專利名稱：一種生物組織多頻率阻抗測量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生物組織多頻率阻抗測量方法及其裝置。
背景技術(shù)：
通過測量生物阻抗譜提取組織阻抗模型參數(shù)，實現(xiàn)連續(xù)實時監(jiān)測人體生理功能狀態(tài)和檢測病理事件，對醫(yī)學(xué)臨床診斷將會具有非常廣泛的應(yīng)用前景。例如長期靜坐狀態(tài)下，下肢彎曲不動等導(dǎo)致下肢組織血流不暢，腿部供血不足，被測部位低電阻率細(xì)胞減少，等效組織內(nèi)液電阻率Ri明顯增加，而組織外液電阻率Re影響較小。模型參數(shù)提供定量數(shù)據(jù)，電阻抗的模型參數(shù)是一項定量地區(qū)分組織處于不同生理狀態(tài)下的重要指標(biāo)。應(yīng)用于評估工作負(fù)荷條件下人體下肢組織生理變化及其對工作效率的影響。還可用于臨床病理診斷，例如肌肉萎縮，局部癌變等。
生物電阻抗測量是一種無創(chuàng)性測量方法，存在廣闊的臨床應(yīng)用前景。目前它分為普通生物電阻抗和生物電阻抗譜測量兩種方法。
(一)普通生物阻抗測量是將人體組織看作簡單等效電阻完成測量，這種方法簡單，獲取信息少和臨床使用局限性大。例如現(xiàn)有的阻抗血流圖，阻抗心輸出量等。
(二)生物組織電阻抗譜是采用多頻率阻抗測量，建立組織RC網(wǎng)絡(luò)模型的測量方法，其等效模型參數(shù)Ri、Re、Cm和α描述組織細(xì)胞內(nèi)、外電阻、細(xì)胞膜電容和組織頻散系數(shù)的電學(xué)特性。采用組織阻抗模型的優(yōu)點是測量更精確，獲取的生物組織信息更全面，臨床診斷價值大。
人體組織的電學(xué)特性可由阻抗模型描述，不同于單個電阻模型，采用由細(xì)胞內(nèi)液電阻(Ri)、細(xì)胞外液(Re)電阻和膜上電容(Cm)組成的多參數(shù)生物阻抗模型。如圖1所示。人體的工作狀態(tài)、生理功能的改變，引起組織中不同成份阻抗特性發(fā)生較大改變。
通過測量系統(tǒng)可以得到所測部位組織阻抗的頻率特性，包括幅頻特性和相頻特性，幅頻特性是不同頻率下的阻抗幅值，即圖2中ρi，相頻特性是不同頻率下的阻抗相位角，即圖2中θi，(i為某一頻率點，例如取i＝1-20，20個點)。組織阻抗的頻率特性在復(fù)坐標(biāo)上描繪出點軌跡，理論上可視為一段圓弧。根據(jù)點軌跡確定圓弧的圓心和半徑，即由Cole-Cole阻抗方程來描述Z=R∞+R0-R∞1+(jωτ)α------(1)]]>式中τ＝(Ri+Re)Cm，R0＝Re，R∞＝Ri//Re，Z為復(fù)平面第4象限的一段圓弧。如圖2所示。Cole-Cole阻抗方程中特征參數(shù)τ代表時間常數(shù)，R0代表頻率為0時的阻抗值，R∞代表頻率無窮大時的阻抗值，α為松弛因子，一般在0～1之間取值。
實際應(yīng)用中由于測量頻率有限，必須根據(jù)有限測量數(shù)據(jù)依靠算法求取生物組織的阻抗模型參數(shù)?，F(xiàn)有算法存在明顯缺點，例如有的用三個頻率點近似計算血液電阻抗模型，這種近似計算的精度低，誤差大。國外學(xué)者采用最小二乘圓擬合法提取離體組織模型的特征參數(shù)等，但是存在迭代次數(shù)大(需幾百或上千次迭代計算)，擬合精度不高和初始值選取影響迭代收斂性，導(dǎo)致運算速度慢。利用這種算法進行測量的缺點是速度慢、精度低。
現(xiàn)有的生物阻抗測量儀大都采用簡單的電阻模型，例如臨床采用的無創(chuàng)阻抗法心輸出量測量儀器等，使用局限性大，只能用于人體特定部位。生物組織多頻阻抗測量儀器目前還沒有實用化儀器。另外已有的處于研制實驗階段的儀器設(shè)計方案較復(fù)雜，性能簡單，采用的算法和實現(xiàn)的功能十分簡單，成本高。且不具備阻抗模型參數(shù)提取分析功能。不能長時間在體監(jiān)測生物體阻抗模型參數(shù)等(參見發(fā)明專利CN1312052A，由單片集成電路構(gòu)成的生物阻抗測量裝置，
公開日2001年9月12日)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種生物組織多頻率阻抗測量方法，該方法具有計算速度快，測量精度高的特點。本發(fā)明還提供了實現(xiàn)該方法的測量裝置，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、性價比高、使用方便等特點。
