CN1543912A - 一种生物组织多频率阻抗测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物组织多频率阻抗测量方法及其测量装置。本发明首次将线性变换迭代拟合法应用于生物组织阻抗模型参数的提取，可以仅用有限频率完成阻抗谱的精确拟合。其装置包括数据采集单片机、直接数字频率合成器、压控恒流源、电流电极、电压测量及参考信号的放大和滤波电路，鉴幅器、整形和鉴相器、PC机，以及隔离串行接口。本发明具有收敛速度快、数值拟合精度高、迭代初值易确定、运算速度快等特点。如循环迭代次数仅5次，达到误差小于10^－9的水平，实现了快速、精确地提取阻抗模型参数Ri、Re、Cm和α的目标。其装置具有结构简单、性价比高、使用方便等特点。

Description

一种生物组织多频率阻抗测量方法及其装置

技术领域

本发明属于生物检测技术领域，具体涉及一种生物组织多频率阻抗测量方法及其装置。

背景技术

通过测量生物阻抗谱提取组织阻抗模型参数，实现连续实时监测人体生理功能状态和检测病理事件，对医学临床诊断将会具有非常广泛的应用前景。例如长期静坐状态下，下肢弯曲不动等导致下肢组织血流不畅，腿部供血不足，被测部位低电阻率细胞减少，等效组织内液电阻率Ri明显增加，而组织外液电阻率Re影响较小。模型参数提供定量数据，电阻抗的模型参数是一项定量地区分组织处于不同生理状态下的重要指标。应用于评估工作负荷条件下人体下肢组织生理变化及其对工作效率的影响。还可用于临床病理诊断，例如肌肉萎缩，局部癌变等。

生物电阻抗测量是一种无创性测量方法，存在广阔的临床应用前景。目前它分为普通生物电阻抗和生物电阻抗谱测量两种方法。

(一)普通生物阻抗测量：是将人体组织看作简单等效电阻完成测量，这种方法简单，获取信息少和临床使用局限性大。例如现有的阻抗血流图，阻抗心输出量等。

(二)生物组织电阻抗谱：是采用多频率阻抗测量，建立组织RC网络模型的测量方法，其等效模型参数R_i、R_e、C_m和α描述组织细胞内、外电阻、细胞膜电容和组织频散系数的电学特性。采用组织阻抗模型的优点是测量更精确，获取的生物组织信息更全面，临床诊断价值大。

人体组织的电学特性可由阻抗模型描述，不同于单个电阻模型，采用由细胞内液电阻(R_i)、细胞外液(R_e)电阻和膜上电容(C_m)组成的多参数生物阻抗模型。如图1所示。人体的工作状态、生理功能的改变，引起组织中不同成份阻抗特性发生较大改变。

通过测量系统可以得到所测部位组织阻抗的频率特性，包括幅频特性和相频特性，幅频特性是不同频率下的阻抗幅值，即图2中ρi，相频特性是不同频率下的阻抗相位角，即图2中θi，(i为某一频率点，例如取i＝1-20，20个点)。组织阻抗的频率特性在复坐标上描绘出点轨迹，理论上可视为一段圆弧。根据点轨迹确定圆弧的圆心和半径，即由Cole-Cole阻抗方程来描述：

$Z=R_{\∞}+\frac{R_0-R_{\∞}}{1+{\left(\mathrm{j\ω\τ}\right)}^{\mathrm{\α}}}------\left(1\right)$

式中：τ＝(R_i+R_e)C_m，R₀＝R_e，R_∞＝R_i//R_e，Z为复平面第4象限的一段圆弧。如图2所示。Cole-Cole阻抗方程中特征参数τ代表时间常数，R₀代表频率为0时的阻抗值，R_∞代表频率无穷大时的阻抗值，α为松弛因子，一般在0～1之间取值。

实际应用中由于测量频率有限，必须根据有限测量数据依靠算法求取生物组织的阻抗模型参数。现有算法存在明显缺点，例如有的用三个频率点近似计算血液电阻抗模型，这种近似计算的精度低，误差大。国外学者采用最小二乘圆拟合法提取离体组织模型的特征参数等，但是存在迭代次数大(需几百或上千次迭代计算)，拟合精度不高和初始值选取影响迭代收敛性，导致运算速度慢。利用这种算法进行测量的缺点是速度慢、精度低。

