CN1709203A - 模拟解调方式的混频生物阻抗测量方法 - Google Patents

Abstract

模拟解调方式的混频生物阻抗测量方法。采用高低两种频率的混频电流进行激励，针对两种频率，通过测量Z_x和参考电阻r上电压V_H和V_L的幅值和相位，结合虚参考矢量方法，获得不同频率下Z_x的复阻抗值。对V_H和V_L的测量采用乘法解调方式，针对每种频率，令该频率的参考电压源V_r1和V_r2正交，V_H和V_L分别与两参考信号V_r1和V_r2通过模拟乘法解调后，可得到与V_H和V_L的幅值和相位相关的直流分量。对每个频率的阻抗信息测量采用虚参考矢量测量结构，即可获取两种频率下被测阻抗信息的实部和虚部，消除了电流转换和传输过程中相移造成的误差。

Description

模拟解调方式的混频生物阻抗测量方法

                              技术领域

本发明属于生物信息检测领域，具体涉及到在混频激励模式下，采用模拟解调方式测量生物电阻抗的方法。

                              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(阻抗、导纳、介电常数等)及其变化，提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术。早期，主要采用单频率激励模式，根据生物组织频率阻抗特性，在β频散段内，细胞膜电容基本稳定，随着频率的增加，膜电容的容抗减小，外加电流由低频时绕过细胞膜流经细胞外液到高频时穿过细胞膜流经细胞内外液。为了获取细胞内信息，必须利用高频电流流经细胞内外液的特性，因此单一激励频率下测得的生物组织电阻抗信息不能全面反映生物体状况。目前多采用多频率的激励模式，即分别采用不同频率的信号进行激励，并测量该频率的生物阻抗，但是人体是动态的，该方法不能分析同一生命活动在不同激励频率下的信息，而且不同测量频点切换时，新频率下生物电阻抗信息测量的建立时间较长，所以这种分时测量的方法所提供的数据不能准确反映某时刻生物体的电阻抗信息。由于通过人体的激励电流必须符合安全标准，往往采用小于1mA的交流电流，因此测量的信号非常微弱，主要通过相敏解调的方法进行信号的测量。目前常用的解调方法有丌关解调、数字解调和乘法解调。开关解调方法在运放增益切换过程中，不可避免的要引入干扰，而且参考信号不是理想的方波，当激励频率提高，其影响越来越大；数字解调方法对模数转换(A/D)和处理器的计算能力的要求很高，处理也相对复杂，将其应用于生物电阻抗测量系统中的可行性研究正在进行当中；而乘法解调方法实现相对简单，不易引入干扰，且不受频率影响。常规的开关解调、乘法解调和数字解调主要针对单频率信号的处理。

                              发明内容

本发明的目的是提供一种采用模拟解调方式的混频生物阻抗测量的方法，可测量同一时刻不同频率下的生物阻抗。

本发明采用高低两种频率的混频电流进行激励；针对信号传输过程中的相移问题，从矢量空间角度，提出了基于虚参考矢量的测量方法。为了提高系统的抗干扰特性，并考虑易于实现，采用多路模拟乘法解调和多功能信号发生单元方案，实现了在对同一时刻对不同激励频率下生物电阻抗的同时测量。

生物组织在不同的电场频率下体现不同的电特性，在α频散段(10Hz-10kHz)，测量结果主要反应细胞周围的离子环境特性；在β频散段(10kHz-10MHz)，细胞膜电容基本稳定，随着频率的增加，膜电容的容抗减小，外加电流由低频时绕过细胞膜流经细胞外液到高频时穿过细胞膜流经细胞内外液；在γ频散段，测量结果主要与水分子相关。在医学应用中，由于多数病理生理的变化都体现在α和β频散段中，因此，这两个频段被受人们关注。本发明针对这两个频散段，采用两种频率的混频激励模态方式，应用模拟解调方式，同时获取不同频率下的电阻抗信息的实部和虚部。

本发明以模拟乘法解调为基础，如图1所示，对于未知阻抗对象采用正弦电流I激励，角频率为ω，在Z_x上的电压为V_x，通过测量V_x的幅值和相位，即可获得Z_x的复阻抗值。对V_x的测量采用乘法解调方式，令参考电压源V_r1与激励电流同频，其V_r1的幅值已知为B，V_x的幅值为A，相移为φ，两信号通过乘法器相乘后，选择截止频率远小于2ω的低通滤波器，则可得到以电压源V_r1为参考的，与V_x幅值和相位相关的直流分量V_outl：

$V_{\mathrm{out}1}=\frac{\mathrm{AB}}{2}\cos \mathrm{\φ}$

采用与V_r1正交，同幅值，同频的电压源V_r2作为参考信号，并与V_x进行乘法解调，可得以电压源V_r2为参考的，与V_x幅值和相位相关的直流分量V_out2：