本發(fā)明提供的一種生物組織多頻率阻抗測量方法，依次包括以下步驟(1)儀器定標(biāo)初次使用前采用提供的標(biāo)準(zhǔn)電阻和電容網(wǎng)絡(luò)進行定標(biāo)，以確定電壓大小與電阻抗值的轉(zhuǎn)換關(guān)系；(2)初始化給出判別收斂條件e的值，迭代次數(shù)k＝0，k≤50；采用生物阻抗測量裝置讀入N個頻率點的電壓幅度和相位的數(shù)值，N為大于等于10的整數(shù)，按照步驟(1)確定的定標(biāo)關(guān)系轉(zhuǎn)換成相應(yīng)阻抗幅度ρi和相位值θi，再按照下面的公式計算初始坐標(biāo)值和圓心初值x0，y0和rx0y0r=Σi=1ncos2θiΣi=1nsinθicosθiΣi=1ncosθiΣi=1nsinθicosθiΣi=1nsin2θiΣi=1nsinθiΣi=1ncosθiΣi=1nsinθin-1×Σi=1ncosθiρiΣi=1nsinθiρiΣi=1nρi]]>(3)按照下面的公式進行坐標(biāo)變換xik+1=xik-x0k,]]>yik+1=yik-y0k]]>cosθik+1=xik+1ρik+1;]]>sinθik+1=yik+1ρik+1]]>ρik+1=(xik+1)2+(yik+1)2]]>(4)按照步驟(2)中的公式計算(x0k+1，y0k+1，rk+1)T；(5)判斷(x0k+1，y0k+1，rk+1)T的值是否大于e，如果其值大于e，則令k＝k+1，再判定k是否大于50，如果是，則本次計算無效，否則重復(fù)步驟(3)-(5)；如果其值小于e，則輸出優(yōu)化的解(x0k+1，y0k+1，rk+1)T和迭代次數(shù)K；(6)采用下面的公式，利用優(yōu)化的解計算R0、R∞，α和τ，再計算模型參數(shù)Ri、Re和CmR0=x0+r2-y02]]>R∞=x0-r2-y02]]>α=1-2πarcsin(|y0|r)]]>τ=(R0-Zi(ωi)Zi(ωi)-R∞)1αjωi]]>Re＝R0Ri=R0×R∞R0-R∞]]>
Cm＝τ/(Ri+Re)實現(xiàn)上述方法的測量裝置，包括數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分，由DC/DC直流變換器為二部分提供隔離電源，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集部分的結(jié)構(gòu)為數(shù)據(jù)采集單片機用于完成數(shù)據(jù)采樣，存儲和串行數(shù)據(jù)發(fā)送，并控制直接數(shù)字頻率合成器產(chǎn)生各種需要的頻率；直接數(shù)字頻率合成器與單片機相連，用于產(chǎn)生不同頻率、幅度恒定的正弦電壓信號，分二路傳送給壓控恒流源和第二寬頻帶放大器；壓控恒流源與直接數(shù)字頻率合成器相連，用于將所述正弦電壓信號轉(zhuǎn)換為正弦恒定電流信號；電流電極與壓控恒流源相連，用于將正弦恒定電流信號加到人體組織待測部位；測量電極用于提取出生物組織所產(chǎn)生的與組織特性相關(guān)的正弦電壓信號Ui，并依次傳送給第一寬頻帶放大器和第一濾波器，第一寬頻帶放大器和第一濾波器將正弦電壓信號Ui放大、濾波后分二路傳送給鑒幅器和整形和鑒相器；鑒幅器用于將生物電阻抗的不同頻率的幅值信息轉(zhuǎn)換為電平大小，傳送給單片機中的一路A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后將阻抗幅度傳送給所述數(shù)據(jù)處理部分；第二寬頻帶放大器將輸入的正弦電壓信號Ur放大后傳送給第二濾波器，濾波后也傳送給整形和鑒相器；該第二寬頻帶放大器及第二濾波器與第一寬頻帶放大器和第一濾波器保持同步放大和濾波；整形和鑒相器由整形器和鑒相器構(gòu)成，整形器用于將接收的信號整形成為方波，鑒相器用于相位檢測，被測組織的相位信息相對于不變的參考信號通過鑒相器得到相位信息的大小，該相位信息被送入單片機中的另一路AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后將相位值傳送給所述數(shù)據(jù)處理部分；所述數(shù)據(jù)處理部分為PC機，它通過隔離串行接口與單片機相連，用于對采樣的阻抗幅度和相位值進行分析計算，得到電阻抗模型參數(shù)Ri、Re、Cm和α。
