一種多頻點(diǎn)生物電阻抗快速獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多頻點(diǎn)生物電阻抗快速獲取方法，基于DDS（DirectDigitalSynthesizer，縮寫為DDS）原理利用FPGA（Field－ProgrammableGateArray，縮寫為FPGA）編程實(shí)現(xiàn)一個多頻點(diǎn)復(fù)合激勵源Vin，復(fù)合激勵源Vin同時加載到參考電阻Rref和待測生物體電阻抗Zx上，通過合理的選取采樣頻率fs和數(shù)字傅里葉變換DFT的點(diǎn)數(shù)N，只需對Vref、Vx在所需要的幾個頻點(diǎn)上進(jìn)行DFT（DiscreteFourierTransform，縮寫為DFT），即可準(zhǔn)確獲得Vref、Vx在這些頻點(diǎn)上對應(yīng)的幅值A(chǔ)mpref、Ampx與相角Degref、Degx，進(jìn)而獲得待測生物體電阻抗Zx在這些頻點(diǎn)上的幅值。本發(fā)明具有阻抗獲取精度高、運(yùn)算量小、抗干擾能力強(qiáng)及掃描時間快等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種多頻點(diǎn)生物電阻抗快速獲取方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物特征信號提取方法領(lǐng)域，具體是一種多頻點(diǎn)生物電阻抗快速獲取 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 生物電阻抗技術(shù)：利用生物組織及器官的電學(xué)特征來提取生物生理信息的無創(chuàng)檢 測技術(shù)。它是利用置于體表的電極向生物體輸入微弱的檢測電流，然后測量適當(dāng)部位的電 壓變化，從而得到相關(guān)組織或器官的電阻抗變換情況，以獲取生理及病理信息。這種技術(shù)由 于無創(chuàng)傷、安全、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，主要包括：電抗血流圖，人體阻 抗成像、人體成分測量等方面。
[0003] 生物電阻抗測量技術(shù)經(jīng)歷了從直流到交流、從純電阻到復(fù)阻抗、從單頻點(diǎn)到多頻 點(diǎn)的測量技術(shù)演變，但是，當(dāng)前主流的多頻生物電阻抗測量方法仍然屬于分時單頻測量法， 即從低頻到高頻逐次掃描生物體的阻抗，耗時長，并且由于生物體生理狀態(tài)受心跳、血流影 響時刻發(fā)生變化，分時單頻測量法不能準(zhǔn)確反應(yīng)生物體在某一時刻的生物阻抗頻譜信息。
[0004] 2014年4月9日公開的第CN103705236號中國專利申請，其公開了一種生物電阻 抗譜同步快速測量方法，該方法利用FPGA實(shí)現(xiàn)了基于Walsh函數(shù)的多頻同步激勵信號源及 對應(yīng)的生物電阻抗獲取方法，但是由于Walsh函數(shù)信號相對于傳統(tǒng)的正弦信號存在一些缺 點(diǎn)，其自相關(guān)性不理想，頻譜的旁瓣值較大，這樣一方面會產(chǎn)生假同步，另一方面由該方法 獲得激勵源的頻率準(zhǔn)確度有限，所以阻抗提取時必須增加 DFT的點(diǎn)數(shù)，同時增加修正算法 來解決DFT柵欄效應(yīng)帶來的誤差，這將大大增加系統(tǒng)的運(yùn)算量和復(fù)雜度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種多頻點(diǎn)生物電阻抗快速獲取方法，以實(shí)現(xiàn)同時對生物體 進(jìn)行多頻點(diǎn)復(fù)阻抗測量，并保證阻抗獲取精度的同時減小運(yùn)算量。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0007] -種多頻點(diǎn)生物電阻抗快速獲取方法，其特征在于：在一個FPGA上構(gòu)建多路直接 頻率合成器DDS，將多路直接頻率合成器DDS輸出的單頻信號經(jīng)加法器電路合成為多頻點(diǎn) 復(fù)合激勵源V in，采用自動平衡電橋?qū)⒍囝l點(diǎn)復(fù)合激勵源Vin同時加載至參考電阻RMf和待 測生物體電阻抗Z x上，再采用雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將參考電阻RMf上的電壓VMf、待測生 物體電阻抗Z x上的電壓Vx轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；