$V_{\mathrm{out}2}=\frac{\mathrm{AB}}{2}\sin \mathrm{\φ}$

上面两式中，B已知，A和φ未知，两式联立可得对应频率下被测阻抗上电压信号的相角和幅值：

$\mathrm{\φ}=\mathrm{arctg}\frac{V_{\mathrm{out}2}}{V_{\mathrm{out}1}}$

$A=\frac{2}{B}\sqrt{V_{\mathrm{out}1}^2+V_{\mathrm{out}2}^2}$

在本发明中，信号源产生正弦电压信号，通过电压控制电流源(VCCS)转换为电流，激励电流通过导联施加于人体组织。由于VCCS将电压转换为电流时会产生相移，而且对于不同频率的电压信号产生的相移也不同，直接采用“信号源”输出作为虚参考信号，测量被测阻抗上的幅值和相位将引入系统误差。本发明提出虚参考矢量方法，采用高低两种频率的混频电流进行激励，对每个频率的阻抗信息测量采用虚参考矢量测量结构(如图2所示)，信号源产生混频激励电压信号，由电压控制电流源转换为电流信号，激励电流流经被测阻抗和参考电阻，测量信号经差分放大后采用模拟乘法器进行解调，以信号源的输出信号作为所有测量的虚参考矢量，V_r1为参考信号1输出信号，V_r2为参考信号2输出信号，二者正交。

分别采用模拟乘法解调方法测量被测阻抗和参考电阻上的电压信号V_H和V_L的幅值和相位，其中，Φ_H、A_H为被测阻抗上的电压信号V_H的相位和幅值，Φ_L、A_r为参考电阻上的电压信号V_L的相位和幅值，

${\mathrm{\Φ}}_H=\mathrm{arctg}\frac{V_{\mathrm{Hout}2}}{V_{\mathrm{Hout}1}}$

$A_H=\frac{2}{B}\sqrt{V_{\mathrm{Hout}1}^2+V_{\mathrm{Hout}2}^2}$

${\mathrm{\Φ}}_L=\mathrm{arctg}\frac{V_{\mathrm{Lout}2}}{V_{\mathrm{Lout}1}}$

$A_L=\frac{2}{B}\sqrt{V_{\mathrm{Lout}1}^2+V_{\mathrm{Lout}2}^2}$

在图2中，参考电阻r选为纯电阻，电阻r上的压降为V_L，V_L与激励电流同相，其矢量图如图3所示，在以激励电流为基准的实际坐标系中，

A_L＝r×|I|，A_H＝|Z_x|×|I|

由于精密电阻r为已知，且A_H和A_L已经由模拟乘法解调获得，故Z_x的幅值可得

$\left|Z_x\right|=\frac{A_H}{A_L}\×r$

Z_x的相角对应以激励电流为基准的实际坐标系，由图3可知，

∠Z_x＝φ_H-φ_L

该方法采用高低两种频率的混频激励模态方式，两种频率下生物电阻抗的测量采用同样的测量结构，可依照上述方法同时获取，均以信号源的输出信号作为所有测量的虚参考矢量。

由于DDS到被测阻抗之间的相移φ_e同时存在于φ_H和φ_L中，而φ_e的参考点与φ_H和φ_L相同，因此，φ_H和φ_L间相差消除了φ_e的影响，仅为电流流经被测阻抗的相移。

本发明的有益效果是：通过采用两种频率的混频激励模态方式配合虚参考矢量方法，应用模拟解调方式，同时获取两种频率下的电阻抗信息的实部和虚部，且消除了电流转换和传输过程中相移造成的误差，从而为临床应用提供更加完备的信息。

                             附图说明

附图1为模拟乘法解调框图；附图2为虚参考矢量测量方法结构图；附图3为虚参考矢量方法矢量图。

                           具体实施方式

本实施例混频电流激励信号的角频率分别为ω₁和ω₂。

对于ω₁频率，V_r1为参考信号1输出信号，V_r2为参考信号2输出信号，二者正交，构成虚参考矢量，两参考信号幅值为1，可表示为：

V_r1＝sinω₁t，V_r2＝cosω₁t

分别采用模拟乘法解调方法，电压V_H和V_L分别为被测阻抗和参考电阻上的电压信号，依照图2的测量方法，分别测量电压V_H和V_L的以V_r1和V_r2为参考的实部和虚部，测得V_Hout2为1.73伏，V_Hout1为1伏，V_Lout2为0.5伏，V_Lout1为0.87伏，依照下面的公式可得V_H和V_L的幅值和相位，其中，Φ_H、A_H为被测阻抗上的电压信号V_H的相位和幅值，Φ_L、A_L为参考电阻上的电压信号V_L的相位和幅值，

