CN209074612U - 生物电阻抗谱的检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种生物电阻抗谱的检测系统，四个电极；控制中心，其用于产生激励信号、对两通道单元输出的电压信号作相位差处理；压控恒流源，其一端通信连接到控制中心、另一端通过标准电阻通信连接到四个电极中的两个，用于将激励信号由电压信号转化成电流信号；测量通道单元，其通信连接到四个电极中的另外两个与控制中心之间，对接收激励信号后产生的第一电压信号进行信号调理；参考通道单元，其一端通信连接到控制中心、另一端通过标准电阻通信连接到四个电极中的两个，对标准电阻上获得的第二电压信号进行信号调理。本实用新型的控制中心对两通道单元获得信号进行相位差处理即可获得待测组织的阻抗信息，测试方便、测量精度高。

Description

生物电阻抗谱的检测系统

技术领域

本专利涉及一种生物电阻抗谱测量技术领域，具体涉及一种生物电阻抗谱的检测系统。

背景技术

生物电阻抗测量是一种无创测量方法，存在广阔的临床应用前景，目前分为普通生物电阻抗检测和生物电阻抗谱检测两种方法。普通生物电阻抗检测是将人体看作简单等效电阻完成测量，这种方法获取的信息量小，但是实现简单，目前应用也最广泛，例如人体成分检测仪、人体阻抗血流图等。生物组织电阻抗谱是采用多频阻抗测量，通过建立人体生物阻抗的等效RC模型，测量不同频率下人体生物阻抗信息，就可以得到人体细胞内、细胞外、细胞组织液、细胞膜等生物组织的电学特性，获得的生物组织信息更加全面，临床诊断价值更大。

传统的生物组织电阻抗谱测量方法是每次发一个单音正弦信号，测量一次生物组织在该频率下的幅度和相位，需要经过多次重复测量，才能得到所需的幅相响应，该方法不仅测量时间长，而且还会受到不同时间人体呼吸和心跳的影响，导致测量结果的不一致性。还有一种方法是采用DDS产生多个频率的正弦信号，这几个正弦信号通过一个加法器生成一个合成信号施加到生物组织，然后通过信号处理技术算出各个频率的幅度和相位，这种方法测量频率分辨率低，而且受到硬件结构的限制，不能够灵活的配置波形信息，测量也不够智能化。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种生物电阻抗谱的检测系统，解决现有方案中测量时间长、测量不同步、测试模式单一且固化、测试不方便等问题，具有快速、多模式、智能化，精确度高的优点。

为了克服现有技术存在的问题，达到上述目的，本实用新型提供了一种生物电阻抗谱的检测系统，其包括：

四个电极，其设置于待测组织上；

控制中心，其用于在不同测量模式下产生激励信号、对所述测量通道单元和所述参考通道单元分别输出的不同电压信号的幅值和相位进行比较相位差的数据处理以获得待测组织的阻抗信息；

压控恒流源，其一端通信连接到所述控制中心、另一端通过标准电阻通信连接到所述四个电极中的两个，用于将所述激励信号由电压信号转化成电流信号经所述四个电极中的两个输入到待测组织；

测量通道单元，其通信连接到所述四个电极中的另外两个与所述控制中心之间，用于对待测组织接收所述激励信号后产生的第一电压信号依次进行包括放大和滤波的信号调理；

参考通道单元，其一端通信连接到所述控制中心、另一端通过标准电阻通信连接到所述四个电极中的两个，用于对所述标准电阻上获得的第二电压信号依次进行包括放大和滤波的信号调理；

