專(zhuān)利名稱：數(shù)字解調(diào)方式的混頻生物阻抗測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物信息檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及在混頻激勵(lì)模式下，采用數(shù)字解調(diào)方式測(cè)量生物電阻抗的方法。
背景技術(shù)：
生物電阻抗測(cè)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(wú)損傷檢測(cè)技術(shù)。早期，主要采用單頻率激勵(lì)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(shí)繞過(guò)細(xì)胞膜流經(jīng)細(xì)胞外液到高頻時(shí)穿過(guò)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(lì)頻率下測(cè)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(lì)模式，即分別采用不同頻率的信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)，并測(cè)量該頻率的生物阻抗，但是人體是動(dòng)態(tài)的，該方法不能分析同一生命活動(dòng)在不同激勵(lì)頻率下的信息，且不同測(cè)量頻點(diǎn)切換時(shí)，新頻率下生物電阻抗信息測(cè)量的建立時(shí)間較長(zhǎng)，所以這種分時(shí)測(cè)量的方法所提供的數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映某時(shí)刻生物體的電阻抗信息。由于通過(guò)人體的激勵(lì)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(cè)量的信號(hào)非常微弱，主要通過(guò)相敏解調(diào)的方法進(jìn)行信號(hào)的測(cè)量，目前常用的解調(diào)方法有開(kāi)關(guān)解調(diào)、數(shù)字解調(diào)和乘法解調(diào)。開(kāi)關(guān)解調(diào)方法在運(yùn)放增益切換過(guò)程中，不可避免的要引入干擾，而且，參考信號(hào)不是理想的方波，當(dāng)激勵(lì)頻率提高時(shí)，其影響越來(lái)越大。乘法解調(diào)方法一般用乘法器和低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬相敏解調(diào)。低通濾波器建立時(shí)間比較長(zhǎng)，當(dāng)階數(shù)和截止頻率確定后，建立時(shí)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(wú)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(shí)調(diào)整采樣速率，提高處理速度，測(cè)量精度高。常規(guī)的開(kāi)關(guān)解調(diào)、乘法解調(diào)和數(shù)字解調(diào)主要針對(duì)單頻率信號(hào)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(cè)量方法，可同時(shí)測(cè)量同一時(shí)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(lì)；針對(duì)信號(hào)傳輸過(guò)程中的相移問(wèn)題，從矢量空間角度，提出了基于虛參考矢量的測(cè)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(duì)同一時(shí)刻對(duì)不同激勵(lì)頻率下生物電阻抗的同時(shí)測(cè)量。
生物組織在不同的電場(chǎng)頻率下體現(xiàn)不同的電特性，在α頻散段(10Hz-10kHz)，測(cè)量結(jié)果主要反應(yīng)細(xì)胞周?chē)碾x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(shí)繞過(guò)細(xì)胞膜流經(jīng)細(xì)胞外液到高頻時(shí)穿過(guò)細(xì)胞膜流經(jīng)細(xì)胞內(nèi)外液；在γ頻散段，測(cè)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(gè)頻段被受人們關(guān)注。本發(fā)明針對(duì)這兩個(gè)頻散段，采用兩種頻率達(dá)混頻激勵(lì)模態(tài)方式，應(yīng)用混頻數(shù)字解調(diào)方式，同時(shí)獲取不同頻率下的電阻抗信息的實(shí)部和虛部。
為了同時(shí)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(hào)混合后作為激勵(lì)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)混頻激勵(lì)?；祛l激勵(lì)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(lái)完成。
本發(fā)明采用高、低兩種混頻數(shù)字解調(diào)方式，同時(shí)獲取不同頻率下電阻抗信息的實(shí)部和虛部，高、低兩個(gè)頻率成分對(duì)應(yīng)的測(cè)量信號(hào)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(shí)間為兩種激勵(lì)信號(hào)周期的整數(shù)倍，對(duì)應(yīng)的總采樣點(diǎn)數(shù)為M＝N×q，設(shè)輸入信號(hào)Vs(k)為Vs(k)=A1sin(2n1πNk+φ1)+A2sin(2n2πNk+φ2),k=0,1,···,M-1]]>針對(duì)f1、f2兩個(gè)不同頻率，分別構(gòu)造兩個(gè)同相和正交參考信號(hào)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(cè)量電壓以構(gòu)造信號(hào)為參考的幅值和相角A1=2Rxrs12+Rxrc12]]>φ1=tg-1(Rxrc1Rxrs1)]]>A2=2Rxrs22+Rxrc22]]>φ2=tg-1(Rxrc2Rxrs2)]]>對(duì)高、低兩個(gè)頻率的阻抗信息測(cè)量采用虛參考矢量測(cè)量結(jié)構(gòu)，以數(shù)字方式構(gòu)建兩個(gè)同相和正交虛參考信號(hào)作為所有測(cè)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(lì)電流同相，被測(cè)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(lì)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(lì)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(cè)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(duì)應(yīng)以激勵(lì)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(hào)源產(chǎn)生正弦電壓信號(hào)，通過(guò)電壓控制電流源(VCCS)轉(zhuǎn)換為電流，激勵(lì)電流通過(guò)導(dǎo)聯(lián)施加于人體組織。