【文章內(nèi)容簡介】 了 用生物電阻抗來 分析人體 組成 成分的有效性 和 可行性 。 但 在 單一 的 頻率 成分 下， 獲得的生物信息不多，并不能滿足測量的 要求 【 22】 。 在國內(nèi)，劉靜明等人也做了相關(guān)實驗 【 23】 。 隨著生物電阻抗 技術(shù) 研究的發(fā)展，有人提出了單頻的分時測量思路，用兩個或者兩個以上頻率的信號做激勵源對生物電阻抗的信息進行提取， Warsaw 理工大學的 以及 等學者 研制出了多頻率 BIS 測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了生物電阻抗幅值的提取。在國內(nèi)，天津大學的 研究生 班東坡設(shè)計了一套人體電阻抗 的 測量系統(tǒng) ,進行了實驗 【 24】 ，采用 了高 頻率和 低 頻率 兩種頻 段 的信號 ， 實現(xiàn)了在高低兩種頻率下分時測量人體電阻抗 相關(guān) 信息的功能。但是在測量過程中 測量頻率 要 改變 多次，用時比較長。 另外，在 切換 不同 測量 頻點 的 時候 ， 上一個頻點到新的頻點轉(zhuǎn)換的過程中電阻抗信息的重新 建 立需要一定的時間，但是生物組織的各種生理狀態(tài)是不斷變化的，所以選用單頻的測量技術(shù)是不能完全的測量生物在某 個時刻的電阻抗的功能信息 。 現(xiàn)階段，多頻率 成分 的測量模式 有 了一定程度的發(fā)展 ， 混頻測量模式 就是選用的一種，它在 BIS 研究 測量方面 有突出的應用價值 ?；祛l 的 測量模式 是這樣實現(xiàn)的，先對要測量的對象中加多個頻率合成的激勵信號源 ，然后用 設(shè)計的 測量模塊 提取每個頻率的分量對 測量對 象 總的 響應信號 ，再通過 設(shè)計一些數(shù)字電路和模擬電路把各個頻率成分從總的響應信號中進行分離 ， 從而得到被測對象在各個頻率點的響應值。 近 些 年 ，在 國內(nèi) 有 部分 學者 嘗試了 多路信號混頻 方式 。天津大學的 教授 王超老師用直接數(shù)字 電路 合成（ DDS）芯片產(chǎn)生兩路同相 但 不同頻 的 正弦波信號，然后通過差分運 算 放 大器 實現(xiàn)了混頻 模式 【 25】 。第四軍醫(yī)大學的史學濤 、尤富生 等 人 利用數(shù)字 電路 合成 芯片 的方法 產(chǎn)生 了四路頻率 不同 的正弦波的合成 和研究 【 26】 。通過 對 DDS 芯片 編程 控制 ， 在一個 DDS 芯片上實現(xiàn)兩個信號的同步是比較簡單的，但是要 實現(xiàn) 兩路以上的就比較困難了，尤其在硬件上就相當困難， 即使實現(xiàn)了，成本是相當高的。 混頻 模式主要是很難實現(xiàn)各頻率分量相位的精確控制， 很難同時將更多路 信號的 正弦波進行混頻。 混頻模式有研究成果的同時，多頻率同步測量模式也有了發(fā)展 ，即諧波模式 ，多頻率同步測量就是利用各種非正弦信號本身所包含的諧波信號進行多頻 率激勵。 最簡單的多頻率同步信號是矩形脈沖 ， 清華大學 的 董恩生等提出了用 脈沖法測量 電阻抗譜 的思路 【 27】 ，緒論 3 但是 通過實驗得出其 能量 的 主要 成分 在主基頻上，隨著頻率 的 增大，脈沖 信號 中正弦分量的幅值 會 衰減 ，而且 很快 。 所以沒有辦法保證高頻率的阻抗譜測量的精度 。國外學者 Min等 【 28】 對 sinc 脈沖 、 高斯脈沖 等寬頻帶 的 脈沖做了一個 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 測量 中有更 好的性能，但其復雜的數(shù)學表達式使得其波形實現(xiàn)需要復雜的硬件設(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)獲取激勵脈沖及其對應響應），實際實驗需要很高端 的 儀器。 