專利名稱：數(shù)字解調(diào)方式的混頻生物阻抗測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物信息檢測領(lǐng)域，具體涉及在混頻激勵模式下，采用數(shù)字解調(diào)方式測量生物電阻抗的方法。
背景技術(shù)：
生物電阻抗測量技術(shù)是利用生物組織與器官的電特性(阻抗、導(dǎo)納、介電常數(shù)等)及其變化，提取與人體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的一種無損傷檢測技術(shù)。早期，主要采用單頻率激勵模式，根據(jù)生物組織頻率阻抗特性，在β頻散段內(nèi)，細(xì)胞膜電容基本穩(wěn)定，隨著頻率的增加，膜電容的容抗減小，外加電流由低頻時繞過細(xì)胞膜流經(jīng)細(xì)胞外液到高頻時穿過細(xì)胞膜流經(jīng)細(xì)胞內(nèi)外液，為了獲取細(xì)胞內(nèi)信息，必須利用高頻電流流經(jīng)細(xì)胞內(nèi)外液的特性，因此單一激勵頻率下測得的生物組織電阻抗信息不能全面反映生物體狀況，目前多采用多頻率的激勵模式，即分別采用不同頻率的信號進(jìn)行激勵，并測量該頻率的生物阻抗，但是人體是動態(tài)的，該方法不能分析同一生命活動在不同激勵頻率下的信息，且不同測量頻點(diǎn)切換時，新頻率下生物電阻抗信息測量的建立時間較長，所以這種分時測量的方法所提供的數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映某時刻生物體的電阻抗信息。由于通過人體的激勵電流必須符合安全標(biāo)準(zhǔn)，往往采用小于1mA的交流電流，因此測量的信號非常微弱，主要通過相敏解調(diào)的方法進(jìn)行信號的測量，目前常用的解調(diào)方法有開關(guān)解調(diào)、數(shù)字解調(diào)和乘法解調(diào)。開關(guān)解調(diào)方法在運(yùn)放增益切換過程中，不可避免的要引入干擾，而且，參考信號不是理想的方波，當(dāng)激勵頻率提高時，其影響越來越大。乘法解調(diào)方法一般用乘法器和低通濾波器來實(shí)現(xiàn)模擬相敏解調(diào)。低通濾波器建立時間比較長，當(dāng)階數(shù)和截止頻率確定后，建立時間也隨之確定，速度不受控制，也很難提高。
數(shù)字解調(diào)相比諧波抑制能力強(qiáng)，無直流漂移，實(shí)行數(shù)字處理有好的靈活性等優(yōu)點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)需要隨時調(diào)整采樣速率，提高處理速度，測量精度高。常規(guī)的開關(guān)解調(diào)、乘法解調(diào)和數(shù)字解調(diào)主要針對單頻率信號的處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種數(shù)字解調(diào)方式的混頻生物阻抗測量方法，可同時測量同一時刻不同頻率下的生物阻抗。
本發(fā)明采用高低兩種頻率的混頻電流進(jìn)行激勵；針對信號傳輸過程中的相移問題，從矢量空間角度，提出了基于虛參考矢量的測量方法。為了提高系統(tǒng)的抗干擾特性，數(shù)據(jù)處理靈活性，采用混頻數(shù)字解調(diào)方案，實(shí)現(xiàn)了在對同一時刻對不同激勵頻率下生物電阻抗的同時測量。