本發(fā)明采用線性變換迭代擬合法應(yīng)用于生物組織阻抗模型參數(shù)的提取，本發(fā)明可以僅用有限頻率完成阻抗譜的精確擬合。該方法具有收斂速度快、數(shù)值擬合精度高、迭代初值易確定、運算速度快等特點。如循環(huán)迭代次數(shù)僅5次，達到誤差小于10-9的水平。本發(fā)明實現(xiàn)了快速、精確地提取阻抗模型參數(shù)Ri、Re、Cm和α的目標(biāo)。
在此基礎(chǔ)上用物理模型和人體組織完成實驗測定，并開發(fā)出實用的測量裝置。該裝置采用了單片機與PC機的雙CPU結(jié)構(gòu)，采用數(shù)字頻率合成技術(shù)等，具有成本低，結(jié)構(gòu)簡單，自動分析功能強等特點。便于直接開展產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)工作。


圖1為組織的電阻抗模型示意圖；圖2為Cole-Cole阻抗圖；圖3為線性變換迭代擬合法程序框圖；圖4為生物組織多頻率阻抗測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為AD7008與ADuC812的接口電路圖；圖6為電極安放位置示意圖；圖7為同步對稱結(jié)構(gòu)放大器；圖8為前置級電路原理圖；圖9為鑒幅器電路圖；圖10為分析軟件，界面和人體組織實測結(jié)果。
具體實施例方式
1.線性變換迭代最小二乘擬合法的原理和計算公式線性變換迭代最小二乘擬合法是將擬合圓坐標(biāo)線性變換和迭代擬合相結(jié)合的方法，其原理是圓度誤差反映了實際圓與理想圓的徑向偏離程度，經(jīng)典的圓度誤差評定的計算方法是最小二乘擬合法，其數(shù)學(xué)模型表達了在確定最小二乘圓心坐標(biāo)(x0，y0)時，使半徑誤差平方和為最小這一基本思想。即模型1F(x0,y0,r)=Σi=1nϵi2=Σi=1n[(xi-x0)2+(yi-y0)2-r]2------(2)]]>對F(x0，y0，r)求偏導(dǎo)并令其等于0。但出現(xiàn)變量(x0，y0，r)的非線性函數(shù)，直接求解比較困難。
實際在圓度誤差評定中，如果滿足(a)x0，y0之值極小，即所謂“小偏差假設(shè)”；(b)圓度誤差和其半徑相比是微量，稱為小誤差情況。小誤差情況可用另一種圓模型表示，即模型2F1(x0,y0,r)=Σi=1nϵi2=Σi=1n[ρi-x0cosθi-y0sinθi-r]2------(3)]]>對F1(x0，y0，r)求偏導(dǎo)并令其等于0，得到可表示為矩陣形式的方程(ATA)X＝ATB(4)公式(4)中各個變量分別為X=x0y0r,]]>B=ρ1ρ2...ρN,]]>A=cosθ1sinθ11cosθ2sinθ21.........cosθnsinθn1]]>ρi=xi2+yi2,]]>cosθi=xiρi,]]>sinθi=yiρi,i=1,···n]]>式(4)的唯一解為X＝(ATA)-1(ATB)即x0y0r=Σi=1ncos2θiΣi=1nsinθicosθiΣi=1ncosθiΣi=1nsinθicosθiΣi=1nsin2θiΣi=1nsinθiΣi=1ncosθiΣi=1nsinθin-1×Σi=1ncosθiρiΣi=1nsinθiρiΣi=1nρi-------(5)]]>在滿足小偏差假設(shè)下，精確解(5)可認(rèn)為是式(2)的優(yōu)化解。根據(jù)以上分析，得出以最小二乘法簡化的線性迭代運算來逼近精確圓優(yōu)化解的算法。它通過坐標(biāo)系原點的線性變換，求出式(5)在新的坐標(biāo)系下的精確解，隨著迭代次數(shù)的增加，精確解也必為式(2)的優(yōu)化解。這就是線性變換迭代最小二乘擬合法的原理。利用這一理論，采用軟件實現(xiàn)程序設(shè)計。對收斂判別系數(shù)，迭代次數(shù)賦初值，進行坐標(biāo)變換完成求解，再通過收斂判別最后輸出優(yōu)化解。
