人体组织成分参数快速估算方法以及检测系统
阅读说明：本技术 人体组织成分参数快速估算方法以及检测系统 (Method for rapidly estimating human tissue composition parameters and detection system ) 是由 徐梅钧 焦长平 刘芳 于 2020-11-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种人体组织成分参数快速估算方法以及检测系统,分别在5KHz以及100KHz下测得大致的人体细胞内外体液阻抗,进一步以此值为基础,基于无迹滤波算法对其进行多频率下的快速精确修正,最终实现人体成分参数值的快速精确估算,进一步为人体脂率、健康指数、潜在疾病分析等给出指导性建议。通过上述方式,本发明人体组织成分参数快速估算方法以及检测系统,能够通过检测的电位差信号进行基于小波模极大值思想的滤噪预处理,降低检测信号波动带来的干扰问题,最终实现了人体组织成分参数快速、简单的高精度鲁棒估算。(The invention discloses a method for quickly estimating human tissue composition parameters and a detection system, which are used for respectively measuring approximate human body cell internal and external body fluid impedance under the conditions of 5KHz and 100KHz, further based on the values, carrying out quick and accurate correction under multiple frequencies on the human body tissue composition parameters based on an unscented filter algorithm, finally realizing the quick and accurate estimation of the human body composition parameters, and further providing guiding suggestions for human body fat rate, health indexes, potential disease analysis and the like. By the mode, the method and the system for rapidly estimating the human tissue composition parameters can perform noise filtering pretreatment based on the idea of wavelet modulus maximum through the detected potential difference signals, reduce the interference problem caused by the fluctuation of the detected signals, and finally realize rapid, simple and high-precision robust estimation of the human tissue composition parameters.)
技术领域
本发明涉及生物体组织成分参数检测领域，特别是涉及一种人体组织成分参数快速估算方法以及检测系统。
背景技术
健康问题已经成为人们关注的问题之一，快节奏的生活，超负荷的工作，导致人类的体质逐渐变差，具体表现在新陈代谢异常、高血压、高血脂、失眠、脱发等、甚至存在潜在疾病困扰。因此能够在日常生活中通过简单的家用健康检测设备实现人体健康日常监测、潜在疾病预警成为大众热点研究问题。