现有的生物阻抗测量仪大都采用简单的电阻模型，例如临床采用的无创阻抗法心输出量测量仪器等，使用局限性大，只能用于人体特定部位。生物组织多频阻抗测量仪器目前还没有实用化仪器。另外已有的处于研制实验阶段的仪器设计方案较复杂，性能简单，采用的算法和实现的功能十分简单，成本高。且不具备阻抗模型参数提取分析功能。不能长时间在体监测生物体阻抗模型参数等(参见发明专利CN1312052A，由单片集成电路构成的生物阻抗测量装置，公开日2001年9月12日)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物组织多频率阻抗测量方法，该方法具有计算速度快，测量精度高的特点。本发明还提供了实现该方法的测量装置，该装置具有结构简单、性价比高、使用方便等特点。

本发明提供的一种生物组织多频率阻抗测量方法，依次包括以下步骤：

(1)仪器定标：初次使用前采用提供的标准电阻和电容网络进行定标，以确定电压大小与电阻抗值的转换关系；

(2)初始化：给出判别收敛条件e的值，迭代次数k＝0，k≤50；采用生物阻抗测量装置读入N个频率点的电压幅度和相位的数值，N为大于等于10的整数，按照步骤(1)确定的定标关系转换成相应阻抗幅度ρ_i和相位值θ_i，再按照下面的公式计算初始坐标值和圆心初值x₀，y₀和r：

$\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ r\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\θ}}_i\cos {\mathrm{\θ}}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\cos {\mathrm{\θ}}_i\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\θ}}_i\cos {\mathrm{\θ}}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\θ}}_i\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\cos {\mathrm{\θ}}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\θ}}_i& n\end{array}\right]}^{-1}\×\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\cos {\mathrm{\θ}}_i{\mathrm{\ρ}}_i\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\θ}}_i{\mathrm{\ρ}}_i\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\end{array}\right]$

(3)按照下面的公式进行坐标变换：

${x_i}^{k+1}={x_i}^k-{x_0}^k,$ ${y_i}^{k+1}={y_i}^k-{y_0}^k$

$\cos {\mathrm{\θ}}_i^{k+1}=\frac{x_i^{k+1}}{{\mathrm{\ρ}}_i^{k+1}};$ ${\sin \mathrm{\θ}}_i^{k+1}=\frac{y_i^{k+1}}{{\mathrm{\ρ}}_i^{k+1}}$

${\mathrm{\ρ}}_i^{k+1}=\sqrt{{\left(x_i^{k+1}\right)}^2+{\left(y_i^{k+1}\right)}^2}$

(4)按照步骤(2)中的公式计算(x₀ ^k+1，y₀ ^k+1，r^k+1)^T；

(5)判断(x₀ ^k+1，y₀ ^k+1，r^k+1)^T的值是否大于e，如果其值大于e，则令k＝k+1，再判定k是否大于50，如果是，则本次计算无效，否则重复步骤(3)-(5)；如果其值小于e，则输出优化的解(x₀ ^k+1，y₀ ^k+1，r^k+1)^T和迭代次数K；

(6)采用下面的公式，利用优化的解计算R₀、R_∞，α和τ，再计算模型参数R_i、R_e和C_m：

$R_0=x_0+\sqrt{r^2-{y_0}^2}$

$R_{\∞}=x_0-\sqrt{r^2-{y_0}^2}$

$\mathrm{\α}=1-\frac{2}{\mathrm{\π}}\arcsin \left(\frac{\left|y_0\right|}{r}\right)$

$\mathrm{\τ}=\frac{{\left(\frac{R_0-Z_i\left({\mathrm{\ω}}_i\right)}{Z_i\left({\mathrm{\ω}}_i\right)-R_{\∞}}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\α}}}}{{\mathrm{j\ω}}_i}$

        R_e＝R₀

$R_i=\frac{R_0{\×R}_{\∞}}{R_0-R_{\∞}}$

        C_m＝τ/(R_i+R_e)