由以上計算的x0，y0和r，再按如下公式計算Cole-Cole阻抗方程模型參數(shù)R0，R∞，α和τR0=x0+r2-y02------(6)]]>R∞=x0-r2-y02--------(7)]]>α=1-2πarcsin(|y0|r)-------(8)]]>推導(dǎo)得τ=(R0-Zi(ωi)Zi(ωi)-R∞)1αjωi------(9)]]>其中Zi(ωi)代表在fi頻率下圓弧軌跡上的復(fù)阻抗，ωi＝2πfi。由于測量所帶來的噪聲，實測點往往分布在軌跡的兩側(cè)，這將會給計算引入誤差，因此我們采用平均的辦法來減小誤差，即把由N個數(shù)據(jù)點所計算出的N個時間常數(shù)τ相加平均得到，復(fù)阻抗Z是如圖2所示曲線，參數(shù)τ是一實數(shù)，有τ=1NΣi=1N|(R0-Zi(ωi)Zi(ωi)-R∞)1αjωi|------(10)]]>最后，確定阻抗模型參數(shù)Ri、Re和Cm如下Re＝R0(11)Ri=R0×R∞R0-R∞------(12)]]>Cm＝τ/(Ri+Re) (13)2.測量方法和步驟其測量方法如下①儀器定標(biāo)使用前采用提供的標(biāo)準(zhǔn)電阻和電容網(wǎng)絡(luò)進行定標(biāo)。以確定電壓大小與電阻抗值的轉(zhuǎn)換關(guān)系；②對變量賦初值由儀器讀入各頻率點的電壓幅度和相位的數(shù)值，按照定標(biāo)的關(guān)系轉(zhuǎn)換為相應(yīng)阻抗幅度和相位值，根據(jù)電阻抗幅度和相位的數(shù)值，計算初始坐標(biāo)值，計算圓心初值；③按公式(1)～(11)進行計算。編制程序的步驟如下。
3.程序流程上述計算方法通過采用計算機編程才能實現(xiàn)，這里給出編寫程序的流程框圖如圖3所示。
(1)初始化給出判別收斂條件e的值，迭代次數(shù)k＝0；(2)輸入N次測量得到的阻抗幅度和相位值，計算初始坐標(biāo)值，對圓心坐標(biāo)x0，y0賦初值；(3)坐標(biāo)變換如前面所述，進行坐標(biāo)變換；(4)根據(jù)式(5)計算模型2的精確解(x0k+1，y0k+1，rk+1)T；(5)判斷收斂條件上述解大于e否？(6)如果大于e，繼續(xù)進行坐標(biāo)變換，再一次計算模型2的精確解。并使k＝k+1′；(7)判定k是否大于50，如果是則本次計算無效。反之則返回(5)繼續(xù)上述過程，直至滿足收斂條件解小于e；(8)輸出優(yōu)化的解和迭代次數(shù)；(9)將優(yōu)化的解用于計算模型參數(shù)Ri、Re、Cm和α，并繪出擬合的阻抗圓圖。計算按照公式(6)～(13)進行；(10)結(jié)束程序運行。
4.測量裝置測量裝置由兩部分組成，如圖4所示，其中虛線框內(nèi)為以數(shù)據(jù)采集單片機為主的數(shù)據(jù)采集部分，虛線框外為基于PC機的數(shù)據(jù)處理部分。由于測量裝置直接作用于受試者，必須進行隔離處理。隔離包含信號隔離和電源隔離，電源隔離采用DC/DC直流變換器實現(xiàn)，信號隔離則采用光電耦合器的數(shù)字隔離方式。在PC機與數(shù)據(jù)采集單片機之間的串行接口的輸入輸出端各加入兩個光電耦合器實現(xiàn)數(shù)字隔離，全部數(shù)據(jù)采集單片機和處理電路部分隔離成浮地狀態(tài)。采用數(shù)字隔離方法的優(yōu)點是消除模擬隔離的非線性誤差，提高測量精度。另一優(yōu)點是安全可靠，不降低模擬信號的線性度，又能提高放大器的共模抑制比，增強系統(tǒng)抗干擾能力。
以下分別介紹其它組成部分(一)、數(shù)據(jù)采集部分(1)數(shù)據(jù)采集單片機13數(shù)據(jù)采集單片機13用于完成數(shù)據(jù)采樣，存儲和串行數(shù)據(jù)發(fā)送，并控制直接數(shù)字頻率合成器6產(chǎn)生各種需要的頻率。本發(fā)明選用了內(nèi)含二路A/D轉(zhuǎn)換器的單片機，可以直接依靠軟件完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，本實施例選用的是ADuC812單片機。
(2)直接數(shù)字頻率合成器6由數(shù)據(jù)采集單片機13控制直接數(shù)字頻率合成器DDS(direct digital frequency synthesis，)產(chǎn)生不同頻率(例如對500Hz～200kHz頻率內(nèi)12個頻率點的自動切換)，幅度恒定的正弦電壓信號。采用數(shù)字頻率合成器的優(yōu)點是通過單片機控制可以直接方便地產(chǎn)生任意頻率、頻率穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)換時間短(可小于20ns)，頻率分辨率高，改變幅度容易，使用靈活方便。本實施例選用DDS AD7008。