其中，不同测量模式至少包括单频输出、自定义频率组合输出以及M序列输出。

优选的是，所述控制中心包括：

可编程信号发生器，其用于在不同测量模式下产生可选择性配置所述激励信号的波形信息；

DA输出控制器，其通信连接到所述可编程信号发生器；所述DA输出控制器接收所述激励信号并进行DA转换；

AD采样控制器，其分别通信连接到所述测量通道单元和所述参考通道单元；所述AD采样控制器对通道单元调理后的信号进行AD转换；

信号预处理模块，其通信连接到所述AD采样控制器；所述信号预处理模块将AD采样后的数据信号进行正交解波和滤波；

数据计算模块，其通信连接到所述信号预处理模块；所述数据处理模块对正交解波和滤波后的信号进行计算，获得待测组织的阻抗信息。

优选的是，所述测量通道单元和所述参考通道单元分别依次包括：

运算放大器，其通信连接到所述电极；

模拟滤波器，其通信连接到所述运算放大器和所述AD采样控制器之间；

其中，所述电极输出到通道单元内的信号依次经所述运算放大器的放大以及所述模拟滤波器的滤波处理后，输出至所述AD采样控制器。

优选的是，还包括：

基于线性相位的贝塞尔滤波器，其通信连接到所述DA输出控制器与所述压控恒流源之间，用于将所述DA输出控制器转换后的激励信号进行基于线性相位的贝塞尔滤波后输出给所述压控恒流源。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的生物电阻抗谱的检测系统，通过测量通道和参考通道的双通道设置，分别获得两个电压信号的相位、幅度，最后通过控制中心对两个电压信号进行相位差处理，从而获得待测组织的阻抗信息，测试方便、测量精度高，智能化水平高。

附图说明

图1为本实用新型提供的生物电阻抗谱的检测系统的通信示意图；

图2为本实用新型提供的生物电阻抗谱的检测方法的流程图；

图中：

10-四个电极；

20-控制中心；

21-可编程信号发生器；22-DA输出控制器；23-AD采样控制器；

24-信号预处理模块；25-数据计算模块；

30-压控恒流源；40-测量通道单元；50-参考通道单元；60-标准电阻；

70-基于线性相位的贝塞尔滤波器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明，以使本领域普通技术人员参照本说明书后能够据以实施。

<实施方式1>

如图1所示，本实用新型提供一种生物电阻抗谱的检测系统，其包括四个电极10、控制中心20、压控恒流源30、测量通道单元40以及参考通道单元50。

其中，四个电极10设置于待测组织上，最大限度的减小了电极的极化效应，提高测量精度。控制中心20用于在不同测量模式下产生激励信号、对测量通道单元40和参考通道单元50分别输出的不同电压信号的幅值和相位进行比较相位差的数据处理以获得待测组织的阻抗信息。压控恒流源30一端通信连接到控制中心、另一端通过标准电阻60通信连接到四个电极10中的两个，用于将激励信号由电压信号转化成电流信号经四个电极10中的两个输入到待测组织。测量通道单元40通信连接到四个电极10中的另外两个与控制中心20之间，用于对待测组织接收激励信号后产生的第一电压信号依次进行包括放大和滤波的信号调理。参考通道单元50一端通信连接到控制中心、另一端通过标准电阻通信连接到四个电极10中的两个，用于对标准电阻60上获得的第二电压信号依次进行包括放大和滤波的信号调理；其中，不同测量模式至少包括单频输出、自定义频率组合输出以及M序列输出。

该实施方式中，双通道设计，两通道的电路参数完全一样，避免了交流信号经过电缆、器件、电路板时，受到寄生电容等参数影响，会产生不可预期的相位变化，从而影响相位测量精度的情况，最大限度减小寄生电容对测量精度的影响；并且，通过比较参考通道和测量通道的信号的相位差，可精确计算人体阻抗相位信息，测试方便、测量精度高，智能化水平高。

需要补充说明的是，自定义频率组合输出，包括控制中心20对A/D采样后获得的第一电压信号和第二电压信号的相位和幅度分别进行基于数字卡尔曼滤波器的数据处理，计算出对应频率的幅度和相位，拟合出Colo-Colo阻抗圆，获取最佳响应频率；该模式适用于特定频率同步测量，控制中心通过数字卡尔曼滤波器的算法，可以输出每个频率的阻抗信息，并根据这些阻抗信息，拟合出Colo-Colo阻抗圆。单频输出，包括控制中心20对A/D采样获得的第一电压信号和第二电压信号的相位和幅度分别进行正交解波的数据处理，计算出信号的幅度和相位；该模式适合特定频率的精确测量，采样获得的电压信号经过控制中心20的正交解波数据处理，可以直接输出阻抗信息。M序列输出，包括控制中心20对A/D采样获得的第一电压信号、第二电压信号、第一相位以及第二相位进行带通滤波和基于FFT的数据处理，计算对应频率点幅度和相位；该模式适合于通频带内的阻抗谱测量，通过带通滤波和基于FFT算法的数据处理，获得特定采样处的阻抗，并根据这些阻抗信息，拟合出Colo-Colo阻抗圆，但是考虑到信号功率、采样率以及测量精度限制，这种方法计算的频率点不可以无限多。由此可见，提供的三种不同模式，控制中心20内均有不同的滤波器对应进行输出处理与筛选，具有多种优点：1.可适应不同的测试场景，同时，支持用户自定义激励信号源配置，方便用户多元化测试；所有操作都是自动化完成，用户只需简单设置，就可以得到各个频率阻抗信息、电压信息、电流信息，并且还能根据这些阻抗信息，拟合出Colo-Colo阻抗圆，以获取人体最佳的响应频率点；2.每个模式都采用不同的数字信号处理算法，可获得更高的测量精度；3.可以采用多个频率信号同步测量，测量时间快，测量准确，受人体呼吸、血流等因素影响较小，提高EIT成像的精度和速度。