实现上述方法的测量装置，包括数据采集部分和数据处理部分，由DC/DC直流变换器为二部分提供隔离电源，其特征在于，

所述数据采集部分的结构为：

数据采集单片机用于完成数据采样，存储和串行数据发送，并控制直接数字频率合成器产生各种需要的频率；

直接数字频率合成器与单片机相连，用于产生不同频率、幅度恒定的正弦电压信号，分二路传送给压控恒流源和第二宽频带放大器；

压控恒流源与直接数字频率合成器相连，用于将所述正弦电压信号转换为正弦恒定电流信号；

电流电极与压控恒流源相连，用于将正弦恒定电流信号加到人体组织待测部位；

测量电极用于提取出生物组织所产生的与组织特性相关的正弦电压信号Ui，并依次传送给第一宽频带放大器和第一滤波器，

第一宽频带放大器和第一滤波器将正弦电压信号Ui放大、滤波后分二路传送给鉴幅器和整形和鉴相器；

鉴幅器用于将生物电阻抗的不同频率的幅值信息转换为电平大小，传送给单片机中的一路A/D转换器，转换成数字信号后将阻抗幅度传送给所述数据处理部分；

第二宽频带放大器将输入的正弦电压信号Ur放大后传送给第二滤波器，滤波后也传送给整形和鉴相器；该第二宽频带放大器及第二滤波器与第一宽频带放大器和第一滤波器保持同步放大和滤波；

整形和鉴相器由整形器和鉴相器构成，整形器用于将接收的信号整形成为方波，鉴相器用于相位检测，被测组织的相位信息相对于不变的参考信号通过鉴相器得到相位信息的大小，该相位信息被送入单片机中的另一路AD转换器，转换成数字信号后将相位值传送给所述数据处理部分；

所述数据处理部分为PC机，它通过隔离串行接口与单片机相连，用于对采样的阻抗幅度和相位值进行分析计算，得到电阻抗模型参数R_i、R_e、C_m和α。

本发明采用线性变换迭代拟合法应用于生物组织阻抗模型参数的提取，本发明可以仅用有限频率完成阻抗谱的精确拟合。该方法具有收敛速度快、数值拟合精度高、迭代初值易确定、运算速度快等特点。如循环迭代次数仅5次，达到误差小于10^-9的水平。本发明实现了快速、精确地提取阻抗模型参数Ri、Re、Cm和α的目标。

在此基础上用物理模型和人体组织完成实验测定，并开发出实用的测量装置。该装置采用了单片机与PC机的双CPU结构，采用数字频率合成技术等，具有成本低，结构简单，自动分析功能强等特点。便于直接开展产品的设计和开发工作。

附图说明

图1为组织的电阻抗模型示意图；

图2为Cole-Cole阻抗图；

图3为线性变换迭代拟合法程序框图；

图4为生物组织多频率阻抗测量装置的结构示意图；

图5为AD7008与ADuC812的接口电路图；

图6为电极安放位置示意图；

图7为同步对称结构放大器；

图8为前置级电路原理图；

图9为鉴幅器电路图；

图10为分析软件，界面和人体组织实测结果。

具体实施方式

1.线性变换迭代最小二乘拟合法的原理和计算公式：

线性变换迭代最小二乘拟合法是将拟合圆坐标线性变换和迭代拟合相结合的方法，其原理是：圆度误差反映了实际圆与理想圆的径向偏离程度，经典的圆度误差评定的计算方法是最小二乘拟合法，其数学模型表达了在确定最小二乘圆心坐标(x₀，y₀)时，使半径误差平方和为最小这一基本思想。即模型1

$F(x_0,y_0,r)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_i^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2}-r{]}^2------\left(2\right)$

对F(x₀，y₀，r)求偏导并令其等于0。但出现变量(x₀，y₀，r)的非线性函数，直接求解比较困难。

实际在圆度误差评定中，如果满足：(a)x₀，y₀之值极小，即所谓“小偏差假设”；(b)圆度误差和其半径相比是微量，称为小误差情况。小误差情况可用另一种圆模型表示，即模型2：

$F_1(x_0,y_0,r)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_i^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\ρ}}_i-x_0\cos {\mathrm{\θ}}_i{-y_0\sin {\mathrm{\θ}}_i-r]}^2------\left(3\right)$

对F₁(x₀，y₀，r)求偏导并令其等于0，得到可表示为矩阵形式的方程：

             (A^TA)X＝A^TB                                (4)

公式(4)中各个变量分别为：

$X=\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ r\end{array}\right],$ $B=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_1\\ {\mathrm{\ρ}}_2\\ \underset{.}{\overset{.}{.}}\\ {\mathrm{\ρ}}_N\end{array}\right],$ $A=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1& 1\\ \cos {\mathrm{\θ}}_2& \sin {\mathrm{\θ}}_2& 1\\ \underset{.}{\overset{.}{.}}& \underset{.}{\overset{.}{.}}& \underset{.}{\overset{.}{.}}\\ \cos {\mathrm{\θ}}_n& \sin {\mathrm{\θ}}_n& 1\end{array}\right]$