單片機ADuC812控制直接數(shù)字頻率合成器DDS AD7008實現(xiàn)了數(shù)字化的頻率產(chǎn)生。AD7008是高集成度數(shù)字頻率合成器。AD7008內(nèi)部主要由參考頻率源、相位累加器、正弦波采樣ROM、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及低通濾波器構(gòu)成。AD7008的接口控制簡單，可用8位或16位并行口或串行口直接輸入頻率、相位以及幅度等控制字。AD7008與ADuC812的接口電路如圖5所示。32位頻率控制字在6MHz時鐘的輸出頻率分辨率可達0.0014Hz，最大輸出頻率可達1MHz。
(3)壓控恒流源5它將直接數(shù)字頻率合成器6產(chǎn)生的正弦電壓信號轉(zhuǎn)換為正弦恒定電流信號。壓控恒流源既可以采用集成器件也可以采用運算放大器設(shè)計，只要能完成這一功能即可。
(4)電極1-4本發(fā)明采用四個Ag/AgCl平板電極，其中電極1，4為兩個電流電極，通過兩個電流電極將閾下刺激幅度的恒定正弦電流(正弦電流的峰值為100uA)加到人體組織部位。電極2，3為兩個測量電極，又稱電壓電極，用于提取出生物組織所產(chǎn)生的與組織特性相關(guān)的正弦電壓信號。
本實施例四個電極采用面積較大的平板電極，這樣可使測量部分電場變化均勻。電流電極放在外側(cè)，測量電極放在內(nèi)側(cè)。如圖6所示。測下肢的阻抗時，兩個電壓電極(測量電極)間距為7cm，電流電極與電壓電極間距為2cm，第一個電流電極距膝關(guān)節(jié)下2cm。
本測量裝置對于放大器電路頻率特性要求非常嚴(yán)格，這樣才能在較寬頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)測量。為避免提高成本，我們采用兩路同步對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。如圖7所示。一路是電壓測量放大級，另一路是參考信號放大級。對稱結(jié)構(gòu)優(yōu)點是降低器件成本，同步補償相位誤差。這樣設(shè)計才可以采用價格相對較低的放大器如低噪聲寬帶運放OP37實現(xiàn)兩路信號的相位補償，提高測量相位的精度，降低電路成本。下面分別加以介紹
(5)電壓測量放大級包括第一寬頻帶放大器7和第一濾波器8。寬頻帶放大器7用于生物電壓的放大，即將兩個電壓電極3、4的微弱組織電壓信號ωi進行放大和濾波。由于測量頻率范圍很寬，放大器必須采用高精度寬頻帶放大器，但是為了降低電路成本，本發(fā)明采用低噪聲寬帶運放OP37設(shè)計，價格相對較低。所用前置寬帶放大器的電路如圖8所示。前置級電路中A1、A2與A3構(gòu)成并聯(lián)平衡對稱差動三運放低噪聲電路，其中A1、A2選用高共模抑制比且對稱性良好的的集成運算放大器TLO84組成，A3選用具有超低噪聲特性 高共模抑制比(120dB)的集成運算放大器OP-37組成，并且前置級采用了共模屏蔽驅(qū)動電路，提高放大器的共模抑制比。該電路處于隔離部分，浮地工作方式進一步提高共模抑制比。合理選擇電路參數(shù)實現(xiàn)寬頻帶前置級放大要求，而且保持價格低的特點。寬帶放大器的要求是高輸入阻抗、良好的幅頻和相頻特性、低漂移、低噪聲、頻帶寬、抗干擾能力強等。濾波器8是普通二階低通濾波器，可以采用運算放大器設(shè)計，主要目的是減少高頻干擾。
(6)鑒幅器9用于將生物電阻抗的不同頻率的幅值信息轉(zhuǎn)換為電平大小。普通鑒幅器需要采用RC電路，RC電路必須具備放電功能以便加快工作，放電控制由計算機完成，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能達不到要求，所以本實施設(shè)計一種具有自動放電和跟隨功能的鑒幅器電路，實現(xiàn)快速和穩(wěn)定工作，提高了測量精度。鑒幅器的幅值電平信息被送入ADuC812內(nèi)含的一路AD轉(zhuǎn)換器。鑒幅器電路原理圖如圖9所示。圖中U1A，D1，D2組成精密整流電路，U1B為射極跟隨器，電容C1為積分電容，本實施加入電阻R2是為積分電路提高放電通路，該鑒幅器不需要放電開關(guān)實現(xiàn)了自動放電，使幅度檢測能夠連續(xù)自動進行。實現(xiàn)快速和穩(wěn)定工作，提高測量精度。
