【正文】 ....................................................................................................................... 65 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................................... 67 附錄 硬件實(shí)物圖 ....................................................................................................................... 71 緒論 1 1 緒論 課題背景及研究意義 生物電阻抗頻譜（ Bioelectrical Impedance Spectrum,簡(jiǎn)稱(chēng) BIS）是指 在 生物組織中表現(xiàn)出 來(lái) 的電阻抗特性 (包含 電 阻 特 性和 電 容 特 性 )隨著加載電信號(hào)頻率的改變而發(fā)生變化的特性。 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì) m序列激勵(lì)信號(hào) 和響應(yīng)信號(hào)的同步采樣 ,完成了對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確采集 。它是一種頻域的測(cè)量方法，能夠測(cè)得頻域較寬的阻抗譜來(lái)研究生物組織的生理特征。 用 m 序列作為生物電阻抗模型的激勵(lì)源時(shí)，可以通過(guò)求相關(guān)函數(shù)知道系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)，方便求出阻抗譜 。 關(guān)鍵詞 ： m序列；生物電阻抗；同步采 樣 ；全相位 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 II Abstract III Title： Research of Bioelectrical Impedance Fast Measurement Method Based on m Sequence Major： Precision Instrument and Mechanism Name： Wei LIU Signature: Supervisor： Associate Prof. Yuxiang YANG Signature: Abstract Bioelectrical impedance spectrum (BIS) indicates a character that reflects electrical impedance character (including resistance and capacitance) performing in biological tissue varies with the change of loading signal frequency. It is a frequency domain measurement method to measure a relatively wide frequency domain impedance spectrum in researching the physiological feature of biological tissues. Bioelectrical impedance measurement has the requirement that of tiny wound or wound absence, rapid measuring and high accuracy. This thesis employs a fourelectrode method adopting current source excitation to measure bioelectrical impedance. It designs a highspeed acquisition system and afterwards processes data to acquire impedance value with a set of algorithm. The main research content is as follows: 1. The thesis firstly research and analyze properties of m sequence. Due to autocorrelation function of m sequence possesses the merits, such as close to impulse function, discrete power spectrum, strong antiinterference ability, convenient bandwidth adjustment and binary function is easy to realize, and the m sequence pseudo random signal is chosen as the current source excitation model and is implemented on FPGA platform. When using m sequence as bioelectricity impedance model excitation source, it can obtain system impact response through solving correlation function. Therefore, impedance spectrum is convenient to be acquired. 2. It designs the highspeed acquisition system that based on FPGA and ARM in order to achieve rapid measurement. The system use with FPGA logic programmable chip and STM32 microprocessor as a core, it designs several modules, such as power supply module, excitation signal source module, analogtodigital converter module, data buffer module, FPGA front control module and STM32 backend control module. It realizes synchronous sampling about m sequence excitation and response signal, and achieves correct sampling about experimental data. 