${\mathrm{\ρ}}_i=\sqrt{x_i^2+y_i^2},$ $\cos {\mathrm{\θ}}_i=\frac{x_i}{{\mathrm{\ρ}}_i},$ $\sin {\mathrm{\θ}}_i=\frac{y_i}{{\mathrm{\ρ}}_i},i=1,\·\·\·n$

式(4)的唯一解为：

        X＝(A^TA)^-1(A^TB)即

$\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ r\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{co}{s}^2{\mathrm{\θ}}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\θ}}_i{\cos \mathrm{\θ}}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\cos {\mathrm{\θ}}_i\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\θ}}_i\cos {\mathrm{\θ}}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{si}{n}^2{\mathrm{\θ}}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\θ}}_i\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{\θ}}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\θ}}_i& n\end{array}\right]}^{-1}\×\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\cos {\mathrm{\θ}}_i{\mathrm{\ρ}}_i\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\θ}}_i{\mathrm{\ρ}}_i\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\end{array}\right]-------\left(5\right)$

在满足小偏差假设下，精确解(5)可认为是式(2)的优化解。根据以上分析，得出以最小二乘法简化的线性迭代运算来逼近精确圆优化解的算法。它通过坐标系原点的线性变换，求出式(5)在新的坐标系下的精确解，随着迭代次数的增加，精确解也必为式(2)的优化解。这就是线性变换迭代最小二乘拟合法的原理。利用这一理论，采用软件实现程序设计。对收敛判别系数，迭代次数赋初值，进行坐标变换完成求解，再通过收敛判别最后输出优化解。

由以上计算的x₀，y₀和r，再按如下公式计算Cole-Cole阻抗方程模型参数R₀，R_∞，α和τ：

$R_0=x_0+\sqrt{r^2-{y_0}^2}------\left(6\right)$

$R_{\∞}=x_0-\sqrt{r^2-{y_0}^2}--------\left(7\right)$

$\mathrm{\α}=1-\frac{2}{\mathrm{\π}}\arcsin \left(\frac{\left|y_0\right|}{r}\right)-------\left(8\right)$

推导得

$\mathrm{\τ}=\frac{{\left(\frac{R_0-Z_i\left({\mathrm{\ω}}_i\right)}{Z_i\left({\mathrm{\ω}}_i\right)-R_{\∞}}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\α}}}}{j{\mathrm{\ω}}_i}------\left(9\right)$

其中Z_i(ω_i)代表在f_i频率下圆弧轨迹上的复阻抗，ω_i＝2πf_i。由于测量所带来的噪声，实测点往往分布在轨迹的两侧，这将会给计算引入误差，因此我们采用平均的办法来减小误差，即把由N个数据点所计算出的N个时间常数τ相加平均得到，复阻抗Z是如图2所示曲线，参数τ是一实数，有

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{{\left(\frac{R_0-Z_i\left({\mathrm{\ω}}_i\right)}{Z_i\left({\mathrm{\ω}}_i\right)-R_{\∞}}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\α}}}}{j{\mathrm{\ω}}_i}\right|------\left(10\right)$

最后，确定阻抗模型参数R_i、R_e和C_m如下：

    R_e＝R₀                                      (11)

$R_i=\frac{R_0{\×R}_{\∞}}{R_0-R_{\∞}}------\left(12\right)$

    C_m＝τ/(R_i+R_e)                              (13)

