阅读说明：本技术 生物电阻抗检测方法 (Bioelectrical impedance detection method ) 是由 陈小惠 谢文譞 王凯莉 于 2019-09-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种生物电阻抗检测方法,主要包括以下步骤：产生一路恒流信号作为激励信号,并施加到待测生物电阻的两端；获取待测生物电阻两端的电压信号,并进行处理；对处理后的信号利用正交解调算法计算,输出两路直流信号；对两路直流信号进行滤波处理；利用反三角函数计算获取待测生物电阻的阻抗信息。本发明利用正交解调算法进行人体阻抗的计算,相较于传统的人体阻抗采集计算方法,不再局限于欧姆定理的阻抗计算,可根据计算出的阻抗值的模值与相位值变化检测人体电阻值,同时获取人体容抗信息,有利于人体复阻抗信息的研究；同时本发明获取的阻抗信号也更加稳定,能够有效提高人体体脂率的检测精度。(The invention provides a bioelectrical impedance detection method, which mainly comprises the following steps: generating a constant current signal as an excitation signal, and applying the constant current signal to two ends of the biological resistor to be detected; acquiring voltage signals at two ends of a biological resistor to be detected and processing the voltage signals; calculating the processed signals by using an orthogonal demodulation algorithm, and outputting two paths of direct current signals; filtering the two paths of direct current signals; and calculating and acquiring impedance information of the biological resistor to be detected by using the inverse trigonometric function. The method utilizes the orthogonal demodulation algorithm to calculate the human body impedance, is not limited to impedance calculation of an ohm theorem any more compared with the traditional human body impedance acquisition and calculation method, can detect the human body resistance value according to the change of the module value and the phase value of the calculated impedance value, and simultaneously obtains the human body capacitive reactance information, thereby being beneficial to the research of the human body complex impedance information; meanwhile, the impedance signal acquired by the invention is more stable, and the detection precision of the body fat percentage of the human body can be effectively improved.)

生物电阻抗检测方法

技术领域

本发明涉及一种生物电阻抗检测方法，属于医学信号处理领域。

背景技术

生物电阻抗是反应人体生理状态的重要参数之一，是很多生理参数检测设备进行检测的重要指标。目前，严重影响人体健康的因素包括肌肉萎缩以及过度肥胖，严重的是，肥胖症患者的占比这些年正在以一个十分可观的速度日益增加，并渐渐成为世界各国接下来即将面临的严峻的社会健康问题，当然我国也不例外。

传统的根据体重与身高的比值作为判断个体肥胖的标准，具有相当大的缺陷和局限性，同时精度更高的水下称重法和双能X射线吸收法因操作复杂以及成本高昂，也不适合用于大众化的体脂测量方法。而通过生物电阻抗拟合出人体体脂率的方法具有高精度、低成本、操作简单等诸多优点。目前对生物电阻抗检测方法的研究还停留在比较粗浅的层面，目前的测量方法大多只能检测人体的阻值，然而人体系统构成复杂，可以看作电阻与电容的串并联系统，并电容值包含大量的病理信息。因此对人体生物电阻抗值的实时、连续的进行检测，并及时的做出调整治疗，对于预防肥胖症及其并发症具有重大深远的意义。而目前已提出的可用于复阻抗测量的生物电阻抗测量方法的操作步骤较为繁琐，阻抗的模值与相位需要分开计算，设计的电路成本也较为昂贵。

有鉴于此，确有必要提出一种生物电阻抗检测方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物电阻抗检测方法，通过正交解调算法将电压的相位与模值的变化分离出来，用以获取人体电阻抗的阻值与容抗，较好的弥补目前对复阻抗检测方法的不足。

为实现上述目的，本发明提供了一种生物电阻抗检测方法，主要包括以下步骤：

步骤1、产生一路恒流信号作为激励信号，将该激励信号施加到待测生物电阻的两端；

步骤2、获取待测生物电阻两端的电压信号，并将该电压信号经过简单滤波后进行信号放大处理；

步骤3、产生两路矩形波电压信号，将步骤2中经过简单滤波和信号放大处理后的电压信号，分别与两路矩形波电压信号利用正交解调算法进行计算，以得到两路直流信号；

步骤4、将步骤3中的两路直流信号通过A/D模数转换成两个数字信号，并对得到的两个数字信号进行滤波处理；

步骤5、对步骤4中经过滤波处理后的两个数字信号联立，并利用反三角函数，计算得到待测生物电阻的阻抗信息。

可选的，步骤1中所述恒流信号为正弦模拟信号，信号频率为45-55Hz。

可选的，步骤3中所述正交解调算法为：将两路矩形波电压信号输入乘法器后，通过低通滤波电路滤除交流信号，再利用三角函数计算得到两路直流信号。

可选的，所述低通滤波电路串联在乘法器的输出端，用于滤除乘法器输出的高于截止频率的交流分量。

可选的，所述三角函数的公式为：

可选的，所述两路矩形波电压信号的频率相同、相位差为

可选的，步骤4中对两个数字信号利用卡尔曼滤波器进行滤波处理。

可选的，所述卡尔曼滤波器通过设定预测噪声方差和测量噪声方差参数的卡尔曼模型进行滤波处理。

可选的，步骤5中所述反三角函数的公式为：

可选的，所述待测生物电阻的阻抗信息包括阻抗值和相位变化值。

本发明的有益效果是：本发明利用正交解调算法进行人体阻抗的计算，相较于传统的人体阻抗采集计算方法，不再局限于欧姆定理的阻抗计算，可根据计算出的阻抗值的模值与相位值变化来检测人体电阻值，同时也能获取人体容抗信息，有利于人体复阻抗信息的研究；同时，本发明获取的阻抗信号也更加稳定，能够有效提高人体体脂率的检测精度。