在临床医学中，疾病的产生往往伴随着人体内体液的平衡、新陈代谢的失调以及体内组织参数的变化等，早期发现其微妙的变化，对于各种疾病潜伏期的预警至关重要。人体为有机体，因此液体占有相当大的比重，细胞内液和细胞外液的多少决定人体组织成分参数值，如蛋白质、脂肪含量等。另外人体中液体含量还可以知道疾病的治疗，如血压透析、癌症分析等。而目前对于人体内液体含量的测量方法大致分为同位素稀释法、中子活化分析法、红外线法、超声波法以及生物阻抗法等。其中同位素稀释法被视为金标准，但其难以在家用环境下实现。而生物阻抗法因其方法简捷、安全、快速、无创等优点，是目前在家用人体健康检测领域研究最多、应用最为广泛的人体组织成分参数分析方法之一。
目前国外对于生物阻抗测量技术的研究集中在系统建模、参数提取与系统开发层面，如建立了人体总液量与人体总阻抗之间的关系模型，验证了利用生物阻抗技术分析人体组织成分的合理性与可行性；分析不同频段电流下，人体细胞膜的电特性等；并成功建立了多套人体组织等效电路模型。
国内学者在此方面的研究更偏向于应用，例如，寻找人体组织成分与脑神经、脑肿瘤、血液疾病以及新陈代谢类疾病的潜在关系与内在联系；通过研究人体组织等效电路模型参数的异动，实现疾病的预测、治疗与监测等。但目前人体组织成分参数检测问题的研究还存在以下问题：目前大多数家用的基于生物阻抗测量的人体组织成分参数分析为单频激励下测量，提取人体参数信息相对单一，因此仅能实现简单的人体体征分析；即使是多频激励下实现生物阻抗测量的系统设备，大多利用简单的线性参数估算方法来实现人体组织等效电路这类非线性强的复函数参数辨识，收敛速度慢，耗时较长，精度较低，且容易受到人体姿态、皮肤潮湿、干燥等问题造成的信号扰动影响，鲁棒性较差，使得用户体验不理想，如若以这类低质量的人体组织成分参数值进行健康预测与潜在疾病分析，将会带来更大的误差。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种人体组织成分参数快速估算方法以及检测系统，能够通过检测多频电流下的电位差信号，并对其进行基于小波模极大值思想的滤噪预处理，降低检测的电位差信号的波动干扰问题，进一步利用无迹卡尔曼滤波算法实现人体组织成分参数快速、简单的高精度鲁棒估算，最终实现了人体组织成分参数快速、简单的高精度鲁棒估算。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种人体组织成分参数快速估算方法，包括以下步骤：a：选择人体个体作为检测对象，在人体的肢体端部放置激励电极和检测电极，将人体视为近似圆柱进行检测其组织参数；b：选用变频恒流源单元作为测量电极与人体的激励电极连接，变频恒流源单元产生频率范围在1KHz至100KHz范围内的人体能够承受的变频恒定幅值的电流，选用电位差采集单元与人体的检测电极连接，用于采集测量两端的电位差值；c：通过数据处理单元对采集得到的电位差信号进行基于小波模极大值原理的去噪处理，已得到相对光滑的电位差稳定信号；d：通过人体成分参数初始值计算单元根据数据处理单元得到的电位差稳定信号，在变频恒流源单元产生的不同频率的恒流源作用下，分别测量对应的电位差值，进而得到人体细胞外液和细胞内外总液在交变电流作用下呈现出的等效内阻粗略值；e：通过人体成分参数在线修正单元在多频率下，以人体组织成分参数为状态量，以多频交变恒流为控制量，以多频交变电流下测得的电位差值为观测量，以人体成分参数初始值计算单元得到的细胞外液在交变电流作用下呈现出的粗略等效内阻值和细胞内外总液在交变电流作用下呈现出的粗略等效内阻值为初始值，提出利用无迹卡尔曼滤波状态估计器实现人体组织成分参数的在线修正预估计；f：通过人体信息存储与分析单元根据存储相应的人体组织成分参数，依据参数给出各类健康指标。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤d中分别在低频以及高频的恒流源作用下，分别测量对应的电位差值，进而得到人体细胞外液以及细胞内外总液在交变电流作用下呈现出的等效内阻粗略值：
（1）
式（1）中，，分别为频率下交变电流以及电位差信号序列；表示时间；为细胞外液在交变电流作用下呈现出的粗略等效内阻值,为细胞内外总液在交变电流作用下呈现出的粗略等效内阻值；此计算单元以此粗略内阻值以及作为无迹卡尔曼滤波估计器的初始值。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤e中人体成分参数在线修正单元在多频交变恒流下以人体组织成分参数为状态量，以多频交变恒流为控制量，以多频交变电流下测得的电位差为观测量，以人体成分参数初始值计算单元得到的以及为初始值，提出利用无迹卡尔曼滤波状态估计器实现人体组织成分参数的在线修正预估计；状态方程组如下所示：