${\mathrm{\Φ}}_H=\mathrm{arctg}\frac{V_{\mathrm{Hout}2}}{V_{\mathrm{Hout}1}}=\frac{\mathrm{\π}}{3}$

$A_H=\frac{2}{B}\sqrt{V_{\mathrm{Hout}1}^2+V_{\mathrm{Hout}2}^2}=\frac{2}{1}\sqrt{1^2+1.732^2}=4$

${\mathrm{\Φ}}_L=\mathrm{arctg}\frac{V_{\mathrm{Lout}2}}{V_{\mathrm{Lout}1}}=\frac{\mathrm{\π}}{6}$

$A_L=\frac{2}{B}\sqrt{V_{\mathrm{Lout}1}^2+V_{\mathrm{Lout}2}^2}=\frac{2}{1}\sqrt{{0.866}^2+{0.5}^2}=2$

精密电阻r为已知，设为300欧姆，故被测阻抗Z_x的幅值可得

被测阻抗Z_x对应以激励电流为基准的实际坐标系的相角，可由图3获得，

${\∠Z}_x={\mathrm{\φ}}_H-{\mathrm{\φ}}_L=\frac{\mathrm{\π}}{3}-\frac{\mathrm{\π}}{6}=\frac{\mathrm{\π}}{6}$

这样就获得了被测阻抗在激励角频率为ω₁的测量值，被测阻抗在激励角频率为ω₂的测量值也可依照上述方法同时获得。

Claims (1)

1.模拟解调方式的混频生物阻抗测量方法，其特征是：对于未知阻抗对象Z_x采用角频率为ω的正弦电流I激励，通过测量Z_x上电压V_x的幅值和相位，获得Z_x的复阻抗值，对V_x的测量采用乘法解调方式，令参考电压源V_r1与激励电流同频，V_r1的幅值已知为B，V_x的幅值为A，相移为φ，两信号通过乘法器相乘后，选择截止频率远小于2ω的低通滤波器，得到以电压源V_r1为参考的，与V_x幅值和相位相关的直流分量V_out1：

$V_{\mathrm{out}1}=\frac{\mathrm{AB}}{2}\cos \mathrm{\φ}$

采用与V_r1正交，同幅值，同频的电压源V_r2作为参考信号，与V_x进行乘法解调，得到以电压源V_r2为参考的，与V_x幅值和相位相关的直流分量V_out2：

$V_{\mathrm{out}2}=\frac{\mathrm{AB}}{2}\sin \mathrm{\φ}$

上面两式中，B已知，A和φ未知，两式联立可得对应频率下被测阻抗Z_x上电压V_x的幅值和相角，相角为：

$\mathrm{\φ}=\mathrm{arctg}\frac{V_{\mathrm{out}2}}{V_{\mathrm{out}1}}$

V_x的幅值为：

$A=\frac{2}{B}\sqrt{V_{\mathrm{out}1}^2+V_{\mathrm{out}2}^2}$

采用高低两种频率的混频激励模态方式，两种频率下生物电阻抗的测量采用同样的测量结构，可依照上述方法同时获取，均以信号源的输出信号作为所有测量的虚参考矢量，

V_r1为参考信号1输出信号，V_r2为参考信号2输出信号，二者正交，

分别采用模拟乘法解调方法测量被测阻抗和参考电阻上的电压信号V_H和V_L的幅值和相位，其中，Φ_H、A_H为被测阻抗上的电压信号V_H的相位和幅值，Φ_L、A_L为参考电阻上的电压信号V_L的相位和幅值，

${\mathrm{\Φ}}_H=\mathrm{arctg}\frac{V_{\mathrm{Hout}2}}{V_{\mathrm{Hout}1}}$

$A_H=\frac{2}{B}\sqrt{V_{\mathrm{Hout}1}^2+V_{\mathrm{Hout}2}^2}$

${\mathrm{\Φ}}_L=\mathrm{arctg}\frac{V_{\mathrm{Lout}2}}{V_{\mathrm{Lout}1}}$

$A_L=\frac{2}{B}\sqrt{V_{\mathrm{Lout}1}^2+V_{\mathrm{Lout}2}^2}$

参考电阻r选为纯电阻，电阻r上的压降为V_L，V_L与激励电流同相，在以激励电流为基准的实际坐标系中，

A_L＝r×|I|，A_H＝|Z_x|×|I|

Z_x的幅值为：

$\left|Z_x\right|=\frac{A_H}{A_L}\×r$

Z_x的相角对应以激励电流为基准的实际坐标系，

∠Z_x＝φ_H-φ_L。

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