附图说明

图1是本发明生物电阻抗检测方法的流程图。

图2是本发明正交解调算法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种生物电阻抗检测方法，用于对人体生物电阻抗值进行实时、连续的检测，以作为后续调整、治疗的判断基础。

如图1所示，生物电阻抗检测方法，主要包括以下步骤：

步骤1、产生一路恒流信号i(t)作为检测系统的激励信号，将该激励信号施加到待测生物电阻的两端；

步骤2、获取待测生物电阻两端的电压信号V(t)，并将该电压信号V(t)经过简单滤波后进行信号放大处理；

步骤3、产生两路矩形波电压信号LO_v和LO_Q，将步骤2中经过简单滤波和信号放大处理后的电压信号V(t)，分别与两路矩形波电压信号LO_v和LO_Q利用正交解调算法进行计算，以得到两路直流信号V_DC和Q_DC；

步骤4、将步骤3中的两路直流信号V_DC和Q_DC通过A/D模数转换成两个数字信号V_DC'和Q_DC'，然后对得到的两个数字信号V_DC'和Q_DC'进行滤波处理，以去除抖动、噪声、工频等干扰；

步骤5、对步骤4中经过滤波处理后的两个数字信号V_DC'和Q_DC'联立，并利用反三角函数，计算得到待测生物电阻的阻抗信息。

以下将对步骤1-步骤5进行详细说明。

步骤1具体为：产生一路恒流信号i(t)作为检测系统的激励信号，其中恒流信号i(t)为正弦信号，信号频率为45-55hz，通过使用串联外部电容隔离直流电流，滤波器的输出驱动一个电阻器来设置恒流信号i(t)的电流幅度：i(t)＝Asin(ω₀t)。

步骤2中，所述电压信号V(t)的公式为：V(t)＝A|Z|sin(ω₀t+θ)，用于后续的阻抗计算。

步骤3中，正交解调算法具体为：

a、预先产生两路矩形电压信号LO_V与LO_Q，其中LO_V信号与恒流信号i(t)具有相同的相位和频率，LO_Q信号与恒流信号i(t)具有相同的频率，相位延迟

b、将电压信号V(t)与LO_V信号输入乘法器并输出电压信号V_V(t)；

具体为：将LO_V信号分解为傅里叶级数公式：

乘法器输出的电压信号为：

通过三角函数公式：

将电压信号V_V(t)的每个分量分解为两个余弦曲线之和：

得到电压信号V_V(t)：

同样地，对LO_Q信号进行分解计算，乘法器输出的电压信号为：

通过三角函数公式：

将电压信号V_Q(t)的每个分量分解为两个正弦曲线之和：

得到电压信号V_Q(t)：

c、在乘法器的输出端串联一个截止频率低于ω₀的低通滤波电路，将乘法器输出的高于截止频率的交流分量滤除，仅留下直流分量，得到正交解调器的输出直流信号V_DC与Q_DC：

步骤4具体为：将步骤3中的直流信号V_DC和Q_DC，通过A/D模数转换成两个数字信号V_DC'和Q_DC'，将得到的两个数字信号V_DC'和Q_DC'导入预先设定好参数预测噪声方差(q)与测量噪声方差(r)的卡尔曼模型中进行滤波。

卡尔曼滤波器可以从数据序列中排除干扰噪声，使用卡尔曼滤波器可以从不完整的信息中给出一个不断变化的复杂系统的最优估计。

卡尔曼滤波器按照先验估计给出新的时间点的估计值，X(n)的先验估计是由上一个时间点的后验估计值和输入信息给出的：

X(n|n-1)＝AX(n-1|n-1)+BU(n)，

其中，卡尔曼滤波器的参数包括：

预测系统协方差：P(n|n-1)＝AP(n-1|n-1)A′+Q，

修正卡尔曼增益：Kg(n)＝P(n|n-1)H/′(HP(n|n-1)H′+R)，

修正系统状态：X(n|n)＝X(n|n-1)+Kg(n)(Z(n)-HX(n|n-1))，

修正系统协方差:P(n|n)＝(I-Kg(n)H)P(n|n-1)。

步骤5中，通过反三角函数对直流信号V_DC，Q_DC进行计算，以获得待测生物电阻的阻抗信息。其中，所述反三角函数的公式为：

阻抗信息Z与θ可以通过求解一下方程得到：

其中，Z为阻抗值，θ为相位变化值。从导电性来看，细胞内液和细胞外液都属于电解质，而其中的细胞膜我们可以将其等效为一个电容。所以人体不能看作一个纯电阻，而是一个电容与电阻的并联电路。在经过电容与电阻的并联电路之后，产生的电压电流经过电阻之后，阻抗值和相位就会发生变化。

综上所述，本发明利用正交解调算法进行人体阻抗的计算，相较于传统的人体阻抗采集计算方法，不再局限于欧姆定理的阻抗计算，可根据计算出的阻抗值的模值与相位值变化来检测人体电阻值，同时也能获取人体容抗信息，有利于人体复阻抗信息的研究；同时本发明获取的阻抗信号也更加稳定，能够有效提高人体体脂率的检测精度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。