作为上述实施方式的优选，控制中心20包括可编程信号发生器21、DA输出控制器22、AD采样控制器23、信号预处理模块24以及数据计算模块25。可编程信号发生器21用于在不同测量模式下产生可选择性配置激励信号的波形信息，适应不同的测试场景，同时，支持用户自定义激励信号源配置，方便用户多元化测试。DA输出控制器22通信连接到可编程信号发生器21，用于接收激励信号并进行DA转换。AD采样控制器23分别通信连接到测量通道单元40和参考通道单元50，用于对通道单元调理后的信号进行AD转换。信号预处理模块24通信连接到AD采样控制器23，用于将AD采样后的数据信号进行正交解波和滤波，因此包括正交解波模块和混合数字滤波模块；数据计算模块25通信连接到信号预处理模块24，用于对正交解波和滤波后的信号进行相位差计算，获得待测组织的阻抗信息，具体地，数据计算模块25包括单频输出、自定义频率组合输出以及M序列输出三种模式下计算获得待测组织的阻抗信息。

作为上述实施方式的优选，测量通道单元40和参考通道单元50分别依次包括运算放大器和模拟滤波器。运算放大器通信连接到电极，模拟滤波器通信连接到运算放大器和AD采样控制器23之间，则电极输出到通道单元内的信号依次经运算放大器的放大以及模拟滤波器的滤波处理后，输出至AD采样控制器23。

作为上述实施方式的优选，还包括基于线性相位的贝塞尔滤波器70。贝塞尔滤波器70通信连接到DA输出控制器22与压控恒流源30之间，用于将DA输出控制器22转换后的激励信号进行基于线性相位的贝塞尔滤波后输出给压控恒流源30。在通频带内线性相位是指相位移动与频率成正比，因为激励信号是多频混合信号，则基于线性相位的贝塞尔滤波器70的滤波设置，可以保证多频合成信号最小失真，即最大限度减小波形失真，使波形保持最大的动态范围，同时，滤除信号高频噪声，提高测量的准确性。

需要补充说明的是，控制中心20比较第一相位与第二相位的相位差，包括步骤：预设激励信号的原始相位是φ，激励信号经过硬件电路产生的相位变化为φ0，经过待测组织产生的相位变化是φ1，则测量通道单元40产生的相位变化为φA＝φ+φ0+φ1，参考通道单元50产生的相位变化为φB＝φ+φ0；控制中心20对第一相位与第二相位做相位差处理，获得激励信号经过待测组织产生的相位变化为φ1＝φA-φB。通过该实施方式，排除硬件电路以及信号传输过程中产生的相位误差，提高测量精度。作为进一步优选，控制中心采用zynq作为主控芯片，最大限度的减小了电路板面积，方便小型化集成。

需要补充说明的是，为了提高系统的智能化、自动化，便捷化，控制中心20外围电路还可以包括但不限于显示屏、人机交互、网络、存储器等，本实用新型不再一一列举。

<实施方式2>

在实施方式1的基础上，如图2所示，本实施方式提供了一种生物电阻抗谱的检测方法，其包括以下步骤：

S10，获取待测组织接收激励信号后产生的第一电压信号以及与待测组织串联的标准电阻上的第二电压信号；

S20，第一电压信号经测量通道的信号调理，获得第一相位和第一幅度，经A/D采样输出至控制中心；

S30，第二电压信号经参考通道的信号调理，获得第二相位和第二幅度，经A/D采样输出至控制中心；

S40，控制中心对第一电压信号和第二电压信号的幅度和相位分别进行计算以获取待测组织的阻抗信息；

其中，控制中心的计算包括通过比较第一相位与第二相位的相位差以获得待测组织的阻抗信息。

上述实施方式中，获取待测组织接收激励信号后产生的第一电压信号以及与待测组织串联的标准电阻上的第二电压信号后，通过共同具有信号调理作用的测量通道和参考通道的双通道设置，分别获得两个电压信号的相位、幅度，最后通过控制中心对两个电压信号进行相位差处理，以获得待测组织的阻抗信息。双通道设计，两通道的电路参数完全一样，避免了交流信号经过电缆、器件、电路板时，受到寄生电容等参数影响，会产生不可预期的相位变化，从而影响相位测量精度的情况，最大限度减小寄生电容对测量精度的影响；并且，通过比较参考通道和测量通道的信号的相位差，可精确计算人体阻抗相位信息，测试方便、测量精度高，智能化水平高。