由于VCCS將電壓轉(zhuǎn)換為電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生相移，而且對(duì)于不同頻率的電壓信號(hào)產(chǎn)生的相移也不同，直接采用“信號(hào)源”輸出作為虛參考信號(hào)，測(cè)量被測(cè)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(duì)每個(gè)頻率的阻抗信息測(cè)量采用圖1所示的測(cè)量結(jié)構(gòu)，以前面構(gòu)造的兩個(gè)同相和正交參考信號(hào)作為所有測(cè)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(lì)電流信號(hào)I的相移以及激勵(lì)電流和參考信號(hào)之間的相位差可通過(guò)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(guò)采用兩種頻率的混頻激勵(lì)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(shí)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(guò)程中相移造成的誤差，同時(shí)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(cè)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(guò)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖1～2，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
本實(shí)施例混頻激勵(lì)信號(hào)含有高、低兩個(gè)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(gè)點(diǎn)，被測(cè)阻抗上的電壓信號(hào)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(cè)量，針對(duì)f1、f2兩個(gè)不同頻率，分別構(gòu)造兩個(gè)同相和正交參考信號(hào)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(cè)量電壓的以構(gòu)造信號(hào)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(hào)為參考矢量，可采用上述方法測(cè)量其對(duì)應(yīng)激勵(lì)頻率f1和f2的幅值分別為Arl和Ar2，相角分別為φr1、φr2，對(duì)于激勵(lì)頻率f1可得被測(cè)阻抗的幅值為 相角為φ1-φr1，對(duì)于激勵(lì)頻率f2可得被測(cè)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(cè)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(shí)獲取不同頻率下電阻抗信息的實(shí)部和虛部，高、低兩個(gè)頻率成分對(duì)應(yīng)的測(cè)量信號(hào)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(hào)Vs(k)為Vs(k)=A1sin(2n1πNk+φ1)+A2sin(2n2πNk+φ2)k=0,1,M-1]]>針對(duì)f1、f2兩個(gè)不同頻率，分別構(gòu)造兩個(gè)同相和正交參考信號(hào)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(cè)量電壓的幅值和相角A1=2Rxrsl2+Rxrc12]]>φ1=tg-1(Rxrc1Rxrs1)]]>A2=2Rxrs22+Rxrc22]]>φ2=tg-1(Rxrc2Rxrs2)]]>對(duì)高、低兩個(gè)頻率的阻抗信息測(cè)量采用虛參考矢量測(cè)量結(jié)構(gòu)，以數(shù)字方式構(gòu)建兩個(gè)同相和正交虛參考信號(hào)作為所有測(cè)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(lì)電流同相，被測(cè)阻抗上的壓降為Vx，在以激勵(lì)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(duì)應(yīng)以激勵(lì)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(lì)模式下采用數(shù)字解調(diào)方式測(cè)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(lì)，針對(duì)不同信號(hào)傳輸過(guò)程中的相移不同的問(wèn)題，從矢量空間角度，提出了基于虛參考矢量的測(cè)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(cè)量。即對(duì)高、低兩個(gè)頻率的阻抗信息測(cè)量采用虛參考矢量測(cè)量結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)字方式構(gòu)造的兩個(gè)同相和正交參考信號(hào)作為所有測(cè)量的虛參考矢量，同時(shí)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(guò)程中相移造成的誤差，同時(shí)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(hào)A61B5/053GK1709202SQ200510014308
公開(kāi)日2005年12月21日 申請(qǐng)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(qǐng)人:天津大學(xué)