（2）
式（2）中，为人体组织成分在交变电流作用下表现出的时间常数；为松弛因子；观测方程为：
（3）
式中，为根据状态量的估计值以及交变电流，计算得到的电位差的估计值；此计算单元即利用观测得到的电位差与观测方程计算得到的电位差的偏差量实现状态量的修正，修正方程为：
（4）
式中，分别是无迹卡尔曼滤波算法的对于参数在时刻的一步估计；
利用以上参数依据人体组织等效电路图可以计算得到人体组织成分等效电路模型参数如下：
（5）
（6）
（7）
式中，为人体组织细胞外液的总电阻值；为人体组织细胞内液的总阻值；为人体细胞膜的电容值。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤e中人体成分参数在线修正单元在线修正的具体过程如下：
A．采样：产生个点集，其中表示状态方程中状态的维度；
（8）
式（8）中，状态变量，，合在一起为维矩阵。表示方阵中第列，；，表示采样点集到均值点的距离，为比例因子，一般取0或；
B．一步估计：利用式（2）对点集进行一步估计，得到状态的一步估计值；
C．状态统计：计算点集一步估计结果的统计量：
（9）
（10）
（11）
其中，满足正态分布取2；
D．重采样：利用状态一步估计的均值统计量替换式（8）中的，式（10）中方差统计量中每一列替换式（8）中产生新的点集;
E．观测值计算：利用式（3）以及新的点集计算观测值，得到频率为下的观测值；
F．观测统计：计算的统计量：
（12）
（13）
（14）；
G．更新估计：更新状态估计以及方差；
（15）
（16）
（17）
式（16）中即为依据仅一个采样频率下实现的人体组织成分参数在线的一次修正，随着变频恒流源的电流频率不断变化，过程采样点的增多，最终实现人体组织成分参数的精确修正，最后依据人体组织成分等效电路以及式（5）-式（7）得到最终的人体组织参数值。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种人体组织成分参数快速估算方法的人体组织成分参数检测系统，包括数据采集模块、信号发生模块、计算模块和信息展示模块，所述数据采集模块包括电位差采集单元，所述信号发生模块包括变频恒流源电源，所述计算模块包括数据处理单元、人体成分参数初始值计算单元和人体成分参数在线修正单元，所述信息显示模块包括人体信息存储与分析单元，所述电位差采集单元的输入端与人体连接，输出端与数据处理单元连接，所述变频恒流单元的输出端分别与人体和数据处理单元连接，所述数据处理单元的输出端分别与人体成分参数初始值计算单元以及人体成分参数在线修正单元的输入端相连，所述人体成分参数初始值计算单元的输出端与人体成分参数在线修正单元的输入端相连，所述人体成分参数在线修正单元的的输出端与人体信息存储与分析单元的输入端连接
在本发明一个较佳实施例中，所述变频恒流源电源为安装在沙发脚踏和扶手上的激励电极，所述电位差采集单元为安装在沙发脚踏和扶手上的测量电极，所述人体个体的手部和脚部对应贴设激励电极和测量电机使人体形成圆柱体导电体。
本发明的有益效果是：本发明基于无迹滤波算法的人体组织成分参数快速估算方法和检测系统，该方法利用无迹卡尔曼滤波算法的闭环自校正结构以及其对于非线性模型状态参数的二阶以上无偏估计能力实现人体组织成分参数的高精度鲁棒估计。出利用相对低频、高频下的人体组织参数实际的粗略测量值作为无迹卡尔曼滤波算法的初始值，以此实现最优值附近的快速收敛，保证了非线性函数的全局最优收敛。避免检测的低赋值、高频电位差信号受到噪声等大扰动干扰，提出对检测的电位差信号进行基于小波模极大值思想的滤噪预处理，降低检测信号波动带来的干扰问题，最终实现了人体组织成分参数快速、简单的高精度鲁棒估算。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明人体组织成分参数快速估算方法一较佳实施例的结构示意图；
图2是人体组织等效电路示意图；
