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模擬解調(diào)方式的混頻生物阻抗測(cè)量方法

文檔序號(hào):1094769閱讀:396來源:國(guó)知局
專利名稱:模擬解調(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,具體涉及到在混頻激勵(lì)模式下,采用模擬解調(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)繞過細(xì)胞膜流經(jīng)細(xì)胞外液到高頻時(shí)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(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,而且不同測(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)方法有丌關(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(hào)不是理想的方波,當(dāng)激勵(lì)頻率提高,其影響越來越大;數(shù)字解調(diào)方法對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)和處理器的計(jì)算能力的要求很高,處理也相對(duì)復(fù)雜,將其應(yīng)用于生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)中的可行性研究正在進(jìn)行當(dāng)中;而乘法解調(diào)方法實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單,不易引入干擾,且不受頻率影響。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(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采用模擬解調(diào)方式的混頻生物阻抗測(cè)量的方法,可測(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(cè)量方法。為了提高系統(tǒng)的抗干擾特性,并考慮易于實(shí)現(xiàn),采用多路模擬乘法解調(diào)和多功能信號(hào)發(fā)生單元方案,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(shí)繞過細(xì)胞膜流經(jīng)細(xì)胞外液到高頻時(shí)穿過細(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,采用兩種頻率的混頻激勵(lì)模態(tài)方式,應(yīng)用模擬解調(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。
本發(fā)明以模擬乘法解調(diào)為基礎(chǔ),如圖1所示,對(duì)于未知阻抗對(duì)象采用正弦電流I激勵(lì),角頻率為ω,在Zx上的電壓為Vx,通過測(cè)量Vx的幅值和相位,即可獲得Zx的復(fù)阻抗值。對(duì)Vx的測(cè)量采用乘法解調(diào)方式,令參考電壓源Vr1與激勵(lì)電流同頻,其Vr1的幅值已知為B,Vx的幅值為A,相移為φ,兩信號(hào)通過乘法器相乘后,選擇截止頻率遠(yuǎn)小于2ω的低通濾波器,則可得到以電壓源Vr1為參考的,與Vx幅值和相位相關(guān)的直流分量VoutlVout1=AB2cosφ]]>采用與Vr1正交,同幅值,同頻的電壓源Vr2作為參考信號(hào),并與Vx進(jìn)行乘法解調(diào),可得以電壓源Vr2為參考的,與Vx幅值和相位相關(guān)的直流分量Vout2Vout2=AB2sinφ]]>上面兩式中,B已知,A和φ未知,兩式聯(lián)立可得對(duì)應(yīng)頻率下被測(cè)阻抗上電壓信號(hào)的相角和幅值φ=arctgVout2Vout1]]>A=2BVout12+Vout22]]>在本發(fā)明中,信號(hào)源產(chǎn)生正弦電壓信號(hào),通過電壓控制電流源(VCCS)轉(zhuǎn)換為電流,激勵(lì)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(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,采用高低兩種頻率的混頻電流進(jìn)行激勵(lì),對(duì)每個(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)(如圖2所示),信號(hào)源產(chǎn)生混頻激勵(lì)電壓信號(hào),由電壓控制電流源轉(zhuǎn)換為電流信號(hào),激勵(lì)電流流經(jīng)被測(cè)阻抗和參考電阻,測(cè)量信號(hào)經(jīng)差分放大后采用模擬乘法器進(jìn)行解調(diào),以信號(hào)源的輸出信號(hào)作為所有測(cè)量的虛參考矢量,Vr1為參考信號(hào)1輸出信號(hào),Vr2為參考信號(hào)2輸出信號(hào),二者正交。
分別采用模擬乘法解調(diào)方法測(cè)量被測(cè)阻抗和參考電阻上的電壓信號(hào)VH和VL的幅值和相位,其中,ΦH、AH為被測(cè)阻抗上的電壓信號(hào)VH的相位和幅值,ΦL、Ar為參考電阻上的電壓信號(hào)VL的相位和幅值,ΦH=arctgVHout2VHout1]]>AH=2BVHout12+VHout22]]>ΦL=arctgVLout2VLout1]]>AL=2BVLout12+VLout22]]>在圖2中,參考電阻r選為純電阻,電阻r上的壓降為VL,VL與激勵(lì)電流同相,其矢量圖如圖3所示,在以激勵(lì)電流為基準(zhǔn)的實(shí)際坐標(biāo)系中,AL=r×|I|,AH=|Zx|×|I|由于精密電阻r為已知,且AH和AL已經(jīng)由模擬乘法解調(diào)獲得,故Zx的幅值可得|Zx|=AHAL×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3可知,∠Zx=φH-φL該方法采用高低兩種頻率的混頻激勵(lì)模態(tài)方式,兩種頻率下生物電阻抗的測(cè)量采用同樣的測(cè)量結(jié)構(gòu),可依照上述方法同時(shí)獲取,均以信號(hào)源的輸出信號(hào)作為所有測(cè)量的虛參考矢量。