作为上述实施方式的优选，步骤S10中，待测组织接收激励信号，包括以下步骤：

S11，选择性配置激励信号的波形信息；

S12，控制中心经过一定的采样率产生可配置的波形信息，并经D/A输出；

S13，D/A输出的电压信号依次经过基于线性相位的贝塞尔滤波以及电压转化为电流的处理，获得激励信号，施加到待测组织。

该实施方式中，步骤S11的选择性配置激励信号的波形信息，优选包括按照单频输出或自定义频率组合输出或M序列输出的模式进行配置。具体地，自定义频率组合输出，包括控制中心对A/D采样后获得的第一电压信号和第二电压信号的相位和幅度分别进行基于数字卡尔曼模型的数据处理，计算出对应频率的幅度和相位，拟合出Colo-Colo阻抗圆，获取最佳响应频率；该模式适用于特定频率同步测量，控制中心通过数字卡尔曼模型的算法，可以输出每个频率的阻抗信息，并根据这些阻抗信息，拟合出Colo-Colo阻抗圆。单频输出，包括控制中心对A/D采样获得的第一电压信号和第二电压信号的相位和幅度分别进行正交解波的数据处理，计算出信号的幅度和相位；该模式适合特定频率的精确测量，采样获得的电压信号经过控制中心的正交解波数据处理，可以直接输出阻抗信息。M序列输出，包括控制中心对A/D采样获得的第一电压信号、第二电压信号、第一相位以及第二相位进行带通滤波和基于FFT的数据处理，计算对应频率点幅度和相位；该模式适合于通频带内的阻抗谱测量，通过带通滤波和基于FFT算法的数据处理，获得特定采样处的阻抗，并根据这些阻抗信息，拟合出Colo-Colo阻抗圆，但是考虑到信号功率、采样率以及测量精度限制，这种方法计算的频率点不可以无限多。

综上所述，1.实施方式提供了三种不同模式来适应不同的测试场景，同时，支持用户自定义激励信号源配置，方便用户多元化测试；所有操作都是自动化完成，用户只需简单设置，就可以得到各个频率阻抗信息、电压信息、电流信息，并且还能根据这些阻抗信息，拟合出Colo-Colo阻抗圆，以获取人体最佳的响应频率点。2.每个模式都采用不同的数字信号处理算法，可获得更高的测量精度。3.可以采用多个频率信号同步测量，测量时间快，测量准确，受人体呼吸、血流等因素影响较小，提高EIT成像的精度和速度。

上述实施方式中，步骤S13中，D/A输出的电压信号在电压转化为电流的处理前，通过基于线性相位的贝塞尔滤波器进行滤波。在通频带内线性相位是指相位移动与频率成正比，因为激励信号是多频混合信号，则基于线性相位的贝塞尔滤波器的滤波设置，可以保证多频合成信号最小失真，即最大限度减小波形失真，使波形保持最大的动态范围，同时，滤除信号高频噪声，提高测量的准确性。

作为上述实施方式的优选，信号调理，包括依次对信号进行放大和滤波处理，提高信号处理的精确性。

作为上述实施方式的优选，控制中心比较第一相位与第二相位的相位差，包括步骤：预设激励信号的原始相位是φ，激励信号经过硬件电路产生的相位变化为φ₀，经过待测组织产生的相位变化是φ₁，则测量通道产生的相位变化为φ_A＝φ+φ₀+φ₁，参考通道产生的相位变化为φ_B＝φ+φ₀；控制中心对第一相位与第二相位做相位差处理，获得激励信号经过待测组织产生的相位变化为φ₁＝φ_A-φ_B。通过该实施方式，排除硬件电路以及信号传输过程中产生的相位误差，提高测量精度。作为进一步优选，控制中心采用zynq作为主控芯片，最大限度的减小了电路板面积，方便小型化集成。

需要补充说明的是，自定义频率组合输出的模式中，控制中心对A/D采样后获得的第一电压信号和第二电压信号的相位和幅度分别进行基于数字卡尔曼模型的数据处理，即可精确输出每个频率的阻抗信息，说明如下：