目前，文獻中報道了很多測量電阻抗 頻譜 的方法 ， 分時單頻技術(shù)不能準確測量 物 質(zhì)的電阻抗信息， 多頻率混頻測量模式 硬件實現(xiàn)起來難度大，而且成本高，矩形脈沖法能量集中在主基頻，無法保證高頻阻抗的測量精度 。因此 ，本文研究了一種多頻率同步信號的快速測量方法，可以實現(xiàn) n 個頻點阻抗的同時測量。 課題研究的難點 生物電 阻 抗的 研究中要選擇理想的激勵源模型，準確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及相關(guān)檢測算法，本文涉及的難點有： 激勵源模型的選擇以及實現(xiàn) 本文的設(shè)計思路是用諧波模式 進行測量， 通過 瞬時掃描獲得生物的電阻抗譜，因此要選擇一種適合這種 模式的信號源模型，并方便用硬件實現(xiàn)。 測量平臺的構(gòu)建 有了激勵源模型 ，還要有 一個能對激勵源和生物電阻抗響應信號同步采 樣 的采集系統(tǒng)，要求 速度 快，并能夠?qū)?shù)據(jù)進行正確的存儲與讀取 。 檢測算法的研究 需要研究一種對 實驗 數(shù)據(jù)處理后能得到生物電阻抗譜的理論。 本文的研究思路及內(nèi)容 本文以 m序列偽隨機信號作為測量生物電阻抗的激勵源模型，設(shè)計了一套基于 FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并建立一整套基于相關(guān)檢測算法的 BIS 多頻率同步快速測量 算 法，實現(xiàn)多個頻率點 BIS 的同時快速 的 測量，即實現(xiàn) BIS 的瞬時掃描測量。 構(gòu)建基于 m序列激勵的信號源 設(shè)計用于 電 阻抗測量的基于 m 序列的激勵源 ， 并且要求 設(shè) 計成電流源 ，具體包括：研究基于 VHDL 語言編程的 FPGA 設(shè)計方法，實現(xiàn) m序列偽隨機信號的生成；設(shè)計基于模擬運算放大器的電壓控制電流源 電路 （ VCCS），為 BIS 提供輸出阻抗高、頻率特性好、響應速度快的高精度驅(qū)動電路。 設(shè)計基于 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，能對激勵信號和響應信號實現(xiàn) 2 路同步采 樣 ，為后西安理工大學碩士學位論文 4 續(xù)的相關(guān)檢測算法提供數(shù)據(jù)。 研究基于快速傅里葉變換（ FFT）的快速相關(guān)檢測算法 基于 m序列激勵的 BIS 測 量是基于相關(guān)檢測原理，在 m序列 的 一個周期內(nèi)同步采樣得到的序列長度均為 2n1,其中的一個關(guān)鍵步驟需要計算 長度為 2n1 的序列之間的相關(guān)函數(shù)，本設(shè)計利用循環(huán)卷積與 FFT 之間的對應關(guān)系，通過序列補零加長的方法，設(shè)計 FFT的快速相關(guān)檢測算法，求取激勵電流與響應電壓信號之間的互相關(guān)，即被測阻抗的時域沖激響應（長度也為 2n1）。 求取基于全相位 FFT 算法的被測阻抗頻率響應 上一步得到的結(jié)果是被測阻抗的時域沖激響應，為了得到阻抗頻譜值，必須再對時域沖激響應進行傅立葉變換，才能得到被測阻抗的頻譜值。