模擬解調方式的混頻生物阻抗測量方法技術

模擬解調方式的混頻生物阻抗測量方法。采用高低兩種頻率的混頻電流進行激勵，針對兩種頻率，通過測量Ｚ↓［ｘ］和參考電阻ｒ上電壓Ｖ↓［Ｈ］和Ｖ↓［Ｌ］的幅值和相位，結合虛參考矢量方法，獲得不同頻率下Ｚ↓［ｘ］的復阻抗值。對Ｖ↓［Ｈ］和Ｖ↓［Ｌ］的測量采用乘法解調方式，針對每種頻率，令該頻率的參考電壓源Ｖ↓［ｒ１］和Ｖ↓［ｒ２］正交，Ｖ↓［Ｈ］和Ｖ↓［Ｌ］分別與兩參考信號Ｖ↓［ｒ１］和Ｖ↓［ｒ２］通過模擬乘法解調后，可得到與Ｖ↓［Ｈ］和Ｖ↓［Ｌ］的幅值和相位相關的直流分量。對每個頻率的阻抗信息測量采用虛參考矢量測量結構，即可獲取兩種頻率下被測阻抗信息的實部和虛部，消除了電流轉換和傳輸過程中相移造成的誤差。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于生物信息檢測領域，具體涉及到在混頻激勵模式下，采用模擬解調方式測量生物電阻抗的方法。
技術介紹
生物電阻抗測量技術是利用生物組織與器官的電特性(阻抗、導納、介電常數等)及其變化，提取與人體生理、病理狀況相關的生物醫學信息的一種無損傷檢測技術。早期，主要采用單頻率激勵模式，根據生物組織頻率阻抗特性，在β頻散段內，細胞膜電容基本穩定，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胞膜流經細胞外液到高頻時穿過細胞膜流經細胞內外液。為了獲取細胞內信息，必須利用高頻電流流經細胞內外液的特性，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行激勵，并測量該頻率的生物阻抗，但是人體是動態的，該方法不能分析同一生命活動在不同激勵頻率下的信息，而且不同測量頻點切換時，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據不能準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準，往往采用小于1mA的交流電流，因此測量的信號非常微弱，主要通過相敏解調的方法進行信號的測量。目前常用的解調方法有丌關解調、數字解調和乘法解調。開關解調方法在運放增益切換過程中，不可避免的要引入干擾，而且參考信號不是理想的方波，當激勵頻率提高，其影響越來越大；數字解調方法對模數轉換(A/D)和處理器的計算能力的要求很高，處理也相對復雜，將其應用于生物電阻抗測量系統中的可行性研究正在進行當中；而乘法解調方法實現相對簡單，不易引入干擾，且不受頻率影響。常規的開關解調、乘法解調和數字解調主要針對單頻率信號的處理。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種采用模擬解調方式的混頻生物阻抗測量的方法，可測量同一時刻不同頻率下的生物阻抗。本專利技術采用高低兩種頻率的混頻電流進行激勵；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。為了提高系統的抗干擾特性，并考慮易于實現，采用多路模擬乘法解調和多功能信號發生單元方案，實現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不同的電特性，在α頻散段(10Hz-10kHz)，測量結果主要反應細胞周圍的離子環境特性；在β頻散段(10kHz-10MHz)，細胞膜電容基本穩定，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胞膜流經細胞外液到高頻時穿過細胞膜流經細胞內外液；在γ頻散段，測量結果主要與水分子相關。在醫學應用中，由于多數病理生理的變化都體現在α和β頻散段中，因此，這兩個頻段被受人們關注。本專利技術針對這兩個頻散段，采用兩種頻率的混頻激勵模態方式，應用模擬解調方式，同時獲取不同頻率下的電阻抗信息的實部和虛部。