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 IV 3. In the thesis, a FFT detection algorithm for calculating correlation function fast is designed for obtaining the correlation between the incentive current and response voltage signal which is the measured impedance of the time domain impulse response by means of the method which is extending sequence through adding zero, and it is based on rapid correlation algorithm and the AllPhase FFT calculating impedance value algorithm. The result obtained is the time domain impulse response of the measured impedance. In order to get the impedance spectrum, the measured impedance frequency response is get with adopting the AllPhase spectrum analysis method. So multifrequency measuring the electrical impedance model simultaneously and rapidly is realized 4. The thesis employs impedance to do measurement experiment for measuring system and studying algorithm, it demarcate measurement system and analysis the result of the measurement error. This thesis realizes simultaneous measurement of bioelectrical impedance many frequency, and provides a feasible method for bioelectricity impedance rapid measurement research. Key words: m sequence。其一般的實(shí)現(xiàn)方法是在生物 體 的 表面加上激勵(lì)電極，然后對(duì)激勵(lì)電極施加微小的交變電壓信號(hào)或交變電流信號(hào)，通過(guò)測(cè)量電極檢測(cè)對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)或電壓信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)的電阻抗及其變化，最后根據(jù)不同的應(yīng)用目的獲取 所需要的相關(guān) 信息 【 2】 。據(jù)相關(guān)資料表明， BIS 在 組織缺血 【 5】 、 生物 水合 作用估計(jì) 【 6】 、 肺水腫 【 7】 、 臨床診斷中 干重 的估計(jì) 【 8】 、 惡性皮膚癌的診斷 【 9】 、 病人 在 營(yíng)養(yǎng)不良方面 的 鑒別 【 10】 、腫瘤 的早期診斷和 監(jiān)測(cè) 【 1113】 、血液透析 【 1415】 、乳腺癌 【 1617】 、 病人手術(shù)后的 細(xì)胞變化監(jiān)測(cè) 【 18】 、 淋巴水腫探測(cè) 【 1920】 以及 輻射損傷檢測(cè) 【 21】 等 方面 有 一些成果。 但 在 單一 的 頻率 成分 下， 獲得的生物信息不多，并不能滿足測(cè)量的 要求 【 22】 。 近 些 年 ，在 國(guó)內(nèi) 有 部分 學(xué)者 嘗試了 多路信號(hào)混頻 方式 。國(guó)外學(xué)者 Min等 【 28】 對(duì) sinc 脈沖 、 高斯脈沖 等寬頻帶 的 脈沖做了一個(gè) 比較全面的 回顧，發(fā)現(xiàn) 與 高斯脈沖 、矩形脈沖 相比較， 啁啾脈沖 ，也叫 線性調(diào)頻脈沖 ， 在 BIS 的 測(cè)量 中有更 好的性能，但其復(fù)雜的數(shù)學(xué)表達(dá)式使得其波形實(shí)現(xiàn)需要復(fù)雜的硬件設(shè)備（如 高端的 任意函數(shù)發(fā)生器），數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)必須有高速性能（在 us 內(nèi)獲取激勵(lì)脈沖及其對(duì)應(yīng)響應(yīng)），實(shí)際實(shí)驗(yàn)需要很高端 的 儀器。 設(shè)計(jì)基于 FPGA 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 為了保證 能得到 可靠的數(shù)據(jù) ， 要求 建立一套準(zhǔn)確的采集系統(tǒng) ，這步 非常關(guān)鍵，構(gòu)建基于 FPGA 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采集部分，能對(duì)激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn) 2 路同步采 樣 ，為后西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 續(xù)的相關(guān)檢測(cè)算法提供數(shù)據(jù)。 m序列的研究和激勵(lì)信號(hào)源的設(shè)計(jì)思路 5 2 m 序列的研究和激勵(lì)信號(hào)源的設(shè)計(jì)思路 生物電阻抗的測(cè)量和研究中，最基本的是選擇一個(gè)合適的信號(hào)源模型，所以要研究一種信號(hào)源模型，本文選擇的是偽隨機(jī)信號(hào) m 序列，偽隨機(jī)信號(hào)有自己的利用價(jià)值， m 序列作為其中一種，它是一種偽隨機(jī)二電平信號(hào)。 所以，足夠長(zhǎng)的偽隨機(jī)信號(hào)可以作為隨機(jī)信號(hào)用。 隨著 m序列階數(shù)的增大， m序列的周期也增大。任何一個(gè) m序列 信號(hào)與 對(duì)應(yīng)的 橫坐標(biāo)都有 [(N+1)/2]個(gè)交點(diǎn)，因此可以得到上述 由于 錯(cuò)位 而 引起 減小的平均正面積 S+為 21()2NaS Nt?? ?? () 增加的平均負(fù)面積 S為 2_ 1( )( )2NaS Nt???? () 即可以得到 2221 1 1( 0) ( ) ( ) ( ) [ 1 ( ) ]220x x x xN a N a NR R aN t N t N tt?? ??? ? ?? ? ? ? ??? () 如 圖 21 所示。 m 序列的生成 一般情況下，產(chǎn)生 m 序列的電路為反饋移位寄存器 【 3940】 ，并且是線性移位寄存器，m 序列是最大線性移位寄存器的序列。同時(shí)由于這種序列雖然是周期的，但當(dāng) n 足夠大時(shí)周期可以很長(zhǎng)，在一個(gè)周期內(nèi) 觀察的話 0 和 1 的 分布會(huì)有很多 方式，對(duì) 任何 一位來(lái)說(shuō)是 0或 1， 貌似是隨機(jī)的 ，所以 稱(chēng)作 偽隨機(jī)碼。 圖 24 m 序列生成原理 Fig. 24 Principle illustration of obtaining the m sequence 通過(guò)前面的分析，只有選擇好了本原多項(xiàng)式就能夠產(chǎn)生 m 序列 。 (a) 5 階 m 序列波形圖 (b) 5 階 m 序列自相關(guān) (c) 5 階 m 序列功率譜 圖 25 m 序列分析 Fig. 25 m sequen