CN1875883A - 基于傅立叶变换的混频生物阻抗测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于傅立叶变换的混频生物阻抗测量方法，包括如下具体步骤：①设定参数，获取混频激励下被测通路和参考通路电压信号序列；②傅立叶变换解调计算；③参考通路补偿计算。本发明的有益效果是应用该方法，同时获取混频频率下的生物阻抗信息的模和相角。此方法由计算机软件进行解调计算，简化了硬件电路，且消除了硬件电路由于大量模拟器件不匹配以及噪声所引入的干扰，提高了测量精度。基于傅立叶变换的解调算法，上位机软件易于实现，直接对被测信号进行离散傅立叶变换，就能得到所需的生物阻抗信息，在测量过程中，只需调整采样频率、信号频率以及总采样点数等参数进行设置，就能直接进行测量，提高了测量精度，为临床应用提供更加完备准确的信息。

Description

基于傅立叶变换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，具体涉及在混频激励模式下采用的一种基于傅立叶变换的混频生物阻抗测量方法。

背景技术

生物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)及其变化，提取与人体生理、病理相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术。它通常是借助置于体表的激励电极向被测对象施加微小的交变电流(或电压)信号，同时通过测量电极检测组织表面的电压(或电流)信号，由所测信号计算出相应的阻抗及其变化，获取相关的生理和病理信息。

由于生物电阻抗的介电特性参数在不同的频率范围内会有显著的变化(频率散射)，在射频频段(几十千赫～几十兆赫)，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。由此可见，在射频频段电阻抗的变化可以同时反映出细胞内、外液的特征，从而获得生理病理信息。混频激励是在两种或多种频率激励下，获得生物组织在同一时刻的生物电阻抗，从而分析同一生命活动在不同激励频率下的反应。

为了获得同一时刻，不同频率下的人体阻抗信息，需要一种信号解调方法对其进行有效地提取。并且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，测量的信号非常微弱，这也要求这种信号解调方法可以有效地提取淹没在噪声下的微弱信号。目前常用的解调方法有开关解调、乘法解调和数字正交解调。开关解调是通过与激励电流信号同相的方波解调测量电压信号，参考信号方波是由运放增益在1和-1间切换产生的，于是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，其影响会越来越大。乘法解调是利用被测信号与参考信号相乘然后滤波的方式进行解调计算，使用这种方法获得每一种频率下生物阻抗的模值和相角等信息都需要与被测信号同相和正交的两路参考信号，而在混频激励下就需要更多的参考信号，使硬件电路更加庞大，增加了设备的成本。数字正交解调相对以上模拟的解调方法具有硬件电路简单，谐波抑制能力强，无直流漂移等特点。它是针对不同频率，由软件生成与被测信号相应频率分量一系列同相和正交的参考序列，然后与被测信号相乘累加，从而得到该频率下生物阻抗的模值和相角，而此方法的不足之处在于针对被测信号频率成分的数目多少需要对相应的参考序列进行增减，增加了程序实现的难度。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于傅立叶变换的混频生物阻抗测量方法，该方法硬件电路简单，计算机软件易于实现，尤其对于不同数目和频率的混频激励，可在不改变算法和软件的前提下直接进行测量。同时结合参考通路补偿的计算方法，利用在被测通路回路串联的已知阻抗特性参考电阻的信息求得被测对象阻抗模和相角，同时消除了实际电流误差对测量的影响，而且具有较高的测量精度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于傅立叶变换的混频生物阻抗测量方法，其特征在于该方法包括如下具体步骤：

①设定参数，获取混频激励下被测通路和参考通路电压信号序列

生物阻抗测量采用电流激励电压测量的方式，设激励电流为I(其中信号有n个频频率成分f₁，f₂，…，f_i，…，f_n)，流经串联在一起的被测对象(在某一频率激励下阻抗为Z_xi)和参考电阻(阻值为r)，对加在被测对象和参考电阻上的两路电压信号分别进行信号调理，得到被测通路和参考通路电压信号V_x、V_r，然后对V_x、V_r进行AD转换得到被测通路和参考通路电压信号序列v_x(m)、v_r(m)，(m＝0，1，…，M-1)，其中：AD转换是对V_x、V_r进行整周期采样，采样参数分别为：

f_s为采样频率，f_s＞2×max(f₁，f₂，…，f_i，…，f_n)