2.测量方法和步骤

其测量方法如下：

①仪器定标：使用前采用提供的标准电阻和电容网络进行定标。以确定电压大小与电阻抗值的转换关系；

②对变量赋初值：由仪器读入各频率点的电压幅度和相位的数值，按照定标的关系转换为相应阻抗幅度和相位值，根据电阻抗幅度和相位的

数值，计算初始坐标值，计算圆心初值；

③按公式(1)～(11)进行计算。编制程序的步骤如下。

3.程序流程：

上述计算方法通过采用计算机编程才能实现，这里给出编写程序的流程框图如图3所示。

(1)初始化：给出判别收敛条件e的值，迭代次数k＝0；

(2)输入N次测量得到的阻抗幅度和相位值，计算初始坐标值，对圆心坐标x₀，y₀赋初值；

(3)坐标变换：如前面所述，进行坐标变换；

(4)根据式(5)计算模型2的精确解：(x₀ ^k+1，y₀ ^k+1，r^k+1)^T；

(5)判断收敛条件：上述解大于e否？

(6)如果大于e，继续进行坐标变换，再一次计算模型2的精确解。并使k＝k+1′；

(7)判定k是否大于50，如果是则本次计算无效。反之则返回(5)继续上述过程，直至满足收敛条件：解小于e；

(8)输出优化的解和迭代次数；

(9)将优化的解用于计算模型参数R_i、R_e、C_m和α，并绘出拟合的阻抗圆图。计算按照公式(6)～(13)进行；

(10)结束程序运行。

4.测量装置：

测量装置由两部分组成，如图4所示，其中虚线框内为以数据采集单片机为主的数据采集部分，虚线框外为基于PC机的数据处理部分。由于测量装置直接作用于受试者，必须进行隔离处理。隔离包含信号隔离和电源隔离，电源隔离采用DC/DC直流变换器实现，信号隔离则采用光电耦合器的数字隔离方式。在PC机与数据采集单片机之间的串行接口的输入输出端各加入两个光电耦合器实现数字隔离，全部数据采集单片机和处理电路部分隔离成浮地状态。采用数字隔离方法的优点是消除模拟隔离的非线性误差，提高测量精度。另一优点是安全可靠，不降低模拟信号的线性度，又能提高放大器的共模抑制比，增强系统抗干扰能力。

以下分别介绍其它组成部分：

(一)、数据采集部分

(1)数据采集单片机13：数据采集单片机13用于完成数据采样，存储和串行数据发送，并控制直接数字频率合成器6产生各种需要的频率。本发明选用了内含二路A/D转换器的单片机，可以直接依靠软件完成数据采集任务，本实施例选用的是ADuC812单片机。

(2)直接数字频率合成器6：由数据采集单片机13控制直接数字频率合成器DDS(direct digital frequency synthesis，)产生不同频率(例如对500Hz～200kHz频率内12个频率点的自动切换)，幅度恒定的正弦电压信号。采用数字频率合成器的优点是：通过单片机控制可以直接方便地产生任意频率、频率稳定性好，转换时间短(可小于20ns)，频率分辨率高，改变幅度容易，使用灵活方便。本实施例选用DDS AD7008。单片机ADuC812控制直接数字频率合成器DDS AD7008实现了数字化的频率产生。AD7008是高集成度数字频率合成器。AD7008内部主要由参考频率源、相位累加器、正弦波采样ROM、数模转换器及低通滤波器构成。AD7008的接口控制简单，可用8位或16位并行口或串行口直接输入频率、相位以及幅度等控制字。AD7008与ADuC812的接口电路如图5所示。32位频率控制字在6MHz时钟的输出频率分辨率可达0.0014Hz，最大输出频率可达1MHz。

(3)压控恒流源5：它将直接数字频率合成器6产生的正弦电压信号转换为正弦恒定电流信号。压控恒流源既可以采用集成器件也可以采用运算放大器设计，只要能完成这一功能即可。

(4)电极1-4：本发明采用四个Ag/AgCl平板电极，其中电极1，4为两个电流电极，通过两个电流电极将阈下刺激幅度的恒定正弦电流(正弦电流的峰值为100uA)加到人体组织部位。电极2，3为两个测量电极，又称电压电极，用于提取出生物组织所产生的与组织特性相关的正弦电压信号。

本实施例四个电极采用面积较大的平板电极，这样可使测量部分电场变化均匀。电流电极放在外侧，测量电极放在内侧。如图6所示。测下肢的阻抗时，两个电压电极(测量电极)间距为7cm，电流电极与电压电极间距为2cm，第一个电流电极距膝关节下2cm。

本测量装置对于放大器电路频率特性要求非常严格，这样才能在较宽频率范围内实现测量。为避免提高成本，我们采用两路同步对称结构设计方法。如图7所示。一路是电压测量放大级，另一路是参考信号放大级。对称结构优点是降低器件成本，同步补偿相位误差。这样设计才可以采用价格相对较低的放大器如低噪声宽带运放OP37实现两路信号的相位补偿，提高测量相位的精度，降低电路成本。下面分别加以介绍：

