基于频域宽带信号的生物阻抗测量系统及其方法与流程

本发明属于生物阻抗测量技术领域，尤其是涉及一种基于频域宽带信号的生物阻抗测量系统及其方法。

背景技术：

生物阻抗测量是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关信息的检测技术，具有无创、无害、廉价、操作简单和功能信息丰富等特点。在进行生物阻抗测量时，根据待测生物组织的频率特性，需要发射不同频率的正弦单音信号，每发一个单音正弦信号，测量一次生物组织在该频率下的幅度和相位，需要经过多次重复测量，才能得到所需的幅相响应。当需要频率精度较高时，往往一次完整的频域测量需要几百上千次单音测量的合成，这会导致速度非常慢。例如：在1KHz～2MHz内选取100个频率，通过数字频率综合器发单音信号，每发送一次单音，测量一次该单音信号的幅度和相位。100个频点需要测量100次才能完成全频段的扫描。因此，该现有方法一般存在一些不足：1)速度非常慢：在实际场景中，测试者手握探头，并判断探头与生物组织的接触情况，接触良好后保持一段时间以待测量完毕；如果测量设备需要测试者保持的时间大于1秒，测试者的肢体抖动便会影响测试结果，而传统的方法数据采集时间加上信号处理时间，远大于1秒；2)频率分辨力低：频率分辨力越高，能体现生物组织的频率响应细节，在做算法的数据拟合时能更精确，而更高的频率分辨力需要更多的频点，系统速度将更低。

而另一种方法是采用数模转换器发送脉冲信号，由于脉冲信号经过离散傅立叶变换之后能反映整个频域的信息。但这种方法存在单个频点的信噪比很低，且其时域波形为脉冲，脉冲信号对电路的动态和响应时间要求很高，因此该方法现有技术一般用的较少。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种快速采样和分辨率高的基于频域宽带信号的生物阻抗测量系统及其方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于频域宽带信号的生物阻抗测量系统，该系统包括

CPU控制单元，用于控制该系统的生物组织测量；

FPGA处理单元，与所述CPU控制单元连接；

数模转换单元，与所述FPGA处理单元连接，用于将数字信号与模拟信号实现相互转换；

信号放大单元，与所述数模转换单元连接，用于将模拟信号放大；

生物阻抗测量电极阵列，与所述信号放大单元连接，用于激励和采集生物组织的生物阻抗信号。

优选的，所述FPGA处理单元包括信号合成模块、与所述信号合成模块连接的FIR整形滤波模块、FIR窄带滤波模块和与所述FIR窄带滤波模块连接的离散傅里叶变换模块。

优选的，所述数模转换模单元包括过采样数模转换模块、过采样模数转换模块Ⅰ和过采样模数转换模块Ⅱ，其中所述过采样数模转换模块与所述FIR整形滤波模块连接，所述过采样模数转换模块Ⅰ和所述过采样模数转换模块Ⅱ分别均与所述FIR窄带滤波模块连接。

进一步的，所述信号放大单元包括模拟前端驱动模块、模拟前端放大模块Ⅰ和模拟前端放大模块Ⅱ，其中所述模拟前端驱动模块与所述过采样数模转换模块连接，所述模拟前端放大模块Ⅰ与所述过采样模数转换模块Ⅰ连接，所述模拟前端放大模块Ⅱ与所述过采样模数转换模块Ⅱ连接。

更进一步的，所述生物阻抗测量电极阵列主要由四个生物阻抗测量电极呈圆周阵列分布构成，所述生物阻抗测量电极分别与所述模拟前端驱动模块、所述模拟前端放大模块Ⅰ和所述模拟前端放大模块Ⅱ连接。

为了实现上述目的，本发明所采用的另一技术方案如下：

一种使用上述技术方案中所述系统的基于频域宽带信号的生物阻抗测量方法，该方法包括：

步骤一：选取不同频率f(1)、f(2)、...f(n)的时域信号合成宽带信号x(t)，其中n＝1、2、3、……N，t表示离散时域信号的采样点数；

步骤二：将合成的宽带信号x(t)经整形滤波后不断循环发送至数模转换单元，持续对与生物组织接触的生物阻抗测量电极实施激励；

步骤三：通过生物阻抗测量电极同时采集待测生物组织的激励信号和采集信号；

步骤四：将激励信号和采集信号经过信号放大和模数转换后在FPGA内进行并行解调并处理，得到生物组织幅频特性值。

优选的，所述步骤四中所述并行解调的具体步骤为：

将模数转换后得到的激励数据和采集数据进行窄带滤波处理；

然后再经过离散傅里叶变换一次生成具有多个频率的幅度和相位信息。

优选的，所述宽带信号x(t)的频域范围为3KHz～2MHz。

优选的，所述步骤二中所述宽带信号x(t)对与生物组织接触的生物阻抗测量电极实施激励之前要经过信号放大处理。

优选的，t取点1～8192。

采用上述结构后，本发明和现有技术相比所具有的优点如下：本发明采用频域3KHz～2MHz内的频域宽带信号，通过离散傅立叶反变换得到时域信号，在FPGA处理单元中实现对宽带信号x(t)的FIR整形滤波，并高速过采样数模转换后开始对与生物组织接触的生物阻抗测量电极施加激励；又采用分别采集待测生物组织的输入输出信号的双通道，在FPGA内部同时做并行解调运算，使测试系统能一次生成几千个频点的幅度和相位信息，同时不仅将测量速度提高了几百倍，而且还提高了频率分辨率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明实施例所述生物阻抗测量系统的结构示意图；