T_s为采样周期，T_s＝1/f_s

M为总采样点数，为f_s/f_i的整数倍

T_p为总采样时间，T_p＝T_s×M；

②傅立叶变换解调计算

对上述步骤①中得到的被测通路和参考通路电压信号序列v_x(m)、v_r(m)，(m＝0，1，…，M-1)，首先，分别进行离散傅立叶变换，通过下述计算公式求其频谱在激励频率为f_i下的复数值：

$\widehat{V_{\mathrm{xi}}}=T_s\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_x\left(m\right)e^{-j\frac{f_i}{f_s}2\mathrm{\πm}};$

$=R_{\mathrm{xi}}-j{X}_{\mathrm{xi}}$

$\widehat{V_{\mathrm{ri}}}=T_s\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_r\left(m\right)e^{-j\frac{f_i}{f_s}\·2\mathrm{\πm}};$

$=R_{\mathrm{ri}}-j{X}_{\mathrm{ri}}$

其中： 为v_x(m)的频谱在激励频率为f_i下的复数值；

R_xi为 的实部；

-X_xi为 的虚部；

为v_r(m)的频谱在激励频率为f_i下的复数值；

R_ri为 的实部；

-X_ri为 的虚部；

然后，再分别通过下述计算公式计算被测通路和参考通路电压信号在激励频率为f_i下的幅值和相角：

$A_{\mathrm{xi}}=\frac{2}{T_p}\sqrt{{R_{\mathrm{xi}}}^2+{X_{\mathrm{xi}}}^2},$

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{xi}}=\arctan \frac{R_{\mathrm{xi}}}{X_{\mathrm{xi}}};$

$A_{\mathrm{ri}}=\frac{2}{T_p}\sqrt{{R_{\mathrm{ri}}}^2+{X_{\mathrm{ri}}}^2},$

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ri}}=\arctan \frac{R_{\mathrm{ri}}}{X_{\mathrm{ri}}};$

其中：A_xi为被测通路电压信号在激励频率为f_i下的幅值，

      φ_xi为被测通路电压信号在激励频率为f_i下的相角；

      A_ri为参考通路电压信号在激励频率为f_i下的幅值，

      φ_ri为参考通路电压信号在激励频率为f_i下的相角；

③参考通路补偿计算

参考通路补偿计算是在所述被测通路的回路中串联一个已知阻抗特性的参考电阻，通过计算参考电阻所在参考通路的电压信号在激励频率f_i下的幅值和相角，对被测通路电压信号进行补偿计算，从而得到被测对象在激励频率f_i下阻抗的模和相角，计算公式如下：