(5)电压测量放大级：包括第一宽频带放大器7和第一滤波器8。宽频带放大器7用于生物电压的放大，即将两个电压电极3、4的微弱组织电压信号ωi进行放大和滤波。由于测量频率范围很宽，放大器必须采用高精度宽频带放大器，但是为了降低电路成本，本发明采用低噪声宽带运放OP37设计，价格相对较低。所用前置宽带放大器的电路如图8所示。前置级电路中A1、A2与A3构成并联平衡对称差动三运放低噪声电路，其中A1、A2选用高共模抑制比且对称性良好的的集成运算放大器TLO84组成，A3选用具有超低噪声特性 高共模抑制比(120dB)的集成运算放大器OP-37组成，并且前置级采用了共模屏蔽驱动电路，提高放大器的共模抑制比。该电路处于隔离部分，浮地工作方式进一步提高共模抑制比。合理选择电路参数实现宽频带前置级放大要求，而且保持价格低的特点。宽带放大器的要求是高输入阻抗、良好的幅频和相频特性、低漂移、低噪声、频带宽、抗干扰能力强等。滤波器8是普通二阶低通滤波器，可以采用运算放大器设计，主要目的是减少高频干扰。

(6)鉴幅器9：用于将生物电阻抗的不同频率的幅值信息转换为电平大小。普通鉴幅器需要采用RC电路，RC电路必须具备放电功能以便加快工作，放电控制由计算机完成，但是结构复杂，性能达不到要求，所以本实施设计一种具有自动放电和跟随功能的鉴幅器电路，实现快速和稳定工作，提高了测量精度。鉴幅器的幅值电平信息被送入ADuC812内含的一路AD转换器。鉴幅器电路原理图如图9所示。图中U1A，D1，D2组成精密整流电路，U1B为射极跟随器，电容C1为积分电容，本实施加入电阻R2是为积分电路提高放电通路，该鉴幅器不需要放电开关实现了自动放电，使幅度检测能够连续自动进行。实现快速和稳定工作，提高测量精度。

(7)参考信号放大电路：由第二宽频带放大器10和第二滤波器11组成。用于对参考信号进行同步对称放大，从信号源(即直接数字频率合成器6)得到参考正弦电压信号Ur，将参考信号与测量电压信号保持同步放大滤波，即保持和组织的信号Ui相同的放大和滤波。目的是减少相位误差。提高相位测量的精度。

(8)整形和鉴相器12：如图7所示，电压测量放大级和参考信号放大级两路信号首先被整形成为方波，然后送入鉴相器完成相位检测。被测组织的相位信息相对于不变的参考信号通过鉴相器得到相位信息的大小。相位信息被送入ADuC812内含的另一路AD转换器采样。其中整形电路可以采用高速比较器LM319实现，而鉴相器可以采用集成锁相环CD4046实现。

(二)数据处理部分：

数据处理部分为装有前面所述程序的PC机15，它通过隔离串行接口14与单片机13相连。

(1)采用PC机15对采样的组织幅频和相频值进行分析计算，绘出阻抗圆图及频率特性曲线，并利用线性变换迭代式拟合法提取电阻抗模型参数R_i、R_e、C_m和α，实现阻抗模型参数的连续自动分析。其处理流程图如图3所示，本实施采用软件Matlab进行算法和绘图设计。

(2)整个装置的两大部分需要实现隔离，PC机与单片机之间需要使用隔离串行接口进行隔离传输。如采用二个光电耦合器对RS232的数据串行口进行隔离，以实现数字隔离。

进行测量时，采用研制的仪器，选定测量部位和描述的生物学内容，即医学价值和生理学内容，通常和医生共同制定。例如某部位由血管组成，测量目的是血管变化情况。

本发明整个装置结构简单，使用方便。采用数字隔离技术，对于人体电信号测量安全，可靠。对生物电信号提取部分采用浮地技术，既实现人体与电气的隔离，又提高测量精度和稳定性。并且，本发明还具有尺寸小、电路结构简单、成本低廉等优点。PC机部分主要为软件功能，为使用户方便，设计系统的界面如图10所示。所设计的系统分析软件具有友好的界面，可输入受试者个人基本信息，可输入数据，进行定标并按上述拟合算法自动提取电阻抗模型参数R_i、R_e、C_m和α。绘出阻抗圆图及频率特性曲线。系统的界面和人体组织阻抗实测结果如图10所示。图中“*”为人体实测数据，实线为拟合曲线。上面为拟合曲线，下面为计算的参数值。可以看出测量具有较高的拟合精度。

使用步骤：

(1)测量：采用研制的生物阻抗多频率测量仪器，选定确定的组织测量部位和具有生物生理学的意义，即有确切的医学临床诊断价值和生理学研究价值，通常应和医生共同制定测量方案。例如某部位由血管组成，测量目的是血管的变化情况等。