[0008] 選擇參考電阻RMf上的電壓VMf和待測生物體電阻抗Z x上的電壓Vx的采樣頻率 fs，并選擇進(jìn)行數(shù)字傅里葉變換DFT的點(diǎn)數(shù)N，采樣頻率fs、進(jìn)行數(shù)字傅里葉變換DFT的點(diǎn)數(shù) N須滿足公式fs/N = VM，公式中Μ為自然數(shù)，&為復(fù)合激勵源Vin的基波頻率，以使參考 電阻RMf上的電壓V Mf、待測生物體電阻抗Zx上的電壓Vx中a%、b^、頻率分量，a、 b、c為自然數(shù)，恰好落在數(shù)字傅里葉變換DFT變換后的M*a+l、M*b+l、M*c+l點(diǎn)處，計(jì)算所選 擇的數(shù)字傅里葉變換DFT的點(diǎn)數(shù)N的數(shù)字傅里葉變換DFT分量，即可得到選擇參考電阻R Mf 上的電壓VMf、待測生物體電阻抗Zx上的電壓Vx中頻率分量的幅值與相位， 進(jìn)而獲得待測生物體電阻抗Zx在a*^、b*^、c*^頻率處的幅值與相位。
[0009] 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多頻點(diǎn)生物電阻抗快速獲取方法，其特征在于：每路 直接頻率合成器DDS分別由相位累加器、波形存儲器查找表、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及低通濾波器構(gòu) 成，其中相位累加器和波形存儲器查找表是在FPGA中編程實(shí)現(xiàn)的，數(shù)模轉(zhuǎn)換器及低通濾波 器是以外圍電路形式接入FPGA實(shí)現(xiàn)的，相位累加器以頻率控制字K做累加，產(chǎn)生所需的頻 率控制數(shù)據(jù)，把得到的頻率控制數(shù)據(jù)作為地址對正弦查詢表進(jìn)行尋址，正弦查詢表實(shí)質(zhì)是 一個相位/幅度轉(zhuǎn)換電路，正弦查詢表中存儲二進(jìn)制碼表示所需合成信號幅度值，尋址后 輸出一個相對應(yīng)的幅度值，將該幅度信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成模擬信號，經(jīng)濾波器輸出。 [0010] 本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)為：
[0011] 本發(fā)明充分挖掘生物電阻抗測量與DFT的特性，通過合理的選取采樣頻率fs與 DFT分析的點(diǎn)數(shù)N，使得DFT后所需分析的頻點(diǎn)在頻域?qū)⒄寐湓贒FT離散點(diǎn)上。解決了 DFT中柵欄效應(yīng)對分析準(zhǔn)確度的影響；只要求解所需的幾個頻點(diǎn)DFT分量，而不需要計(jì)算所 有的DFT分量，同時也省去了為減小DFT效應(yīng)影響而加入的修正算法，大大減小運(yùn)算量。
[0012] 本發(fā)明使用DFT計(jì)算待測生物體電阻抗Zx的幅值與相位，由于各個頻點(diǎn)信號分 析是相互獨(dú)立的，即便其它頻點(diǎn)上存在干擾信號，對結(jié)果也沒有影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能 量。另外對于激勵源多個頻點(diǎn)信號分量間幅值、相位的一致性也沒有要求，即多路DDS輸出 的單頻信號幅度、相位可以不一致，降低了多頻點(diǎn)復(fù)合激勵源的設(shè)計(jì)難度。
[0013] 本發(fā)明由于采用DFT分析方法計(jì)算生物體阻抗Zx，激勵源中各個頻率分量在頻域 是相互獨(dú)立的，所以可利用多頻點(diǎn)復(fù)合激勵源加載分析，一次獲取多個頻點(diǎn)上的阻抗，縮短 了分時掃頻所需要的時間，實(shí)現(xiàn)了真正的同時多頻生物電阻抗分析。
[0014] 本發(fā)明基于FPGA實(shí)現(xiàn)多路DDS信號，將多路DDS輸出的單頻信號合成一個多頻點(diǎn) 復(fù)合激勵源，結(jié)合DDS原理和FPGA的優(yōu)勢與一體的同時多頻點(diǎn)激勵源實(shí)現(xiàn)方法，充分的發(fā) 揮了 DDS技術(shù)頻率轉(zhuǎn)換快、頻率精度高和FPGA邏輯資源豐富、速度快等特點(diǎn)。該激勵源具 有頻點(diǎn)可配置、頻率精度高、硬件結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，高精度的頻率將為后面算法的優(yōu)化提供 條件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明生物電阻抗獲取方法的原理示意圖。
[0016] 圖2是本發(fā)明生物電阻抗獲取方法的流程圖。
[0017] 圖3是本發(fā)明中FPGA實(shí)現(xiàn)DDS的原理圖。
[0018] 圖4是本發(fā)明中提到的DFT柵欄效應(yīng)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 如圖1、圖2所示，一種多頻點(diǎn)生物電阻抗快速獲取方法，在一個FPGA上構(gòu)建多路 直接頻率合成器DDS，將多路直接頻率合成器DDS輸出的單頻信號經(jīng)加法器電路合成為多 頻點(diǎn)復(fù)合激勵源Vin，采用自動平衡電橋?qū)⒍囝l點(diǎn)復(fù)合激勵源V in同時加載至參考電阻RMf和 待測生物體電阻抗Zx上，再采用雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將參考電阻R Mf上的電壓VMf、待測 生物體電阻抗Zx上的電壓Vx轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；