$\left|Z_{\mathrm{xi}}\right|=\frac{A_{\mathrm{xi}}}{A_{\mathrm{ri}}}\×r;$

∠Z_xi＝φ_xi-φ_ri；

其中：|Z_xi|为被测对象在激励频率为f_i下阻抗的模，

      ∠Z_xi为被测对象在激励频率为f_i下阻抗的相角；

      A_xi、φ_xi为由上述步骤②中得到的被测通路电压信号在激励频率为f_i下的模和相角，

      A_ri、φ_ri为由上述步骤②中得到的参考通路电压信号在激励频率为f_i下的模和相角；

      r为参考电阻的阻值。

本发明的有益效果是：应用基于傅立叶变换的混频生物阳抗测量方法，同时获取混频频率下的生物阻抗信息的模和相角。此方法由计算机软件进行解调计算，简化了硬件电路，且消除了硬件电路由于大量模拟器件不匹配以及噪声所引入的干扰，提高了测量精度。基于傅立叶变换的解调算法，上位机软件易于实现，(很多编程软件都有自带的傅立叶变换函数)，且该方法无需生成参考序列，直接对被测信号进行离散傅立叶变换，就能得到所需的生物阻抗信息，尤其对于不同数目和频率的混频激励，可在不改变算法和软件的前提下直接进行测量。在测量过程中，只需调整采样频率、信号频率以及总采样点数等参数进行设置，就能直接进行测量，使用方便，操作简单。本发明引入参考通路进行补偿，消除了实际电流误差对测量的影响，提高了测量精度，为临床应用提供更加完备准确的信息。

附图说明

图1为本发明的测量系统硬件结构示意图；

图2为本发明的被测对象三元件模型图；

图3为本发明的傅立叶变换解调计算结合参考通路补偿方法示意图；

图4为本发明的矢量图。

具体实施方式

以下结合附图并通过具体实施例，对本发明作进一步的说明。

本发明提出的基于傅立叶变换的混频生物阻抗测量方法可以采用多种硬件方案实现，本实施例的测量系统是基于直接数字合成芯片(DDS)、压控电流源(VCCS)和虚拟仪器(LabVIEW)的生物阻抗测量系统。

本测量系统的硬件配置如图1所示，主要包括产生激励正弦信号的信号发生电路，实现放大滤波功能的信号调理电路，对被测通路和参考通路进行AD转换的AD采集卡及PC机。

信号发生电路产生混频激励电流信号，系统中采用由单片机89C52控制的两片直接数字合成芯片(DDS)配以放大滤波电路，输出高低两种不同频率的电压信号，然后经混频加法电路得到含有两种频率成分的电压信号，最后通过电压控制电流源(VCCS)变为电流信号，施加于被测对象和参考电阻。信号调理电路将加在被测对象和参考电阻的电压信号进行放大滤波等信号调理后，进行AD转换，最后将采集到的被测通路和参考通路电压信号序列送入PC机，进行傅立叶解调计算以及参考通路补偿计算等处理。

测量系统的计算机软件使用虚拟仪器(LabVIEW)实现，主要实现傅立叶解调计算、参考通路补偿计算，以及数据的采集、显示、保存等功能。

测量方法包括以下步骤：

①设定参数，获得被测通路和参考通路电压信号序列；

①-a混频激励电流含有高、低两个频率成分，分别为f₁和f₂，其中，f₁＝50kHz，f₂＝500kHz，激励电流I幅值为1mA；

①-b被测对象为人体细胞模型——三元件模型，由两个电阻和一个电容组成，其连接如图2所示，其中R1＝R2＝1kΩ，C＝1μF，参考电阻阻值r＝390Ω；

①-c设定采样频率f_s＝5MHz，则T_s＝1/f_s＝1/5000000；

①-d设定总采样点数M＝50000，则T_p＝T_s×M＝1/100；

①-e对被测通路和参考通路电压信号分别进行AD转换，可以从PC机获得被测阻抗通路的电压信号序列v_x(m)，参考通路电压信号序列v_r(m)，(其中m＝0，1，…，M-1)；

②由虚拟仪器(LabVIEW)实现被测通路和参考通路傅立叶解调计算，如图3所示。

②-a对v_x(m)、v_r(m)进行离散傅立叶变换，得到v_x(m)频谱在频率为f₁＝50kHz时的复数值 在f₂＝500kHz时的复数值

v_r(m)频谱在频率为f₁＝50kHz时的复数值 在f₂＝500kHz时的复数值

$\widehat{V_{x1}}=\frac{1}{5000000}\underset{m=0}{\overset{49999}{\mathrm{\Σ}}}{v}_x\left(m\right)e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{50}m};$

$=R_{x1}-j{X}_{x1}$

$\widehat{V_{x2}}=\frac{1}{5000000}\underset{m=0}{\overset{49999}{\mathrm{\Σ}}}{v}_x\left(m\right)e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{5}m}$