生物組織在不同的電場頻率下體現(xiàn)不同的電特性，在α頻散段(10Hz-10kHz)，測量結(jié)果主要反應(yīng)細(xì)胞周圍的離子環(huán)境特性；在β頻散段(10kHz-10MHz)，細(xì)胞膜電容基本穩(wěn)定，隨著頻率的增加，膜電容的容抗減小，外加電流由低頻時繞過細(xì)胞膜流經(jīng)細(xì)胞外液到高頻時穿過細(xì)胞膜流經(jīng)細(xì)胞內(nèi)外液；在γ頻散段，測量結(jié)果主要與水分子相關(guān)。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，由于多數(shù)病理生理的變化都體現(xiàn)在α和β頻散段中，因此，這兩個頻段被受人們關(guān)注。本發(fā)明針對這兩個頻散段，采用兩種頻率達(dá)混頻激勵模態(tài)方式，應(yīng)用混頻數(shù)字解調(diào)方式，同時獲取不同頻率下的電阻抗信息的實(shí)部和虛部。
為了同時獲得高頻和低頻下生物復(fù)阻抗的值，將高、低不同頻率正弦信號混合后作為激勵信號，實(shí)現(xiàn)混頻激勵?；祛l激勵下阻抗信息提取利用虛參考矢量方法，結(jié)合混頻數(shù)字解調(diào)方法來完成。
本發(fā)明采用高、低兩種混頻數(shù)字解調(diào)方式，同時獲取不同頻率下電阻抗信息的實(shí)部和虛部，高、低兩個頻率成分對應(yīng)的測量信號的幅值分別為A1和A2，頻率分別為f1＝n1×f、f2＝n2×f(n1≠n2)，采樣頻率為fs＝N×f(N＞2max(n1，n2))，采樣周期為q，采樣時間為兩種激勵信號周期的整數(shù)倍，對應(yīng)的總采樣點(diǎn)數(shù)為M＝N×q，設(shè)輸入信號Vs(k)為Vs(k)=A1sin(2n1πNk+φ1)+A2sin(2n2πNk+φ2),k=0,1,···,M-1]]>針對f1、f2兩個不同頻率，分別構(gòu)造兩個同相和正交參考信號Vrs1(k)=sin(2n1πNk)]]>Vrc1(k)=cos(2n1πNk)]]>Vrs2(k)=sin(2n2πNk)]]>Vrc2(k)=cos(2n2πNk)]]>則Vs(k)和Vrs1(k)、Vrs2(k)的互相關(guān)Rxrs1、Rxrs2，Vs(k)和Vrc1(k)、Vrc2(k)的互相關(guān)Rxrc1、Rxrc2分別為
Rxrs1=1MΣk=0M-1Vs(k)·Vrs1(k)]]>=1MΣk=0M-1[A1sin(2n1πNk+φ1)+A2sin(2n2πNk+φ2)]·sin(2n1πNk)=A12cos(φ1)]]>同理Rxrc1=1MΣk=0M-1Vs(k)·Vrc1(k)=A12sin(φ1)]]>Rxrs2=1MΣk=0M-1Vs(k)·Vrs2(k)=A22cos(φ2)]]>Rxrc2=1MΣk=0M-1Vs(k)·Vrc2(k)=A22sin(φ2)]]>Rxrs1、Rxrs2和Rxrs1、Rxrs2分別表示同相輸出和正交輸出，可得兩種頻率下測量電壓以構(gòu)造信號為參考的幅值和相角A1=2Rxrs12+Rxrc12]]>φ1=tg-1(Rxrc1Rxrs1)]]>A2=2Rxrs22+Rxrc22]]>φ2=tg-1(Rxrc2Rxrs2)]]>對高、低兩個頻率的阻抗信息測量采用虛參考矢量測量結(jié)構(gòu)，以數(shù)字方式構(gòu)建兩個同相和正交虛參考信號作為所有測量的虛參考矢量，在圖1中，參考電阻r為選為純電阻，參考電阻上的壓降為Vr，Vr與激勵電流同相，被測阻抗上的壓降為Vx，矢量圖如圖2所示。為了便于直觀比較，建立了以激勵電流為基準(zhǔn)的實(shí)際坐標(biāo)系(圖2中虛線所示)。在以激勵電流為基準(zhǔn)的實(shí)際坐標(biāo)系中，Ar＝r×|I|，Ax＝|Zx|×|I|由于精密電阻r為已知，采用上述數(shù)字解調(diào)方法可測量電壓Vx和Vr的幅值和相位，即Ax和Ar已知，故Zx的幅值可得|Zx|=AxAr×r]]>Zx的相角對應(yīng)以激勵電流為基準(zhǔn)的實(shí)際坐標(biāo)系，由圖2可知，