离散卡尔曼滤波的状态方程，测量方程如下：

1).状态方程为：X(k)＝φ(k,k-1)X(k-1)+Γ(k/k-1)w(k-1)

2).测量方程为：Z(k)＝H(k)X(k)+v(k)

式中：X(k)为所要进行估计的状态值，φ(k/k-1)为状态转移矩阵，w(k)为协方差矩阵为Q的状态噪声，H(k)为测量转移矩阵，v(k)为协方差矩阵为R的测量噪声。

3).状态预测方程：

4).预测估计值协方差矩阵：

P(k/k-1)＝φ(k/k-1)P(k-1/k-1)φ^T(k/k-1)+Γ(k/k-1)Q(k-1)Γ^T(k/k-1)

5).增益矩阵：K(k)＝P(k/k-1)H^T(k)[H(k)P(k/k-1)H^T(k)+R(k)]^-1

6).滤波估计值：

7).滤波估计值协方差矩阵：P(k/k)＝P(k/k-1)-k(k)H(k)P(k/k-1)

在卡尔曼滤波过程中，只有确定了状态估计初始值和滤波估计值协方差矩阵的初始值P(0)，整个滤波过程才能启动。一般情况下，将初始估计值的值定为整个系统的第一次观测值Z(0)，将滤波估计值的协方差矩阵P(0)的初始值可以拟订为一个对角阵，虽然大多数实际情况并非如此，但是这样做也是符合理论要求的，并且对于运算也有简化作用。

给定一个信号f(x)，都可以展开为傅里叶级数：

写成矩阵形式为：

令测量转移矩阵:

H(k)＝[1 cos(πx) sin(πx)…cos(nπx) sin(nπx)]

则可以对施加的合成信号进行建模，从而得到f(x)的频率组成成分，进而算出各个频率成分的相位和幅值，那么：

幅值：

相位：

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种生物电阻抗谱的检测系统，其特征在于，其包括：

四个电极，其设置于待测组织上；

控制中心，其用于在不同测量模式下产生激励信号；

压控恒流源，其一端通信连接到所述控制中心、另一端通过标准电阻通信连接到所述四个电极中的两个，用于将所述激励信号由电压信号转化成电流信号经所述四个电极中的两个输入到待测组织；

测量通道单元，其通信连接到所述四个电极中的另外两个与所述控制中心之间，用于对待测组织接收所述激励信号后产生的第一电压信号依次进行包括放大和滤波的信号调理；

参考通道单元，其一端通信连接到所述控制中心、另一端通过标准电阻通信连接到所述四个电极中的两个，用于对所述标准电阻上获得的第二电压信号依次进行包括放大和滤波的信号调理；

其中，控制中心对所述测量通道单元和所述参考通道单元分别输出的不同电压信号的幅值和相位进行比较相位差的数据处理以获得待测组织的阻抗信息；不同测量模式至少包括单频输出、自定义频率组合输出以及M序列输出。

2.如权利要求1所述的生物电阻抗谱的检测系统，其特征在于，所述控制中心包括：

可编程信号发生器，其用于在不同测量模式下产生可选择性配置所述激励信号的波形信息；

DA输出控制器，其通信连接到所述可编程信号发生器；所述DA输出控制器接收所述激励信号并进行DA转换；

AD采样控制器，其分别通信连接到所述测量通道单元和所述参考通道单元；所述AD采样控制器对通道单元调理后的信号进行AD转换；

信号预处理模块，其通信连接到所述AD采样控制器；所述信号预处理模块将AD采样后的数据信号进行正交解波和滤波；

数据计算模块，其通信连接到所述信号预处理模块；所述数据处理模块对正交解波和滤波后的信号进行计算，获得待测组织的阻抗信息。

3.如权利要求2所述的生物电阻抗谱的检测系统，其特征在于，所述测量通道单元和所述参考通道单元分别依次包括：

运算放大器，其通信连接到所述电极；

模拟滤波器，其通信连接到所述运算放大器和所述AD采样控制器之间；

其中，所述电极输出到通道单元内的信号依次经所述运算放大器的放大以及所述模拟滤波器的滤波处理后，输出至所述AD采样控制器。

4.如权利要求2所述的生物电阻抗谱的检测系统，其特征在于，还包括：

基于线性相位的贝塞尔滤波器，其通信连接到所述DA输出控制器与所述压控恒流源之间，用于将所述DA输出控制器转换后的激励信号进行基于线性相位的贝塞尔滤波后输出给所述压控恒流源。