為了減小頻譜泄漏 和柵欄效應，提高精度，本設(shè)計采用最新的數(shù)字信號處理方法 —— 全相位頻譜分析方法，求取被測阻抗的頻率響應，從而實現(xiàn) BIS 的多頻率同步快速 的 測量。 本章小結(jié) 本文首先介紹了生物電阻抗的背景和研究意義， 生物電阻抗的研究對醫(yī)學方面有很大的貢獻。然后 對生物電阻抗的國內(nèi)外 發(fā)展和 研究現(xiàn)狀做了一個簡要的概 述， 生物電阻抗主要發(fā)展經(jīng)歷了簡單的單頻率 掃頻 模式，以及比較先進的混頻模式和諧波模式。再次說明了本文的設(shè)計難點。 最后介紹了本文的研究思路和技術(shù)路線。 m序列的研究和激勵信號源的設(shè)計思路 5 2 m 序列的研究和激勵信號源的設(shè)計思路 生物電阻抗的測量和研究中，最基本的是選擇一個合適的信號源模型，所以要研究一種信號源模型，本文選擇的是偽隨機信號 m 序列，偽隨機信號有自己的利用價值， m 序列作為其中一種，它是一種偽隨機二電平信號。它的性質(zhì)決 定了在生物電阻抗研究中的價值，在硬件方面它也能實現(xiàn) 【 29】 。 偽隨機信號的介紹 偽隨機信號是一種周期比較長的信號，如果觀察的時間是大于一個周期的，那么偽隨機信號就是一個確定的周期信號，如果觀察的 時間是小于一個周期的，那么偽隨機信號就貌似一個不確定的信號。偽隨機信號能顯示出它的非隨機性。 就偽隨機信號和隨機信號相比較，有兩個比較明顯的特點 【 30】 ： （ 1） 隨 機信號是沒有周期性的，而偽隨機信號在經(jīng)過一定的時間后是會重現(xiàn)的。 （ 2） 在隨機信號中 ，兩個狀態(tài)的轉(zhuǎn)化在任何時刻都會發(fā)生，預先不能確定下一狀 態(tài)的時刻，任何瞬間狀態(tài)與相鄰的下一狀態(tài)都是無關(guān)的，而偽隨機信號是人為可以控制的，它的狀態(tài)只有在整數(shù)倍的時鐘周期脈沖時發(fā)生變化，在時鐘脈沖間隔內(nèi)，電平是不變化的，只有在固定的時間間隔內(nèi)的狀態(tài)和相鄰的時間間隔內(nèi) 的 狀態(tài)無關(guān)。 如果在小于一個周期的范圍內(nèi)觀察二進制的偽隨機信號，有很多地方與隨機信號相同： （ 1） 在隨機二進制信號中，兩種狀態(tài)出現(xiàn)的次數(shù)統(tǒng)計基本相等，而偽隨機信號兩種狀 態(tài)的次數(shù)相差一次。 （ 2）兩者都有類似白噪聲信號的自相關(guān)函數(shù)。 所以，足夠長的偽隨機信號可以作為隨機信號用。 在應用中，偽隨機信號具有良好的隨機性和接近 于 白噪聲的相關(guān)函數(shù)，很容易從信號中分離出來，并且有很強的 抗 干擾能力 【 31】 ，在通信、數(shù)據(jù)加擾等方面有廣泛的應用。本文選用偽隨機信號 當中 的 m序列作為研究生物電阻抗的信號源模型。用到了 m序列的性質(zhì)和特點。 m 序列 m 序列的定義 及介 紹 m 序列是最長線性反饋移位寄存器的簡稱，它是由線性反饋的移位寄存器產(chǎn)生的周期最長的一種序列。 m序列是周期性的偽隨機二進制序列，在 m序列理論形成的初期，在通訊 【 32】 、導航、雷達以及密碼學等技術(shù)領(lǐng)域 都 有應 用 【 3334】 。在近年的發(fā)展中應用到了自動控制、計算機、光學測量、故障檢測等領(lǐng)域 【 3538】 。 西安理工大學碩士學位論文 6 m 序列的特性 m 序列是一種偽隨機信號， 與其它偽隨機信號有相近的地方，但是它 有 自己的特點和性質(zhì)， 它的特點和性質(zhì)主要體現(xiàn)在 以 下幾個方面： 周期性 m 序列是一種周期性的二進制序列，它的周期是由 m 序列的階數(shù)決定的，如果階數(shù)定義為 n 的話，那么 m序列的周期 N 為 21nN? () 如果 m序列的階數(shù) n=4 的話，那么它的周期就是 15。 