$=R_{x2}-j{X}_{x2};$

$\widehat{V_{r1}}=\frac{1}{5000000}\underset{m=0}{\overset{49999}{\mathrm{\Σ}}}{v}_r\left(m\right)e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{50}m}$

$=R_{r1}-j{X}_{r1};$

$\widehat{V_{r2}}=\frac{1}{5000000}\underset{m=0}{\overset{49999}{\mathrm{\Σ}}}{v}_r\left(m\right)e^{-j\frac{\mathrm{\π}}{5}m}$

$=R_{r2}-j{X}_{r2}.$

②-b分别计算被测通路在激励频率为f₁＝50kHz下的幅值A_x1，相角φ_x1，在激励频率为f₂＝500kHz下的幅值A_x2，相角φ_x2；参考通路电压信号在激励频率为f₁＝50kHz下的幅值A_r1，相角φ_r1，在激励频率为f₂＝500kHz下的幅值A_r2，相角φ_r2；

$A_{x1}=200\sqrt{{R_{x1}}^2+{X_{x1}}^2},$

${\mathrm{\φ}}_{x1}=\arctan \frac{R_{x1}}{X_{x1}};$

$A_{x2}=200\sqrt{{R_{x2}}^2+{X_{x2}}^2},$

${\mathrm{\φ}}_{x2}=\arctan \frac{R_{x2}}{X_{x2}};$

$A_{r1}=200\sqrt{{R_{r1}}^2+{X_{r1}}^2},$

${\mathrm{\φ}}_{r1}=\arctan \frac{R_{r1}}{X_{r1}};$

$A_{r2}=200\sqrt{{R_{r2}}^2+{X_{r2}}^2},$

${\mathrm{\φ}}_{r2}=\arctan \frac{R_{r2}}{X_{r2}}.$

③由虚拟仪器(LabVIEW)实现参考通路补偿计算

参考通路补偿计算是在所述被测通路的回路中串联一个已知阻抗特性的参考电阻，通过计算参考电阻所在参考通路的电压信号在激励频率f_i下的幅值和相角，对被测通路电压信号进行补偿计算，从而得到被测对象在激励频率f_i下阻抗的模和相角。如图4所示，其中实线坐标系为傅立叶变换参考坐标系，虚线坐标系为实际坐标系，被测对象阻抗的模体现为流经该阻抗电压矢量的幅值与电流矢量的幅值之比，被测对象阻抗的相角体现为流经该阻抗的电压矢量与电流矢量的夹角，上述步骤②中对被测通路电压信号的解调结果是建立在傅立叶变换参考坐标系中的，其相角并不对应被测对象阻抗的相角，幅值也只是被测对象上电压的幅值。因此，利用被测通路回路中串联的已知阻抗特性的参考电阻，可以求得被测对象阻抗的模和相角，并且消除电流误差对测量的影响。

利用步骤②中的解调结果，可以求得被测对象阻抗的模和相角得到f₁＝50kHz信号激励下阻抗模|Z_x1|，相角∠Z_x1，以及f₂＝500kHz信号激励下阻抗模|Z_x2|，相角∠Z_x2：

$\left|Z_{x1}\right|=\frac{A_{x1}}{A_{r1}}\×r$

∠Z_x1＝∠φ_x1-∠φ_r1

$\left|Z_{x2}\right|=\frac{A_{x2}}{A_{r2}}\×r$

∠Z_x2＝∠φ_x2-∠φ_r2

上述测量方法，可以对被测通路和参考通路电压信号进行连续采集，每M＝50000个采样点计算出一个阻抗值，上位机对采集信号进行连续计算，从而实时的显示阻抗信息。

Claims (1)