本專利技術以模擬乘法解調為基礎，如圖1所示，對于未知阻抗對象采用正弦電流I激勵，角頻率為ω，在Zx上的電壓為Vx，通過測量Vx的幅值和相位，即可獲得Zx的復阻抗值。對Vx的測量采用乘法解調方式，令參考電壓源Vr1與激勵電流同頻，其Vr1的幅值已知為B，Vx的幅值為A，相移為φ，兩信號通過乘法器相乘后，選擇截止頻率遠小于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，并與Vx進行乘法解調，可得以電壓源Vr2為參考的，與Vx幅值和相位相關的直流分量Vout2Vout2=AB2sinφ]]>上面兩式中，B已知，A和φ未知，兩式聯立可得對應頻率下被測阻抗上電壓信號的相角和幅值φ=arctgVout2Vout1]]>A=2BVout12+Vout22]]>在本專利技術中，信號源產生正弦電壓信號，通過電壓控制電流源(VCCS)轉換為電流，激勵電流通過導聯施加于人體組織。由于VCCS將電壓轉換為電流時會產生相移，而且對于不同頻率的電壓信號產生的相移也不同，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誤差。本專利技術提出虛參考矢量方法，采用高低兩種頻率的混頻電流進行激勵，對每個頻率的阻抗信息測量采用虛參考矢量測量結構(如圖2所示)，信號源產生混頻激勵電壓信號，由電壓控制電流源轉換為電流信號，激勵電流流經被測阻抗和參考電阻，測量信號經差分放大后采用模擬乘法器進行解調，以信號源的輸出信號作為所有測量的虛參考矢量，Vr1為參考信號1輸出信號，Vr2為參考信號2輸出信號，二者正交。分別采用模擬乘法解調方法測量被測阻抗和參考電阻上的電壓信號VH和VL的幅值和相位，其中，ΦH、AH為被測阻抗上的電壓信號VH的相位和幅值，ΦL、Ar為參考電阻上的電壓信號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與激勵電流同相，其矢量圖如圖3所示，在以激勵電流為基準的實際坐標系中，AL＝r×|I|，AH＝|Zx|×|I|由于精密電阻r為已知，且AH和AL已經由模擬乘法解調獲得，故Zx的幅值可得|Zx|=AHAL×r]]>Zx的相角對應以激勵電流為基準的實際坐標系，由圖3可知，∠Zx＝φH-φL該方法采用高低兩種頻率的混頻激勵模態方式，兩種頻率下生物電阻抗的測量采用同樣的測量結構，可依照上述方法同時獲取，均以信號源的輸出信號作為所有測量的虛參考矢量。由于DDS到被測阻抗之間的相移φe同時存在于φH和φL中，而φe的參考點與φH和φL相同，因此，φH和φL間相差消除了φe的影響，僅為電流流經被測阻抗的相移。本專利技術的有益效果是通過采用兩種頻率的混頻激勵模態方式配合虛參考矢量方法，應用模擬解調方式，同時獲取兩種頻率下的電阻抗信息的實部和虛部，且消除了電流轉換和傳輸過程中相移造成的誤差，從而為臨床應用提供更加完備的信息。附圖說明附圖1為模擬乘法解調框圖；附圖2為虛參考矢量測量方法結構圖；附圖3為虛參考矢量方法矢量圖。具體實施例方式本實施例混頻電流激勵信號的角頻率分別為ω1和ω2。對于ω1頻率，Vr1為參考信號1輸出信號，Vr2為參考信號2輸出信號，二者正交，構成虛參考矢量，兩參考信號幅值為1，可表示為Vr1＝sinω1t，Vr2＝cosω1t分別采用模擬乘法解調方法，電壓VH和VL分別為被測阻抗和參考電阻上的電壓信號，依照圖2的測量方法，分別測量電壓VH和VL的以Vr1和Vr2為參考的實部和虛部，測得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為被測阻抗上的電壓信號VH的相位和幅值，ΦL、AL為參考電阻上的電壓信號VL的相位和幅值，ΦH=arctgVHout2VHout1=π3]]>AH=2BVHout12+V本文檔來自技高網...