由于DDS到被測(cè)阻抗之間的相移φe同時(shí)存在于φH和φL中,而φe的參考點(diǎn)與φH和φL相同,因此,φH和φL間相差消除了φe的影響,僅為電流流經(jīng)被測(cè)阻抗的相移。
本發(fā)明的有益效果是通過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)用模擬解調(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)換和傳輸過程中相移造成的誤差,從而為臨床應(yīng)用提供更加完備的信息。


附圖1為模擬乘法解調(diào)框圖;附圖2為虛參考矢量測(cè)量方法結(jié)構(gòu)圖;附圖3為虛參考矢量方法矢量圖。
具體實(shí)施例方式
本實(shí)施例混頻電流激勵(lì)信號(hào)的角頻率分別為ω1和ω2。
對(duì)于ω1頻率,Vr1為參考信號(hào)1輸出信號(hào),Vr2為參考信號(hào)2輸出信號(hào),二者正交,構(gòu)成虛參考矢量,兩參考信號(hào)幅值為1,可表示為Vr1=sinω1t,Vr2=cosω1t分別采用模擬乘法解調(diào)方法,電壓VH和VL分別為被測(cè)阻抗和參考電阻上的電壓信號(hào),依照?qǐng)D2的測(cè)量方法,分別測(cè)量電壓VH和VL的以Vr1和Vr2為參考的實(shí)部和虛部,測(cè)得VHout2為1.73伏,VHout1為1伏,VLout2為0.5伏,VLout1為0.87伏,依照下面的公式可得VH和VL的幅值和相位,其中,ΦH、AH為被測(cè)阻抗上的電壓信號(hào)VH的相位和幅值,ΦL、AL為參考電阻上的電壓信號(hào)VL的相位和幅值,ΦH=arctgVHout2VHout1=π3]]>AH=2BVHout12+VHout22=2112+1.7322=4]]>ΦL=arctgVLout2VLout1=π6]]>AL=2BVLout12+VLout22=210.8662+0.52=2]]>精密電阻r為已知,設(shè)為300歐姆,故被測(cè)阻抗Zx的幅值可得 被測(cè)阻抗Zx對(duì)應(yīng)以激勵(lì)電流為基準(zhǔn)的實(shí)際坐標(biāo)系的相角,可由圖3獲得,∠Zx=φH-φL=π3-π6=π6]]>這樣就獲得了被測(cè)阻抗在激勵(lì)角頻率為ω1的測(cè)量值,被測(cè)阻抗在激勵(lì)角頻率為ω2的測(cè)量值也可依照上述方法同時(shí)獲得。
權(quán)利要求
1.模擬解調(diào)方式的混頻生物阻抗測(cè)量方法,其特征是對(duì)于未知阻抗對(duì)象Zx采用角頻率為ω的正弦電流I激勵(lì),通過測(cè)量Zx上電壓Vx的幅值和相位,獲得Zx的復(fù)阻抗值,對(duì)Vx的測(cè)量采用乘法解調(diào)方式,令參考電壓源Vr1與激勵(lì)電流同頻,Vr1的幅值已知為B,Vx的幅值為A,相移為φ,兩信號(hào)通過乘法器相乘后,選擇截止頻率遠(yuǎn)小于2ω的低通濾波器,得到以電壓源Vr1為參考的,與Vx幅值和相位相關(guān)的直流分量Vout1Vout1=AB2cosφ]]>采用與Vr1正交,同幅值,同頻的電壓源Vr2作為參考信號(hào),與Vx進(jìn)行乘法解調(diào),得到以電壓源Vr2為參考的,與Vx幅值和相位相關(guān)的直流分量Vout2Vout2=AB2sinφ]]>上面兩式中,B已知,A和φ未知,兩式聯(lián)立可得對(duì)應(yīng)頻率下被測(cè)阻抗Zx上電壓Vx的幅值和相角,相角為φ=arctgVout2Vout1]]>Vx的幅值為A=2BVout12+Vout22]]>采用高低兩種頻率的混頻激勵(lì)模態(tài)方式,兩種頻率下生物電阻抗的測(cè)量采用同樣的測(cè)量結(jié)構(gòu),可依照上述方法同時(shí)獲取,均以信號(hào)源的輸出信號(hào)作為所有測(cè)量的虛參考矢量,Vr1為參考信號(hào)1輸出信號(hào),Vr2為參考信號(hào)2輸出信號(hào),二者正交,分別采用模擬乘法解調(diào)方法測(cè)量被測(cè)阻抗和參考電阻上的電壓信號(hào)VH和VL的幅值和相位,其中,ΦH、AH為被測(cè)阻抗上的電壓信號(hào)VH的相位和幅值,ΦL、AL為參考電阻上的電壓信號(hào)VL的相位和幅值,ΦH=arctgVHout2VHout1]]>AH=2BVHout12+VHout22]]>ΦL=arctgVLout2VLout1]]>AL=2BVLout12+VLout22]]>參考電阻r選為純電阻,電阻r上的壓降為VL,VL與激勵(lì)電流同相,在以激勵(lì)電流為基準(zhǔn)的實(shí)際坐標(biāo)系中,AL=r×|I|,AH=|Zx|×|I|Zx的幅值為|Zx|=AHAL×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=φH-φL。
全文摘要
模擬解調(diào)方式的混頻生物阻抗測(cè)量方法。采用高低兩種頻率的混頻電流進(jìn)行激勵(lì),針對(duì)兩種頻率,通過測(cè)量Z
文檔編號(hào)A61B5/053GK1709203SQ200510014309
公開日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, 王化祥 申請(qǐng)人:天津大學(xué)
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