1.一种基于傅立叶变换的混频生物阻抗测量方法，其特征在于该方法包括如下具体步骤：

①设定参数，获取混频激励下被测通路和参考通路电压信号序列

生物阻抗测量采用电流激励，电压测量的方式，设激励电流为I(激励电流信号有n个频率成分f₁，f₂，...，f_i，...，f_n)，流经串联在一起的被测对象(在某一频率激励下阻抗为Z_xi)和参考电阻(阻值为r)，对加在被测对象和参考电阻上的两路电压信号分别进行信号调理，得到被测通路和参考通路电压信号V_x、V_r，然后对V_x、V_r进行AD转换得到被测通路和参考通路电压信号序列v_x(m)、v_r(m)，(m＝0，1，...，M-1)，其中：AD转换是对V_x、V_r进行整周期采样，采样参数分别为：

f_s为采样频率，f_s＞2×max(f₁，f₂，...，f_i，...，f_n)

T_s为采样周期，T_s＝1/f_s

M为总采样点数，为f_s/f_i的整数倍

T_p为总采样时间，T_p＝T_s×M；

②傅立叶变换解调计算

对上述步骤①中得到的被测通路和参考通路电压信号序列v_x(m)、v_r(m)，(m＝0，1，...，M-1)，首先，分别进行离散傅立叶变换，通过下述计算公式求其频谱在激励频率为f_i下的复数值：

$\widehat{V_{\mathrm{xi}}}=T_s\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_x\left(m\right)e^{-j\frac{f_i}{f_s}\·2\mathrm{\πm}};$

$=R_{\mathrm{xi}}-j{X}_{\mathrm{xi}}$

$\widehat{V_{\mathrm{ri}}}=T_s\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_r\left(m\right)e^{-j\frac{f_i}{f_s}\·2\mathrm{\πm}};$

$=R_{\mathrm{ri}}-j{X}_{\mathrm{ri}}$

其中：

为v_x(m)的频谱在激励频率为f_i下的复数值；

R_xi为

的实部；

-X_xi为

的虚部；

为_vr(m)的频谱在激励频率为f_i下的复数值；

R_ri为 的实部；

-X_ri为

的虚部；

然后，再分别通过下述计算公式计算被测通路和参考通路电压信号在激励频率为f_i下的幅值和相角：

$A_{\mathrm{xi}}=\frac{2}{T_p}\sqrt{{R_{\mathrm{xi}}}^2+{X_{\mathrm{xi}}}^2},$

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{xi}}=\arctan \frac{R_{\mathrm{xi}}}{X_{\mathrm{xi}}};$

$A_{\mathrm{ri}}=\frac{2}{T_p}\sqrt{{R_{\mathrm{ri}}}^2+{X_{\mathrm{ri}}}^2},$

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ri}}=\arctan \frac{R_{\mathrm{ri}}}{X_{\mathrm{ri}}};$

其中：A_xi为被测通路电压信号在激励频率为f_i下的幅值，

φ_xi为被测通路电压信号在激励频率为f_i下的相角；

A_ri为参考通路电压信号在激励频率为f_i下的幅值，

φ_ri为参考通路电压信号在激励频率为f_i下的相角；

③参考通路补偿计算

参考通路补偿计算是在所述被测通路的回路中串联一个已知阻抗特性的参考电阻，通过计算参考电阻所在参考通路的电压信号在激励频率f_i下的幅值和相角，对被测通路电压信号进行补偿计算，从而得到被测对象在激励频率f_i下阻抗的模和相角，计算公式如下：

$\left|Z_{\mathrm{xi}}\right|=\frac{A_{\mathrm{xi}}}{A_{\mathrm{ri}}}\×r;$

∠Z_xi＝φ_xi-φ_ri；

其中：|Z_xi|为被测对象在激励频率为f_i下阻抗的模，

∠Z_xi为被测对象在激励频率为f_i下阻抗的相角；

A_xi、φ_xi为由上述步骤②中得到的被测通路电压信号在激励频率为f_i下的模和相角，

A_ri、φ_ri为由上述步骤②中得到的参考通路电压信号在激励频率为f_i下的模和相角；

r为参考电阻的阻值。