理予以检测。
S104、基于锁相检测模块以所述交流激励信号为参考信号对所述中频回波信号进行锁相检测处理，得到锁相检测处理结果；
需要说明的是，由于上述中频回波信号随中频激励模块施加的中频激励而出现跟随性变化的幅度非常微弱，虽然经过多级放大，但依然可能会淹没在噪音中，所以需要通过锁相放大检测予以处理。
在本实施例的一个可选实现方式中，所述以所述交流激励信号为参考信号，即指在锁相检测处理中，设置的锁相相位与所述交流激励信号的相位一致，为-10～10度。
具体的，所述锁相放大检测，即指在较为嘈杂的信号中提取信号幅值和相位信息，一般采用零差检测方法和低通滤波技术，测量相对于周期性参考信号的信号幅值和相位，提取以参考频率为中心的指定频带内的信号，有效率出所有其他频率分量。具体做法是，首先将输入信号与参考信号相乘，然后通过一个可调低通滤波器进行滤波，将期望频率的信号从所有其他的频率分量中分离出来。锁相检测放大技术可以从比待测信号强数个数量级的噪音中检测出待测信号。
在本实施例的，在所述锁相检测模块中，基于双向解调电路将所述中频回波信号分为两路信号，分别与所述交流激励信号及其90°相移信号相乘，并经过低通滤波电路进行低通滤波，率出噪声和2ω分量后，得到两个输出X和Y，分别称为同相分量和正交分量，并将X和Y的笛卡尔坐标转换为极坐标，即得到所述中频信号的幅值R和相位θ，公式如下：
θ＝atan(Y，X)。
S105、对所述锁相检测处理结果进行归一化处理，得到归一化处理结果；
这里基于接触电极获得的电流响应信号为参考信号对所述锁相检测处理结果进行归一化处理，得到所述锁相检测处理结果的归一化处理结果。
具体的，所述归一化处理，即对锁相检测得到的结果除以中频激励响应电流。
这里进行归一化处理，能进一步消除因接触因素带来的中频激励强度不同而导致的射频反射信号强度的不同，提高检测的准确性。
S106、基于数据处理模块对归一化处理结果进行分析处理，得到生物组织成分检测结果。
在本实施例的一个可选实现方式中，在所述归一化处理结果中选取一个以上的固定频率点，读取对应的中频回波信号强度并进行计算。
具体的，在所述归一化处理结果中选取一个以上的交流激励信号固定频率点，读取这些固定频率点对应的中频回波信号的信号强度，利用不同生物组织，如脂肪、蛋白质、水分等物质不同的射频介电特性，计算分析出待测生物组织成分的含量。
综上，本发明实施例通过一种生物组织成分检测的方法，基于中频激励模块对待检测生物组织施加中频激励，使所述待检测生物组织的射频介电性能受到激励处于波动状态，基于设置在射频激励模块上的射频收发天线发射射频发射信号，接收从待检测生物组织反射的射频反射信号，将所述射频发射信号和所述射频反射信号进行混频放大处理后获得中频回波信号，并进行锁相检测处理、归一化处理和分析处理，根据不同生物组织具有不同的射频介电特性，解析出不同生物组织成分的含量，能克服电极接触状态及待检测生物组织表面干燥程度的影响，准确度高；检测装置结构简单，成本较低；使用射频激励模块发射连续波射频信号，可同步检测多种生物组织成分参数，同时可调节连续波射频信号频率，实现对不同深度的生物组织成分进行检测，具有较高的应用价值。
本发明实施例还涉及的生物组织成分检测系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序以实现上述的生物组织成分检测的方法。
综上，本发明实施例通过一种生物组织成分检测系统，执行一种生物组织成分检测的方法，基于中频激励模块对待检测生物组织施加中频激励，使所述待检测生物组织的射频介电性能受到激励处于波动状态，基于设置在射频激励模块上的射频收发天线发射射频发射信号，接收从待检测生物组织反射的射频反射信号，将所述射频发射信号和所述射频反射信号进行混频放大处理后获得中频回波信号，并进行锁相检测处理、归一化处理和分析处理，根据不同生物组织具有不同的射频介电特性，解析出不同生物组织成分的含量，能克服电极接触状态及待检测生物组织表面干燥程度的影响，准确度高；检测装置结构简单，成本较低；使用射频激励模块发射连续波射频信号，可同步检测多种生物组织成分参数，同时可调节连续波射频信号频率，实现对不同深度的生物组织成分进行检测，具有较高的应用价值。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
另外，以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种生物组织成分检测的方法，其特征在于，包括：
基于中频激励模块生成交流激励信号，基于接触电极将所述交流激励信号输入待检测生物组织，并基于接触电极获取电流响应信号；
基于设置在射频激励模块上的射频收发天线向所述待检测生物组织发射射频发射信号，并接收从所述待检测生物组织反射的射频反射信号；
将所述射频发射信号与所述射频反射信号进行混频放大处理后获得中频回波信号，并传输至锁相检测模块；
基于锁相检测模块以所述交流激励信号为参考信号对所述中频回波信号进行锁相检测处理，得到锁相检测处理结果，所述锁相检测处理的检测相位为-10~10度；
对所述锁相检测处理结果进行归一化处理，得到归一化处理结果；
基于数据处理模块对归一化处理结果进行分析处理，得到生物组织成分检测结果；
所述将所述射频发射信号与所述射频反射信号进行混频放大处理后获得中频回波信号包括：
对所述射频发射信号与所述射频反射信号进行混频处理，并经过多级放大处理，得到中频回波信号；
所述对所述锁相检测处理结果进行归一化处理，得到归一化处理结果包括：
以所述电流响应信号为参考信号对所述锁相检测处理结果进行归一化处理，得到所述锁相检测处理结果的归一化处理结果；
所述基于数据处理模块对归一化处理结果进行分析处理包括：
在所述归一化处理结果中选取一个以上的固定频率点，读取对应的中频回波信号强度并进行计算。
2.如权利要求1所述的生物组织成分检测的方法，其特征在于，所述交流激励信号为频率为100-100kHz、幅度为500mV-5V的单频正弦波，或所述交流激励信号为频率为100-100kHz、幅度为500mV-5V的方波。
3.如权利要求1所述的生物组织成分检测的方法，其特征在于，所述接触电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极的间距大于5cm。
4.如权利要求1所述的生物组织成分检测的方法，其特征在于，所述射频发射信号为连续波射频信号，所述射频发射信号的频率为0.5-5GHz。
5.如权利要求3所述的生物组织成分检测的方法，其特征在于，所述射频收发天线位于所述第一电极和第二电极的中间区域，且与所述待检测生物组织的间距为1-5cm。
6.一种生物组织成分检测系统，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在存储器上的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1-5任一项所述的方法。
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