隨著 m序列階數(shù)的增大， m序列的周期也增大。 序列分布 的 均衡性 在 m序列的一個周期中，二進制碼“ 1”和“ 0”的數(shù)目接近 于 相等，具體來說，“ 1”的數(shù)目要比“ 0”的數(shù)目多一個。它的兩種狀態(tài)出現(xiàn)是均衡的 ，這是 m序列一個明顯的特點。 序列的游程分布及移位相加特性 在 m 序列中，我 們把在一個序列中取值相等且連續(xù)出現(xiàn)的元素合稱 為 一個游程，其中游程中元素的多少是這個游程的長度。一般而言，在 m 序列中，游程長度為 1 的數(shù)目占總游程數(shù)目的 1/2，游程長度為 2 的數(shù)目占總游程數(shù)目的 1/4，游程長度為 3 的數(shù)目占總游程的 1/8， 依次 類推，游程長度為 k 的數(shù)目占總游程的 2k。并且在每個長度的游程中，“ 1”和“ 0”的數(shù)目各占一半。 m 序列有一個重要的性質(zhì)，序列和它移位后的序列經(jīng) 過 模二相加后所得到的序列仍然是 m序列的某個移位序列。 自相關(guān)特性 m 序列和白噪聲一樣有著重要的自相關(guān)特性，假如有一個兩電平 +a 和 a、周期為 T的偽隨機信號 x(t)，其自相關(guān)函數(shù)為 01( ) ( ) ( )TxxR x t x t d tT????? () 下面將分兩步求取 Rxx(τ)的值： （ 1）求 τ 為整數(shù)倍時鐘周期的自相關(guān)函數(shù) 整數(shù)倍的時鐘周期的自相關(guān)函數(shù)的離散公式為 1j01( ) ( ) ( )0 , 1 , 2 , . . . , 1NxxR i t x j t x j t i t tNtiN??????? () 上式中 22[ ( )]x j t a?? () m序列的研究和激勵信號源的設(shè)計思路 7 帶入（ 23）可得 2(0)xxRa? () 2()0,1, 2,..., 1xxaR i tNiN???? () 由于序列的移位相加特性，有 ( ) ( ) ( )x j t x j t i t a x j t m t? ? ? ? () 對于電平與 0 對稱的 m信號，一個周期的平均值為 01 ( ) =T ax t dtTN? () 或者是 1j01 ( ) =N ax j t tN t N??? () 由上面（ 27）和（ 28）可得，（ 23）可變?yōu)? 21j01( ) ( )Nxx aR i t a x j t m t tN t N??? ? ? ?? () （ 2）求 τ 為任意值的自相關(guān)函數(shù) 當 0τΔt 時，相互錯位小于 Δt 的兩個信號之積 x(t)x(tτ)和 0~(N1)Δt 橫坐標之間的平均總面積為 Rxx(τ)，就等于 Rxx(0)減去由于兩信號錯位而減少的所有平均正面積，再減去由錯位導致 增加的 所有 平均負面積。任何一個 m序列 信號與 對應的 橫坐標都有 [(N+1)/2]個交點，因此可以得到上述 由于 錯位 而 引起 減小的平均正面積 S+為 21()2NaS Nt?? ?? () 增加的平均負面積 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。 西安理工大學碩士學位論文 8 圖 21 推導 示意 圖 Fig. 21 Illustration for formula