【技術保護點】
模擬解調方式的混頻生物阻抗測量方法，其特征是：對于未知阻抗對象Ｚ↓［ｘ］采用角頻率為ω的正弦電流Ⅰ激勵，通過測量Ｚ↓［ｘ］上電壓Ｖ↓［ｘ］的幅值和相位，獲得Ｚ↓［ｘ］的復阻抗值，對Ｖ↓［ｘ］的測量采用乘法解調方式，令參考電壓源Ｖ↓［ｒ１］與激勵電流同頻，Ｖ↓［ｒ１］的幅值已知為Ｂ，Ｖ↓［ｘ］的幅值為Ａ，相移為φ，兩信號通過乘法器相乘后，選擇截止頻率遠小于２ω的低通濾波器，得到以電壓源Ｖ↓［ｒ１］為參考的，與Ｖ↓［ｘ］幅值和相位相關的直流分量Ｖ↓［ｏｕｔ１］：Ｖ↓［ｏｕ ｔ１］＝ＡＢ／２ｃｏｓφ采用與Ｖ↓［ｒ１］正交，同幅值，同頻的電壓源Ｖ↓［ｒ２］作為參考信號，與Ｖ↓［ｘ］進行乘法解調，得到以電壓源Ｖ↓［ｒ２］為參考的，與Ｖ↓［ｘ］幅值和相位相關的直流分量Ｖ↓［ｏｕｔ２］：Ｖ↓［ｏｕｔ２］ ＝ＡＢ／２ｓｉｎφ上面兩式中，Ｂ已知，Ａ和φ未知，兩式聯立可得對應頻率下被測阻抗Ｚ↓［ｘ］上電壓Ｖ↓［ｘ］的幅值和相角，相角為：　φ＝ａｒｃｔｇＶ↓［ｏｕｔ２］／Ｖ↓［ｏｕｔ１］Ｖ↓［ｘ］的幅值為：Ａ＝２／Ｂ ＊采用高低兩種頻率的混頻激勵模態方式，兩種頻率下生物電阻抗的測量采用同樣的測量結構，可依照上述方法同時獲取，均以信號源的輸出信號作為所有測量的虛參考矢量，Ｖ↓［ｒ１］為參考信號１輸出信號，Ｖ↓［ｒ２］為參考信號２輸出信號，二 者正交，分別采用模擬乘法解調方法測量被測阻抗和參考電阻上的電壓信號Ｖ↓［Ｈ］和Ｖ↓［Ｌ］的幅值和相位，其中，Φ↓［Ｈ］、Ａ↓［Ｈ］為被測阻抗上的電壓信號Ｖ↓［Ｈ］的相位和幅值，Φ↓［Ｌ］、Ａ↓［Ｌ］為參考電阻上的電壓信號Ｖ↓［Ｌ］的 相位和幅值，Φ↓［Ｈ］＝ａｒｃｔｇＶ↓［Ｈｏｕｔ２］／Ｖ↓［Ｈｏｕｔ１］Ａ↓［Ｈ］＝２／Ｂ＊Φ↓［Ｌ］＝ａｒｃｔｇＶ↓［Ｌｏｕｔ２］／Ｖ↓［Ｌｏｕｔ１］Ａ↓［Ｌ］＝２／Ｂ＊參考電阻ｒ選為純電阻，電阻ｒ 上的壓降為Ｖ↓［Ｌ］，Ｖ↓［Ｌ］與激勵電流同相，在以激勵電流為基準的實際坐標系中，Ａ↓［Ｌ］＝ｒ×｜Ｉ｜，Ａ↓［Ｈ］＝｜Ｚ↓［ｘ］｜×｜Ｉ｜Ｚ↓［ｘ］的幅值為：｜Ｚ↓［ｘ］｜＝Ａ↓［Ｈ］／Ａ↓［Ｌ］×ｒＺ↓［ ｘ］的相角對應以激勵電流為基準的實際坐標系，∠Ｚ↓［ｘ］＝φ↓［Ｈ］－φ↓［Ｌ］。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王超，王化祥，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：12[中國|天津]