(7)參考信號放大電路由第二寬頻帶放大器10和第二濾波器11組成。用于對參考信號進行同步對稱放大，從信號源(即直接數(shù)字頻率合成器6)得到參考正弦電壓信號Ur，將參考信號與測量電壓信號保持同步放大濾波，即保持和組織的信號Ui相同的放大和濾波。目的是減少相位誤差。提高相位測量的精度。
(8)整形和鑒相器12如圖7所示，電壓測量放大級和參考信號放大級兩路信號首先被整形成為方波，然后送入鑒相器完成相位檢測。被測組織的相位信息相對于不變的參考信號通過鑒相器得到相位信息的大小。相位信息被送入ADuC812內(nèi)含的另一路AD轉(zhuǎn)換器采樣。其中整形電路可以采用高速比較器LM319實現(xiàn)，而鑒相器可以采用集成鎖相環(huán)CD4046實現(xiàn)。
(二)數(shù)據(jù)處理部分?jǐn)?shù)據(jù)處理部分為裝有前面所述程序的PC機15，它通過隔離串行接口14與單片機13相連。
(1)采用PC機15對采樣的組織幅頻和相頻值進行分析計算，繪出阻抗圓圖及頻率特性曲線，并利用線性變換迭代式擬合法提取電阻抗模型參數(shù)Ri、Re、Cm和α，實現(xiàn)阻抗模型參數(shù)的連續(xù)自動分析。其處理流程圖如圖3所示，本實施采用軟件Matlab進行算法和繪圖設(shè)計。
(2)整個裝置的兩大部分需要實現(xiàn)隔離，PC機與單片機之間需要使用隔離串行接口進行隔離傳輸。如采用二個光電耦合器對RS232的數(shù)據(jù)串行口進行隔離，以實現(xiàn)數(shù)字隔離。
進行測量時，采用研制的儀器，選定測量部位和描述的生物學(xué)內(nèi)容，即醫(yī)學(xué)價值和生理學(xué)內(nèi)容，通常和醫(yī)生共同制定。例如某部位由血管組成，測量目的是血管變化情況。
本發(fā)明整個裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。采用數(shù)字隔離技術(shù)，對于人體電信號測量安全，可靠。對生物電信號提取部分采用浮地技術(shù)，既實現(xiàn)人體與電氣的隔離，又提高測量精度和穩(wěn)定性。并且，本發(fā)明還具有尺寸小、電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點。PC機部分主要為軟件功能，為使用戶方便，設(shè)計系統(tǒng)的界面如圖10所示。所設(shè)計的系統(tǒng)分析軟件具有友好的界面，可輸入受試者個人基本信息，可輸入數(shù)據(jù)，進行定標(biāo)并按上述擬合算法自動提取電阻抗模型參數(shù)Ri、Re、Cm和α。繪出阻抗圓圖及頻率特性曲線。系統(tǒng)的界面和人體組織阻抗實測結(jié)果如圖10所示。圖中“*”為人體實測數(shù)據(jù)，實線為擬合曲線。上面為擬合曲線，下面為計算的參數(shù)值?？梢钥闯鰷y量具有較高的擬合精度。
使用步驟(1)測量采用研制的生物阻抗多頻率測量儀器，選定確定的組織測量部位和具有生物生理學(xué)的意義，即有確切的醫(yī)學(xué)臨床診斷價值和生理學(xué)研究價值，通常應(yīng)和醫(yī)生共同制定測量方案。例如某部位由血管組成，測量目的是血管的變化情況等。
(2)安放電極采用四個Ag/AgCl電極，確定電極間距，并保持固定不變，每次測量條件和環(huán)境保持不變。對皮膚表面進行處理，保證電極和人體低電阻接觸。
(3)啟動研制的組織多頻阻抗測量系統(tǒng)進入自動測量工作，進行數(shù)據(jù)采集和存儲，改變頻率反復(fù)完成數(shù)據(jù)采集和存儲，達到預(yù)定的數(shù)據(jù)后進行阻抗參數(shù)的自動分析計算，測量和分析工作均按友好的軟件界面的提示進行。
(4)定標(biāo)和選擇檔位測量前先用所提供的標(biāo)準(zhǔn)電阻電容組成的網(wǎng)絡(luò)進行定標(biāo)，確定測量范圍和選擇相應(yīng)的測量檔位。同時定標(biāo)后可以將測量電壓大小轉(zhuǎn)換為阻抗值。
(5)測量的數(shù)據(jù)從測量儀器獲取的是不同頻率的幅頻特性和相頻特性。測量數(shù)據(jù)會自動保存。
(6)自動計算的結(jié)果可以繪制組織阻抗的擬合曲線和給出測量的各個參數(shù)值Ri、Re、Cm和α。
(7)繪制連續(xù)測量的幅頻特性和相頻特性的曲線圖。
采用本發(fā)明裝置已完成的實驗結(jié)果如下(1)首先用Matlab數(shù)據(jù)仿真來驗證算法精度。運算結(jié)果殘余誤差平方和ei2非常小(10-9數(shù)量級)。同時誤差小于10-9的循環(huán)迭代次數(shù)僅5次。這是這個算法的理論精度。