∠Zx＝φx－φr在本發(fā)明中，信號源產(chǎn)生正弦電壓信號，通過電壓控制電流源(VCCS)轉(zhuǎn)換為電流，激勵電流通過導(dǎo)聯(lián)施加于人體組織。由于VCCS將電壓轉(zhuǎn)換為電流時會產(chǎn)生相移，而且對于不同頻率的電壓信號產(chǎn)生的相移也不同，直接采用“信號源”輸出作為虛參考信號，測量被測阻抗上的幅值和相位將引入系統(tǒng)誤差。
本發(fā)明提出虛參考矢量方法，針對每個頻率的阻抗信息測量采用圖1所示的測量結(jié)構(gòu)，以前面構(gòu)造的兩個同相和正交參考信號作為所有測量的虛參考矢量。利用這種虛參考矢量方法，實(shí)際系統(tǒng)中激勵電流信號I的相移以及激勵電流和參考信號之間的相位差可通過已知參考電阻r求得，因此，φx－φr消除了由此引入的相位誤差。
本發(fā)明的有益效果是通過采用兩種頻率的混頻激勵模態(tài)方式配合虛參考矢量方法，應(yīng)用數(shù)字解調(diào)方式，同時獲取兩種頻率下的電阻抗信息的實(shí)部和虛部，且消除了電流轉(zhuǎn)換和傳輸過程中相移造成的誤差，同時采用數(shù)字解調(diào)有效的消除了大量模擬器件不匹配以及噪聲所引入的干擾，從而為臨床應(yīng)用提供更加完備準(zhǔn)確的信息。


附圖1為虛參考矢量測量方法結(jié)構(gòu)圖。
附圖2為虛參考矢量方法矢量圖。
具體實(shí)施例方式
以下通過具體實(shí)施例并結(jié)合附圖1～2，對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
本實(shí)施例混頻激勵信號含有高、低兩個頻率成分，分別為f1和f2，其中，f1＝10kHz，f2＝100kHz采樣頻率fs＝1MHz，采樣10000個點(diǎn)，被測阻抗上的電壓信號Vs(k)為Vs(k)=A1sin(π50k+φ1)+A2sin(π20k+φ2),k=0,1,···,9999]]>其中，A1、A2以及φ1、φ2為待測量，針對f1、f2兩個不同頻率，分別構(gòu)造兩個同相和正交參考信號Vrs1(k)=sin(π50k)]]>Vrc1(k)=cos(π50k)]]>Vrs2(k)=sin(π20k)]]>
Vrc2(k)=cos(π20k)]]>則Vs(k)和Vrs1(k)的互相關(guān)Rxrs1為Rxrs1=110000Σk=09999Vs(k)·Vrs1(k)]]>=110000Σk=09999[A1sin(π50k+φ1)+A2sin(π20k+φ2)]·sin(π50k)=A12cos(φ1)]]>同理Rxrc1=110000Σk=09999Vs(k)·Vrc1(k)=A12sin(φ1)]]>Rxrs2=110000Σk=09999Vs(k)·Vrs2(k)=A12cos(φ2)]]>Rxrc2=110000Σk=09999Vs(k)·Vrc2(k)=A22sin(φ2)]]>Rxrs1、Rxrs2和Rxrc1、Rxrc2分別表示同相輸出和正交輸出，可得兩種頻率下測量電壓的以構(gòu)造信號為參考的幅值和相角A1=2Rxrs12+Rxrc12]]>φ1=tg-1(Rxrc1Rxrs1)]]>A2=2Rxrs22+Rxrc22]]>φ2=tg-1(Rxrc2Rxrs2)]]>由于精密電阻r為已知，以構(gòu)造信號為參考矢量，可采用上述方法測量其對應(yīng)激勵頻率f1和f2的幅值分別為Arl和Ar2，相角分別為φr1、φr2，對于激勵頻率f1可得被測阻抗的幅值為 相角為φ1-φr1，對于激勵頻率f2可得被測阻抗的幅值為 相角為φ2-φr2。