图2是本发明另一实施例所述生物阻抗测量方法的流程图；

图3是图2中所述生物阻抗测量方法所采用频域在3KHz～2MHz内的频域宽带信号的曲线示意图。

附图标记：

10-CPU控制单元；20-FPGA处理单元，21-信号合成模块，22-FIR整形滤波模块，23-FIR窄带滤波模块，24-离散傅里叶变换模块；30-数模转换单元，31-过采样数模转换模块，32-过采样模数转换模块Ⅰ，33-过采样模数转换模块Ⅱ；40-信号放大单元，41-模拟前端驱动模块，42-模拟前端放大模块Ⅰ，43-模拟前端放大模块Ⅱ；50-生物阻抗测量电极阵列，51-生物阻抗测量电极。

具体实施方式

以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于频域宽带信号的生物阻抗测量系统，该系统包括

CPU控制单元10，用于控制该系统的生物组织测量；

FPGA处理单元20，与所述CPU控制单元10连接；

数模转换单元30，与所述FPGA处理单元20连接，用于将数字信号与模拟信号实现相互转换；

信号放大单元40，与所述数模转换单元30连接，用于将模拟信号放大；

生物阻抗测量电极阵列50，与所述信号放大单元40连接，用于激励和采集生物组织的生物阻抗信号。

其中，所述FPGA处理单元20包括信号合成模块21、与所述信号合成模块21连接的FIR整形滤波模块22、FIR窄带滤波模块23和与所述FIR窄带滤波模块23连接的离散傅里叶变换模块24。

所述数模转换模单元30包括过采样数模转换模块31、过采样模数转换模块 Ⅰ32和过采样模数转换模块Ⅱ33，其中所述过采样数模转换模块31与所述FIR整形滤波模块22连接，所述过采样模数转换模块Ⅰ32和所述过采样模数转换模块Ⅱ33分别均与所述FIR窄带滤波模块23连接。

所述信号放大单元40包括模拟前端驱动模块41、模拟前端放大模块Ⅰ42和模拟前端放大模块Ⅱ43，其中所述模拟前端驱动模块41与所述过采样数模转换模块31连接，所述模拟前端放大模块Ⅰ42与所述过采样模数转换模块Ⅰ32连接，所述模拟前端放大模块Ⅱ43与所述过采样模数转换模块Ⅱ33连接。

所述生物阻抗测量电极阵列50主要由四个生物阻抗测量电极51呈圆周阵列分布构成，所述生物阻抗测量电极51分别与所述模拟前端驱动模块41、所述模拟前端放大模块Ⅰ42和所述模拟前端放大模块Ⅱ43连接。

藉此，本发明实施例所述生物阻抗测量系统采用分别采集待测生物组织的输入输出信号的双采集通道，并将采集到的激励信号和采集信号在FPGA处理单元内部同时做并行解调运算，相比现有技术中每发一个单音正弦信号测量一次生物组织在该频率下幅度和相位并经过多次重复测量后才能得到所需频域的幅频响应相比，该系统采样速度提升一倍。

如图2和图3所示，本发明另一实施例提供了一种使用上述技术方案所述系统的基于频域宽带信号的生物阻抗测量方法，该方法包括：

步骤一：选取不同频率f(1)、f(2)、...f(n)的时域信号合成宽带信号x(t)，其中n＝1、2、3、……N；t表示离散时域信号的采样点数，本发明实施例中t取1～8192。本发明实施例通过时域合成滤波得到在3KHz～2MHz内的频域宽带信号，如图3所示。因此，图3所示的宽带信号表示通过整形滤波器滤波后的频域信号，包含了所需频段的所有频点。激励整形滤波的数字滤波器不一样，其频带外抑制的波形也不一样。

步骤二：将合成的宽带信号x(t)经整形滤波后不断循环发送至数模转换单元，以便持续对与生物组织接触的生物阻抗测量电极实施激励测量，当使用者停止阻抗检测后，停止发送宽带信号。

步骤三：通过生物阻抗测量电极同时采集待测生物组织的激励信号和采集信号。所述宽带信号x(t)对与生物组织接触的生物阻抗测量电极实施激励之前要经过信号放大处理，以提高系统的信噪比，结果更准确。

步骤四：将激励信号和采集信号经过信号放大和模数转换后在FPGA内进行并行解调并处理，得到生物组织幅频特性值。其中，所述并行解调的具体步骤为：将模数转换后得到的激励数据和采集数据进行窄带滤波处理；然后再经过离散傅里叶变换一次生成具有多个频率的幅度和相位信息。

在本发明实施例中，采用高速数模转换和模数转换，并在数字域做FIR滤波以实现提升采样信噪比。而本发明实施例采用频域3KHz～2MHz内的频域宽带信号，通过离散傅立叶反变换得到时域信号，在FPGA处理单元中实现对宽带信号x(t)的FIR整形滤波，并经过高速过采样数模转换为模拟信号后开始对与生物组织接触的生物阻抗测量电极施加激励；同时在信号采集接收通道采用高速过采样模数转换以提高系统信噪比，用在FPGA处理单元内做离散傅立叶变换后得到频率分辨率高的生物组织幅频特性。

另外，本发明是一次测量覆盖所有频率，FPGA接收端通过离散傅立叶变换一次生成几千个频点的幅度和相位信息。本发明技术方案使得频率分辨力和速度只与FPGA的规模有关系，最大能达到一次测量4096个频率的能力，频率分辨力(频率分辨力可以小于500Hz)远大于传统方法，采样速率提升数百倍。

上述内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。