[0020] 選擇參考電阻RMf上的電壓VMf和待測生物體電阻抗Z x上的電壓Vx的采樣頻率 fs，并選擇進(jìn)行數(shù)字傅里葉變換DFT的點(diǎn)數(shù)N，采樣頻率fs、進(jìn)行數(shù)字傅里葉變換DFT的點(diǎn)數(shù) N須滿足公式fs/N = VM，公式中Μ為自然數(shù)，&為復(fù)合激勵源Vin的基波頻率，以使參考 電阻RMf上的電壓V Mf、待測生物體電阻抗Zx上的電壓Vx中a%、b^、頻率分量（a、 b、c為自然數(shù)），恰好落在數(shù)字傅里葉變換DFT變換后的M*a+1、M*b+1、M*c+1點(diǎn)處，計(jì)算所 選擇的數(shù)字傅里葉變換DFT的點(diǎn)數(shù)N的數(shù)字傅里葉變換DFT分量，即可得到選擇參考電阻 RMf上的電壓、待測生物體電阻抗Zx上的電壓Vx中a*^、b*^、頻率分量的幅值與 相位，進(jìn)而獲得待測生物體電阻抗Z x在a*^、b*^、c*^頻率處的幅值與相位。
[0021] 每路直接頻率合成器DDS分別由相位累加器、波形存儲器查找表、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及 低通濾波器構(gòu)成，其中相位累加器和波形存儲器查找表是在FPGA中編程實(shí)現(xiàn)的，數(shù)模轉(zhuǎn)換 器及低通濾波器是以外圍電路形式接入FPGA實(shí)現(xiàn)的。相位累加器以頻率控制字K做累加， 產(chǎn)生所需的頻率控制數(shù)據(jù)，把得到的頻率控制數(shù)據(jù)作為地址對正弦查詢表進(jìn)行尋址，正弦 查詢表實(shí)質(zhì)是一個相位/幅度轉(zhuǎn)換電路，正弦查詢表中存儲二進(jìn)制碼表示所需合成信號幅 度值，尋址后輸出一個相對應(yīng)的幅度值，將該幅度信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成模擬信號，經(jīng)濾 波器輸出。
[0022] DDS信號源的產(chǎn)生：如圖3,利用FPGA芯片設(shè)法將波形采樣點(diǎn)的值依次通過數(shù)模轉(zhuǎn) 換器（MDAC)轉(zhuǎn)換成模擬量輸出，可達(dá)到預(yù)期的目的。其基本環(huán)節(jié)由計(jì)數(shù)器（Counter)、只 讀存儲器（EPROM)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（MDAC)和濾波器等組成（同DDS原理）。如圖3累加器由 加法器和D觸發(fā)器級聯(lián)組成。在時鐘脈沖f。的控制下，對輸入頻率控制字K進(jìn)行累加，累 加滿量時產(chǎn)生溢出。相位累加器的輸出對應(yīng)于該合成周期信號的相位，并且這個相位是周 期性的，在0?2 π范圍內(nèi)起變化。相位累加器位數(shù)為N，最大輸出為2N-1，對應(yīng)于2 π的 相位，累加一次就輸出一個相應(yīng)的相位碼，通過查表得到正弦信號的幅度，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換 及低通濾波器濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。
[0023] 多頻復(fù)合激勵源的合成：多路DDS信號由FPGA輸出后，先經(jīng)過低通濾波器濾除其 諧波信號，送加法器電路合并后，再由電壓跟隨器輸出。Cole生物電阻抗模型認(rèn)為一段生物 體的阻抗可以等效成三元RC網(wǎng)絡(luò)，其阻抗隨頻率的變化軌跡在復(fù)平面上為一段圓弧，常用 的生物電阻抗分析是通過幾個間隔較大的頻點(diǎn)擬合出該軌跡。選取的幾個頻點(diǎn)一般是某一 基波&的幾個諧波。自動平衡電橋：自動平衡電橋通過測量生物體阻抗Z x 兩端的電壓Vx和流過Zx上的電路來計(jì)算阻抗等參數(shù)，依靠一個反饋環(huán)路，使得運(yùn)放的輸入 G處電壓虛地并使電流流過參考電阻RMf，因此可通過測量參考電阻RMf上的電壓VMf得到 Zxi通過的電流。
[0024] 由雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集待測阻抗Zx與參考電阻RMf上同一時刻的電壓波形 VMf、Vx，根據(jù)那奎斯特采樣定律，采樣頻率fs要大于兩倍有用信號頻率，并且為了保證采樣 信號的信噪比，需要使用12位以上的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。