權(quán)利要求
1.數(shù)字解調(diào)方式的混頻生物阻抗測量方法，其特征是采用高、低兩種混頻數(shù)字解調(diào)方式，同時獲取不同頻率下電阻抗信息的實(shí)部和虛部，高、低兩個頻率成分對應(yīng)的測量信號的幅值分別為A1和A2，頻率分別為f1＝n1×f、f2＝n2×f(n1≠n2)，采樣頻率為fs＝N×f(N＞2max(n1，n2))，采樣周期為q，總采樣點(diǎn)數(shù)為M＝N×q，輸入信號Vs(k)為Vs(k)=A1sin(2n1πNk+φ1)+A2sin(2n2πNk+φ2)k=0,1,M-1]]>針對f1、f2兩個不同頻率，分別構(gòu)造兩個同相和正交參考信號Vrs1(k)=sin(2n1πNk)]]>Vrc1(k)=cos(2n1πNk)]]>Vrc2(k)=sin(2n2πNk)]]>Vrc2(k)=cos(2n2πNk)]]>Vs(k)和Vrs1(k)、Vrs2(k)的互相關(guān)Rxrs1、Rxrs2，Vs(k)和Vrc1(k)、Vrc2(k)的互相關(guān)Rxrc1、Rxrc2分別為Rxrs1=1MΣk=0M-1Vs(k)·Vrs1(k)]]>=1MΣk=0M-1[A1sin(2n1πNk+φ1)+A2sin(2n2πNk+φ2)]·sin(2n1πNk)]]>=A12cos(φ1)]]>Rxrc1=1MΣk=0M-1Vs(k)·Vrc1(k)=A12sin(φ1)]]>Rxrs2=1MΣk=0M-1Vs(k)·Vrs2(k)=A22cos(φ2)]]>Rxrc2=1MΣk=0M-1Vs(k)·Vrc2(k)=A22sin(φ2)]]>Rxrs1、Rxrs2和Rxrc1、Rxrc2分別表示同相輸出和正交輸出，兩種頻率下測量電壓的幅值和相角A1=2Rxrsl2+Rxrc12]]>φ1=tg-1(Rxrc1Rxrs1)]]>A2=2Rxrs22+Rxrc22]]>φ2=tg-1(Rxrc2Rxrs2)]]>對高、低兩個頻率的阻抗信息測量采用虛參考矢量測量結(jié)構(gòu)，以數(shù)字方式構(gòu)建兩個同相和正交虛參考信號作為所有測量的虛參考矢量，參考電阻r為選為純電阻，參考電阻上的壓降為Vr，Vr與激勵電流同相，被測阻抗上的壓降為Vx，在以激勵電流為基準(zhǔn)的實(shí)際坐標(biāo)系中，Ar＝r×|I|，Ax＝|Zx|×|I|Zx的幅值為|Zx|=AxAr×r]]>Zx的相角對應(yīng)以激勵電流為基準(zhǔn)的實(shí)際坐標(biāo)系，∠Zx＝φx-φr。
全文摘要
本發(fā)明涉及到混頻激勵模式下采用數(shù)字解調(diào)方式測量生物電阻抗的方法。采用高低兩種頻率的混頻電流進(jìn)行激勵，針對不同信號傳輸過程中的相移不同的問題，從矢量空間角度，提出了基于虛參考矢量的測量方法，并將該方法與數(shù)字解調(diào)方式相結(jié)合用于生物電阻抗測量。即對高、低兩個頻率的阻抗信息測量采用虛參考矢量測量結(jié)構(gòu)，通過數(shù)字方式構(gòu)造的兩個同相和正交參考信號作為所有測量的虛參考矢量，同時獲取兩種頻率下的電阻抗信息的實(shí)部和虛部，且消除了電流轉(zhuǎn)換和傳輸過程中相移造成的誤差，同時采用數(shù)字解調(diào)有效的消除了大量模擬器件不匹配以及噪聲所引入的干擾，從而為臨床應(yīng)用提供更加完備準(zhǔn)確的信息。
文檔編號A61B5/053GK1709202SQ200510014308
公開日2005年12月21日 申請日期2005年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月1日
發(fā)明者王超, 孫宏軍 申請人:天津大學(xué)