(2)然后以實際模擬RC網(wǎng)絡(luò)為標(biāo)準(zhǔn)，測試和評估所設(shè)計的系統(tǒng)的軟、硬件性能。結(jié)果表明該測量系統(tǒng)具有較高的擬合準(zhǔn)確度(相對誤差＜±5％)和精密度(標(biāo)準(zhǔn)差＜±1％)。
(3)對20位健康受試者反復(fù)實際測試，均能獲得穩(wěn)定的結(jié)果，每次測量具有較好的重復(fù)性。
(4)上肢缺血實驗前臂組織在模擬缺血狀態(tài)下(用血壓袖帶阻斷血管方法)的電阻抗模型參數(shù)產(chǎn)生不同的變化，缺血后Ri顯著上升，Re稍微上升，組織膜電容Cm稍微下降。
(5)下肢缺血實驗長時間靜坐條件下，下肢組織阻抗參數(shù)Ri隨時間延長、表明隨工作負(fù)荷加重而增加。Re和Cm變化不顯著。
(6)大鼠死亡時間和阻抗變化相關(guān)性研究取得明確的結(jié)果。研究目的是為法醫(yī)和公安系統(tǒng)驗尸斷案提供科學(xué)依據(jù)。
總之本測量裝置特點鮮明，結(jié)構(gòu)簡單，體積小、大大降低成本和提高性價比。硬件方面的一些關(guān)鍵技術(shù)保證系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定工作，設(shè)計了一套能方便、實用、快速、準(zhǔn)確、自動地測量在體生物組織電阻抗幅度和相位的測量系統(tǒng)。能夠快速、精確的測量在體生物電阻抗模型參數(shù)，并應(yīng)用于監(jiān)測隨時間延長工作負(fù)荷加重時生物組織缺血狀況等多種應(yīng)用場合。
權(quán)利要求
1.一種生物組織多頻率阻抗測量方法，依次包括以下步驟(1)儀器定標(biāo)初次使用前采用提供的標(biāo)準(zhǔn)電阻和電容網(wǎng)絡(luò)進行定標(biāo)，以確定電壓大小與電阻抗值的轉(zhuǎn)換關(guān)系；(2)初始化給出判別收斂條件e的值，迭代次數(shù)k＝0，k≤50；采用生物阻抗測量裝置讀入N個頻率點的電壓幅度和相位的數(shù)值，N為大于等于10的整數(shù)，按照步驟(1)確定的定標(biāo)關(guān)系轉(zhuǎn)換成相應(yīng)阻抗幅度ρi和相位值θi，再按照下面的公式計算初始坐標(biāo)值和圓心初值x0，y0和rx0y0r=Σi=1ncos2θiΣi=1nsinθicosθiΣi=1ncosθiΣi=1nsinθicosθiΣi=1nsin2θiΣi=1nsinθiΣi=1ncosθiΣi=1nsinθin-1×Σi=1ncosθiρiΣi=1nsinθiρiΣi=1nρi]]>(3)按照下面的公式進行坐標(biāo)變換xik+1=xik-x0k,]]>yik+1=yik-y0k]]>cosθik+1=xik+1ρik+1;]]>sinθik+1=yik+1ρik+1]]>ρik+1=(xik+1)2+(yik+1)2]]>(4)按照步驟(2)中的公式計算(x0k+1，y0k+1，rk+1)T；(5)判斷(x0k+1，y0k+1，rk+1)T的值是否大于e，如果其值大于e，則令k＝k+1，再判定k是否大于50，如果是，則本次計算無效，否則重復(fù)步驟(3)-(5)；如果其值小于e，則輸出優(yōu)化的解(x0k+1，y0k+1，rk+1)T和迭代次數(shù)K；(6)采用下面的公式，利用優(yōu)化的解計算R0、R∞和τ，再計算模型參數(shù)Ri、Re、Cm和αR0=x0+r2-y02]]>R∞=x0-r2-y02]]>α=1-2πarcsin(|y0|r)]]>τ=(R0-Zi(ωi)Zi(ωi)-R∞)1αjωi]]>Re＝R0Ri=R0×R∞R0-R∞]]>Cm＝τ/(Ri+Re)