[0025] 采樣頻率fs與DFT分析的點(diǎn)數(shù)N選?。?br> [0026] 由于DFT存在柵欄效應(yīng)，如圖4,即頻譜是離散的，頻率落在離散頻點(diǎn)之間信號的 其幅度和相位值不能由DFT直接得到，需要根據(jù)其附近頻點(diǎn)的值推算得到。提高DFT的點(diǎn) 數(shù)N，可以提高分辨率，及提高離散頻譜的密度，進(jìn)而減小柵欄效應(yīng)。但是對于功率譜非常集 中的單頻點(diǎn)復(fù)合激勵信號，這種推算，即便是運(yùn)用一些復(fù)雜的修正算法，其誤差也是非常大 的。本發(fā)明是通過合理的選擇采樣頻率fs與DFT分析的點(diǎn)數(shù)N，讓有用信號的頻點(diǎn)都正好 落在離散頻點(diǎn)之上，從而達(dá)到提高分析準(zhǔn)確度和減少運(yùn)算時間的目的。
[0027] 根據(jù)公式（1)選取傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)N，讓DFT在頻域的分辨率等于4/M，由于多 頻激勵信號源是由DDS產(chǎn)生的正弦信號疊加而成，具有很高的頻率精度，所以可保證DFT變 換之后&的所有諧波信號均正好落在離散頻點(diǎn)之上。當(dāng)然需要保證那奎斯特采樣定律及N 為整數(shù)兩個條件能夠滿足。對于絕大多數(shù)的多頻生物電阻抗分析，上面兩個條件都是可以 滿足的。
[0028] 在滿足上面的條件下，我們就可以在關(guān)心的幾個頻點(diǎn)運(yùn)用DFT,得 到這些頻點(diǎn)上VMf、V x的模值與相位：
[0029]

【權(quán)利要求】
1. 一種多頻點(diǎn)生物電阻抗快速獲取方法，其特征在于：在一個FPGA上構(gòu)建多路直接頻 率合成器DDS，將多路直接頻率合成器DDS輸出的單頻信號經(jīng)加法器電路合成為多頻點(diǎn)復(fù) 合激勵源V in，采用自動平衡電橋?qū)⒍囝l點(diǎn)復(fù)合激勵源Vin同時加載至參考電阻RMf和待測 生物體電阻抗Z x上，再采用雙路同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將參考電阻RMf上的電壓VMf、待測生物 體電阻抗Z x上的電壓Vx轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號； 選擇參考電阻RMf上的電壓和待測生物體電阻抗Zx上的電壓Vx的采樣頻率f s，并 選擇進(jìn)行數(shù)字傅里葉變換DFT的點(diǎn)數(shù)N，采樣頻率fs、進(jìn)行數(shù)字傅里葉變換DFT的點(diǎn)數(shù)N須 滿足公式fytfyM，公式中Μ為自然數(shù)，&為復(fù)合激勵源V in的基波頻率，以使參考電阻RMf 上的電壓VMf、待測生物體電阻抗Zxi的電壓Vx*a* fpb* fpc* &頻率分量，a、b、c為 自然數(shù)，恰好落在數(shù)字傅里葉變換DFT變換后的M*a+1、M*b+l、M*c+l點(diǎn)處，計(jì)算所選擇的數(shù) 字傅里葉變換DFT的點(diǎn)數(shù)N的數(shù)字傅里葉變換DFT分量，即可得到選擇參考電阻R Mf上的 電壓VMf、待測生物體電阻抗Zx上的電壓Vx中a* fpb* &、c* &頻率分量的幅值與相位， 進(jìn)而獲得待測生物體電阻抗Zx在a* &、b* &、c* &頻率處的幅值與相位。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多頻點(diǎn)生物電阻抗快速獲取方法，其特征在于：每路直 接頻率合成器DDS分別由相位累加器、波形存儲器查找表、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及低通濾波器構(gòu)成， 其中相位累加器和波形存儲器查找表是在FPGA中編程實(shí)現(xiàn)的，數(shù)模轉(zhuǎn)換器及低通濾波器 是以外圍電路形式接入FPGA實(shí)現(xiàn)的，相位累加器以頻率控制字K做累加，產(chǎn)生所需的頻率 控制數(shù)據(jù)，把得到的頻率控制數(shù)據(jù)作為地址對正弦查詢表進(jìn)行尋址，正弦查詢表實(shí)質(zhì)是一 個相位/幅度轉(zhuǎn)換電路，正弦查詢表中存儲二進(jìn)制碼表示所需合成信號幅度值，尋址后輸 出一個相對應(yīng)的幅度值，將該幅度信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成模擬信號，經(jīng)濾波器輸出。
【文檔編號】A61B5/053GK104146709SQ201410368135
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】王遠(yuǎn), 徐玉兵, 余洪龍, 劉冰, 馬彪彪, 曹慶慶, 張永亮, 周旭, 孫怡寧, 楊先軍, 馬祖長 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院