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，一种人体组织成分参数快速估算方法，包括以下步骤：
a：选择人体个体作为检测对象，在人体的肢体端部放置激励电极和检测电极，将人体视为近似圆柱进行检测其组织参数；
b：选用变频恒流源单元作为测量电极与人体的激励电极连接，变频恒流源单元产生频率范围在1KHz至100KHz范围内的人体能够承受的变频恒定幅值的电流，选用电位差采集单元与人体的检测电极连接，用于采集测量两端的电位差值；
c：通过数据处理单元对采集得到的电位差信号进行基于小波模极大值原理的去噪处理，已得到相对光滑的电位差稳定信号；
d：通过人体成分参数初始值计算单元根据数据处理单元得到的电位差稳定信号，在变频恒流源单元产生的不同频率的恒流源作用下，分别测量对应的电位差值，进而得到人体细胞外液和细胞内外总液在交变电流作用下呈现出的等效内阻粗略值；
e：通过人体成分参数在线修正单元在多频率下，以人体组织成分参数为状态量，以多频交变恒流为控制量，以多频交变电流下测得的电位差值为观测量，以人体成分参数初始值计算单元得到的细胞外液在交变电流作用下呈现出的粗略等效内阻值和细胞内外总液在交变电流作用下呈现出的粗略等效内阻值为初始值，提出利用无迹卡尔曼滤波状态估计器实现人体组织成分参数的在线修正预估计；
f：通过人体信息存储与分析单元根据存储相应的人体组织成分参数，依据参数给出各类健康指标。如：人体脂肪率、FFM等以及对于人体健康程度，潜在疾病进行预警分析等；同时将分析结论通过APP展示给体验用户。
另外，步骤d中分别在低频以及高频的恒流源作用下，由于人体组织成分主要表现为电阻特性以及电容特性，因此在低频下呈现出电容特性的细胞膜可以近似看做断路，此时电流主要流经细胞外液；高频下，呈现出电容特性的细胞膜可以近似看作为通路，此时电流同时流经细胞外液和细胞内液。此计算单元即利用以上原理，分别测量对应的电位差值，进而得到人体细胞外液以及细胞内外总液在交变电流作用下呈现出的等效内阻粗略值：
（1）
式（1）中，，分别为频率下交变电流以及电位差信号序列；表示时间；为细胞外液在交变电流作用下呈现出的粗略等效内阻值,为细胞内外总液在交变电流作用下呈现出的粗略等效内阻值；此计算单元以此粗略内阻值以及作为无迹卡尔曼滤波估计器的初始值。
另外，步骤e中人体成分参数在线修正单元在多频交变恒流下以人体组织成分参数为状态量，以多频交变恒流为控制量，以多频交变电流下测得的电位差为观测量，以人体成分参数初始值计算单元得到的以及为初始值，提出利用无迹卡尔曼滤波状态估计器实现人体组织成分参数的在线修正预估计；状态方程组如下所示：
（2）
式（2）中，为人体组织成分在交变电流作用下表现出的时间常数；为松弛因子；观测方程为：
（3）
式中，为根据状态量的估计值以及交变电流，计算得到的电位差的估计值；此计算单元即利用观测得到的电位差与观测方程计算得到的电位差的偏差量实现状态量的修正，修正方程为：
（4）
式中，分别是无迹卡尔曼滤波算法的对于参数在时刻的一步估计；
利用以上参数依据人体组织等效电路图可以计算得到人体组织成分等效电路模型参数如下：
（5）
（6）
（7）
式中，为人体组织细胞外液的总电阻值；为人体组织细胞内液的总阻值；为人体细胞膜的电容值。
另外，步骤e中人体成分参数在线修正单元在线修正的具体过程如下：
A．采样：产生个点集，其中表示状态方程中状态的维度；
（8）
式（8）中，状态变量，，合在一起为维矩阵。表示方阵中第列，；，表示采样点集到均值点的距离，为比例因子，一般取0或；
B．一步估计：利用式（2）对点集进行一步估计，得到状态的一步估计值；
C．状态统计：计算点集一步估计结果的统计量：
（9）
（10）
（11）
其中，满足正态分布取2；
D．重采样：利用状态一步估计的均值统计量替换式（8）中的，式（10）中方差统计量中每一列替换式（8）中产生新的点集;
E．观测值计算：利用式（3）以及新的点集计算观测值，得到频率为下的观测值；
F．观测统计：计算的统计量：
（12）
（13）
（14）；
G．更新估计：更新状态估计以及方差；
（15）
（16）
（17）
式（16）中即为依据仅一个采样频率下实现的人体组织成分参数在线的一次修正，随着变频恒流源的电流频率不断变化，过程采样点的增多，最终实现人体组织成分参数的精确修正，最后依据人体组织成分等效电路以及式（5）-式（7）得到最终的人体组织参数值。