(2)安放电极：采用四个Ag/AgCl电极，确定电极间距，并保持固定不变，每次测量条件和环境保持不变。对皮肤表面进行处理，保证电极和人体低电阻接触。

(3)启动研制的组织多频阻抗测量系统进入自动测量工作，进行数据采集和存储，改变频率反复完成数据采集和存储，达到预定的数据后进行阻抗参数的自动分析计算，测量和分析工作均按友好的软件界面的提示进行。

(4)定标和选择档位：测量前先用所提供的标准电阻电容组成的网络进行定标，确定测量范围和选择相应的测量档位。同时定标后可以将测量电压大小转换为阻抗值。

(5)测量的数据：从测量仪器获取的是不同频率的幅频特性和相频特性。测量数据会自动保存。

(6)自动计算的结果：可以绘制组织阻抗的拟合曲线和给出测量的各个参数值R_i、R_e、C_m和α。

(7)绘制连续测量的幅频特性和相频特性的曲线图。

采用本发明装置已完成的实验结果如下：

(1)首先用Matlab数据仿真来验证算法精度。运算结果残余误差平方和e_i ²非常小(10^-9数量级)。同时误差小于10^-9的循环迭代次数仅5次。这是这个算法的理论精度。

(2)然后以实际模拟RC网络为标准，测试和评估所设计的系统的软、硬件性能。结果表明该测量系统具有较高的拟合准确度(相对误差＜±5％)和精密度(标准差＜±1％)。

(3)对20位健康受试者反复实际测试，均能获得稳定的结果，每次测量具有较好的重复性。

(4)上肢缺血实验：前臂组织在模拟缺血状态下(用血压袖带阻断血管方法)的电阻抗模型参数产生不同的变化，缺血后R_i显著上升，R_e稍微上升，组织膜电容C_m稍微下降。

(5)下肢缺血实验：长时间静坐条件下，下肢组织阻抗参数R_i随时间延长、表明随工作负荷加重而增加。R_e和C_m变化不显著。

(6)大鼠死亡时间和阻抗变化相关性研究取得明确的结果。研究目的是为法医和公安系统验尸断案提供科学依据。

总之本测量装置特点鲜明，结构简单，体积小、大大降低成本和提高性价比。硬件方面的一些关键技术保证系统的可靠稳定工作，设计了一套能方便、实用、快速、准确、自动地测量在体生物组织电阻抗幅度和相位的测量系统。能够快速、精确的测量在体生物电阻抗模型参数，并应用于监测随时间延长工作负荷加重时生物组织缺血状况等多种应用场合。

Claims (7)

1、一种生物组织多频率阻抗测量方法，依次包括以下步骤：

(1)仪器定标：初次使用前采用提供的标准电阻和电容网络进行定标，以确定电压大小与电阻抗值的转换关系；

(2)初始化：给出判别收敛条件e的值，迭代次数k＝0，k≤50；采用生物阻抗测量装置读入N个频率点的电压幅度和相位的数值，N为大于等于10的整数，按照步骤(1)确定的定标关系转换成相应阻抗幅度ρ_i和相位值θ_i，再按照下面的公式计算初始坐标值和圆心初值x₀，y₀和r：

$\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ r\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\sin \mathrm{\θ}}_i{\cos \mathrm{\θ}}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{\θ}}_i\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\sin \mathrm{\θ}}_i\cos {\mathrm{\θ}}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\sin \mathrm{\θ}}_i\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{\θ}}_i& \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\sin \mathrm{\θ}}_i& n\end{array}\right]}^{-1}\×\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\cos \mathrm{\θ}}_i{\mathrm{\ρ}}_i\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\sin \mathrm{\θ}}_i{\mathrm{\ρ}}_i\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_i\end{array}\right]$

(3)按照下面的公式进行坐标变换：

${x_i}^{k+1}={x_i}^k-{x_0}^k,$ ${y_i}^{k+1}={y_i}^k-{y_0}^k$

${\cos \mathrm{\θ}}_i^{k+1}=\frac{x_i^{k+1}}{{\mathrm{\ρ}}_i^{k+1}};$ ${\sin \mathrm{\θ}}_i^{k+1}=\frac{y_i^{k+1}}{{\mathrm{\ρ}}_i^{k+1}}$

${\mathrm{\ρ}}_i^{k+1}=\sqrt{{\left(x_i^{k+1}\right)}^2+{\left(y_i^{k+1}\right)}^2}$