2.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的測量裝置，包括數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分，由DC/DC直流變換器為二部分提供隔離電源，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集部分的結(jié)構(gòu)為數(shù)據(jù)采集單片機(13)用于完成數(shù)據(jù)采樣，存儲和串行數(shù)據(jù)發(fā)送，并控制直接數(shù)字頻率合成器(6)產(chǎn)生各種需要的頻率；直接數(shù)字頻率合成器(6)與單片機(13)相連，用于產(chǎn)生不同頻率、幅度恒定的正弦電壓信號，分二路傳送給壓控恒流源(5)和第二寬頻帶放大器(10)；壓控恒流源(5)與直接數(shù)字頻率合成器(6)相連，用于將所述正弦電壓信號轉(zhuǎn)換為正弦恒定電流信號；電流電極(1、4)與壓控恒流源(5)相連，用于將正弦恒定電流信號加到人體組織待測部位；測量電極(3、4)用于提取出生物組織所產(chǎn)生的與組織特性相關(guān)的正弦電壓信號(Ui)，并依次傳送給第一寬頻帶放大器(7)和第一濾波器(8)，第一寬頻帶放大器(7)和第一濾波器(8)將正弦電壓信號(Ui)放大、濾波后分二路傳送給鑒幅器(9)和整形和鑒相器(12)；鑒幅器(9)用于將生物電阻抗的不同頻率的幅值信息轉(zhuǎn)換為電平大小，傳送給單片機(13)中的一路A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后將阻抗幅度傳送給所述數(shù)據(jù)處理部分；第二寬頻帶放大器(10)將輸入的正弦電壓信號(Ur)放大后傳送給第二濾波器(11)，濾波后也傳送給整形和鑒相器(12)；該第二寬頻帶放大器(10)及第二濾波器(11)與第一寬頻帶放大器(7)和第一濾波器(8)保持同步放大和濾波；整形和鑒相器(12)由整形器和鑒相器構(gòu)成，整形器用于將接收的信號整形成為方波，鑒相器用于相位檢測，被測組織的相位信息相對于不變的參考信號通過鑒相器得到相位信息的大小，該相位信息被送入單片機(13)中的另一路AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后將相位值傳送給所述數(shù)據(jù)處理部分；所述數(shù)據(jù)處理部分為PC機，它通過隔離串行接口(14)與單片機(13)相連，用于對采樣的阻抗幅度和相位值進行分析計算，得到電阻抗模型參數(shù)Ri、Re、Cm和α。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量裝置，其特征在于數(shù)據(jù)采集單片機(13)的型號選用AduC812單片機，直接數(shù)字頻率合成器(6)選用DDS AD7008。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的測量裝置，其特征在于放大器(7、10)采用并聯(lián)平衡對稱差動三運放低噪聲電路實現(xiàn)，包括二個集成運算放大器TL084和一個集成運算放大器OP-37。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的測量裝置，其特征在于濾波器(8、11)采用二階低通濾波器實現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的測量裝置，其特征在于整形和鑒相器的(12)中的整形電路采用高速比較器LM319實現(xiàn)，鑒相器采用集成鎖相環(huán)CD4046實現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量裝置，其特征在于整形和鑒相器的(12)中的整形電路采用高速比較器LM319實現(xiàn)，鑒相器采用集成鎖相環(huán)CD4046實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生物組織多頻率阻抗測量方法及其測量裝置。本發(fā)明首次將線性變換迭代擬合法應(yīng)用于生物組織阻抗模型參數(shù)的提取，可以僅用有限頻率完成阻抗譜的精確擬合。其裝置包括數(shù)據(jù)采集單片機、直接數(shù)字頻率合成器、壓控恒流源、電流電極、電壓測量及參考信號的放大和濾波電路，鑒幅器、整形和鑒相器、PC機，以及隔離串行接口。本發(fā)明具有收斂速度快、數(shù)值擬合精度高、迭代初值易確定、運算速度快等特點。如循環(huán)迭代次數(shù)僅5次，達到誤差小于10
文檔編號A61B5/053GK1543912SQ200310111410
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月18日
發(fā)明者楊玉星, 袁世英, 周黎明 申請人:華中科技大學(xué)