一种人体组织成分参数快速估算方法的人体组织成分参数检测系统，包括数据采集模块、信号发生模块、计算模块和信息展示模块，所述数据采集模块包括电位差采集单元，所述信号发生模块包括变频恒流源电源，所述计算模块包括数据处理单元、人体成分参数初始值计算单元和人体成分参数在线修正单元，所述信息显示模块包括人体信息存储与分析单元，所述电位差采集单元的输入端与人体连接，输出端与数据处理单元连接，所述变频恒流单元的输出端分别与人体和数据处理单元连接，所述数据处理单元的输出端分别与人体成分参数初始值计算单元以及人体成分参数在线修正单元的输入端相连，所述人体成分参数初始值计算单元的输出端与人体成分参数在线修正单元的输入端相连，所述人体成分参数在线修正单元的的输出端与人体信息存储与分析单元的输入端连接
另外，变频恒流源电源为安装在沙发脚踏和扶手上的激励电极，电位差采集单元为安装在沙发脚踏和扶手上的测量电极，所述人体个体的手部和脚部对应贴设激励电极和测量电机使人体形成圆柱体导电体。
当用户在智能沙发上休息时，安装在沙发脚踏以及扶手上的激励电极，即能够产生变频交变恒值电流得电极向人体发出交变恒流，使交变电流流经人体，并由安装于沙发脚踏以及扶手上的测量电极检测对应的电位差。人体的右手部以及左脚部均有一个激励电极以及检测电极，这样一共有4个电极片，将人体看做一个近似圆柱进行检测其组织参数。当通入变频电流信号后，采集电位差信号为：;上述电位差信号以及变频恒流源单元产生的交变电流信号同时传输给数据处理单元，有数据处理单元对其进行基于小波模极大值原理的去噪过程，已得到无噪声的时刻电位差信号。
上述过程首先在低频5KHz交变电流下进行,同时采集得到电位差信号为：，对去噪后的电位差信号进一步依据式（1）得到低频下的粗略阻值为。
进一步在高频100KHz交变电流下，重复上述过程，采集得到，对去噪后的电位差信号进一步依据式（1）得到高频下的粗略阻值为。
进一步，以此低频、高频下的粗略阻抗值作为无迹卡尔曼滤波算法状态的初始值,在变频下,进行人体组织成分参数在线修正，此过程在人体成分参数在线修正单元内完成。
这里给出无迹卡尔曼滤波算法在线修正的具体过程如下：
采样——产生个点集（表示状态方程中状态的维度，本发明中）；
（8）
式（10）中，状态变量，，合在一起为维矩阵。表示方阵中第列，；，表示采样点集到均值点的距离，为比例因子，一般取0或。
一步估计——利用式（2）对点集进行一步估计，得到状态的一步估计值；
步骤3：状态统计——计算点集一步估计结果的统计量：
（9）
（10）
（11）
其中，满足正态分布取2。
重采样——利用状态一步估计的均值统计量替换式（8）中的，式（10）中方差统计量中每一列替换式（8）中产生新的点集。
观测值计算——利用式（3）以及新的点集计算观测值，得到频率为下的观测值；
观测统计——计算的统计量：
（12）
（13）
（14）
步骤7：更新估计——更新状态估计以及方差。
（15）
（16）
（17）
式（16）中即为依据仅一个采样频率下实现的人体组织成分参数在线的一次修正，随着变频恒流源的电流频率不断变化，过程采样点的增多，最终实现人体组织成分参数的精确修正。
最后依据图2人体组织成分等效电路示意图，以及式（5）-式（7）得到最终的人体组织参数值；
区别于现有技术，本发明基于无迹滤波算法的人体组织成分参数快速估算方法和检测系统，该方法利用无迹卡尔曼滤波算法的闭环自校正结构以及其对于非线性模型状态参数的二阶以上无偏估计能力实现人体组织成分参数的高精度鲁棒估计。出利用相对低频、高频下的人体组织参数实际的粗略测量值作为无迹卡尔曼滤波算法的初始值，以此实现最优值附近的快速收敛，保证了非线性函数的全局最优收敛。避免检测的低赋值、高频电位差信号受到噪声等大扰动干扰，提出对检测的电位差信号进行基于小波模极大值思想的滤噪预处理，降低检测信号波动带来的干扰问题，最终实现了人体组织成分参数快速、简单的高精度鲁棒估算。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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