(4)按照步骤(2)中的公式计算(x₀ ^k+1，y₀ ^k+1，r^k+1)^T；

(5)判断(x₀ ^k+1，y₀ ^k+1，r^k+1)^T的值是否大于e，如果其值大于e，则令k＝k+1，再判定k是否大于50，如果是，则本次计算无效，否则重复步骤(3)-(5)；如果其值小于e，则输出优化的解(x₀ ^k+1，y₀ ^k+1，r^k+1)^T和迭代次数K；

(6)采用下面的公式，利用优化的解计算R₀、R_∞和τ，再计算模型参数R_i、R_e、C_m和α：

$R_0=x_0+\sqrt{r^2-{y_0}^2}$

$R_{\∞}=x_0-\sqrt{r^2-{y_0}^2}$

$\mathrm{\α}=1-\frac{2}{\mathrm{\π}}\arcsin \left(\frac{\left|y_0\right|}{r}\right)$

$\mathrm{\τ}=\frac{{\left(\frac{R_0-Z_i\left({\mathrm{\ω}}_i\right)}{Z_i\left({\mathrm{\ω}}_i\right)-R_{\∞}}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\α}}}}{{\mathrm{j\ω}}_i}$

R_e＝R₀

$R_i=\frac{R_0\×R_{\∞}}{R_0-R_{\∞}}$

C_m＝τ/(R_i+R_e)

2、一种实现权利要求1所述方法的测量装置，包括数据采集部分和数据处理部分，由DC/DC直流变换器为二部分提供隔离电源，其特征在于，

所述数据采集部分的结构为：

数据采集单片机(13)用于完成数据采样，存储和串行数据发送，并控制直接数字频率合成器(6)产生各种需要的频率；

直接数字频率合成器(6)与单片机(13)相连，用于产生不同频率、幅度恒定的正弦电压信号，分二路传送给压控恒流源(5)和第二宽频带放大器(10)；

压控恒流源(5)与直接数字频率合成器(6)相连，用于将所述正弦电压信号转换为正弦恒定电流信号；

电流电极(1、4)与压控恒流源(5)相连，用于将正弦恒定电流信号加到人体组织待测部位；

测量电极(3、4)用于提取出生物组织所产生的与组织特性相关的正弦电压信号(Ui)，并依次传送给第一宽频带放大器(7)和第一滤波器(8)，

第一宽频带放大器(7)和第一滤波器(8)将正弦电压信号(Ui)放大、滤波后分二路传送给鉴幅器(9)和整形和鉴相器(12)；

鉴幅器(9)用于将生物电阻抗的不同频率的幅值信息转换为电平大小，传送给单片机(13)中的一路A/D转换器，转换成数字信号后将阻抗幅度传送给所述数据处理部分；

第二宽频带放大器(10)将输入的正弦电压信号(Ur)放大后传送给第二滤波器(11)，滤波后也传送给整形和鉴相器(12)；该第二宽频带放大器(10)及第二滤波器(11)与第一宽频带放大器(7)和第一滤波器(8)保持同步放大和滤波；

整形和鉴相器(12)由整形器和鉴相器构成，整形器用于将接收的信号整形成为方波，鉴相器用于相位检测，被测组织的相位信息相对于不变的参考信号通过鉴相器得到相位信息的大小，该相位信息被送入单片机(13)中的另一路AD转换器，转换成数字信号后将相位值传送给所述数据处理部分；

所述数据处理部分为PC机，它通过隔离串行接口(14)与单片机(13)相连，用于对采样的阻抗幅度和相位值进行分析计算，得到电阻抗模型参数R_i、R_e、C_m和α。

3、根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：数据采集单片机(13)的型号选用AduC812单片机，直接数字频率合成器(6)选用DDS AD7008。

4、根据权利要求2或3所述的测量装置，其特征在于：放大器(7、10)采用并联平衡对称差动三运放低噪声电路实现，包括二个集成运算放大器TL084和一个集成运算放大器OP-37。

5、根据权利要求2或3所述的测量装置，其特征在于：滤波器(8、11)采用二阶低通滤波器实现。

6、根据权利要求2或3所述的测量装置，其特征在于：整形和鉴相器的(12)中的整形电路采用高速比较器LM319实现，鉴相器采用集成锁相环CD4046实现。

7、根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于：整形和鉴相器的(12)中的整形电路采用高速比较器LM319实现，鉴相器采用集成锁相环CD4046实现。

Images