【正文】 1/ )N ?? 的強(qiáng)度 與 序列的長(zhǎng)度 N 的平方成反比。 m序列的研究和激勵(lì)信號(hào)源的設(shè)計(jì)思路 9 圖 22 四階 m 序列自相關(guān) Fig. 22 Fourth Order m sequence autocorrelation 可見(jiàn)， m序列的周期為 N=2n1，其自相關(guān)函數(shù)是三角脈沖，當(dāng) N→∞ 時(shí)自相關(guān)函數(shù)接近白噪聲的自相關(guān)函數(shù) δ(τ)，這表明 m序列具有典型的偽隨機(jī)特性。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 序列有一個(gè)重要的性質(zhì)，序列和它移位后的序列經(jīng) 過(guò) 模二相加后所得到的序列仍然是 m序列的某個(gè)移位序列。一般而言，在 m 序列中，游程長(zhǎng)度為 1 的數(shù)目占總游程數(shù)目的 1/2，游程長(zhǎng)度為 2 的數(shù)目占總游程數(shù)目的 1/4，游程長(zhǎng)度為 3 的數(shù)目占總游程的 1/8， 依次 類推，游程長(zhǎng)度為 k 的數(shù)目占總游程的 2k。它的兩種狀態(tài)出現(xiàn)是均衡的 ，這是 m序列一個(gè)明顯的特點(diǎn)。 隨著 m序列階數(shù)的增大， m序列的周期也增大。在近年的發(fā)展中應(yīng)用到了自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、光學(xué)測(cè)量、故障檢測(cè)等領(lǐng)域 【 3538】 。 m 序列 m 序列的定義 及介 紹 m 序列是最長(zhǎng)線性反饋移位寄存器的簡(jiǎn)稱，它是由線性反饋的移位寄存器產(chǎn)生的周期最長(zhǎng)的一種序列。本文選用偽隨機(jī)信號(hào) 當(dāng)中 的 m序列作為研究生物電阻抗的信號(hào)源模型。 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。 如果在小于一個(gè)周期的范圍內(nèi)觀察二進(jìn)制的偽隨機(jī)信號(hào)，有很多地方與隨機(jī)信號(hào)相同： （ 1） 在隨機(jī)二進(jìn)制信號(hào)中，兩種狀態(tài)出現(xiàn)的次數(shù)統(tǒng)計(jì)基本相等，而偽隨機(jī)信號(hào)兩種狀 態(tài)的次數(shù)相差一次。 就偽隨機(jī)信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)相比較，有兩個(gè)比較明顯的特點(diǎn) 【 30】 ： （ 1） 隨 機(jī)信號(hào)是沒(méi)有周期性的，而偽隨機(jī)信號(hào)在經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后是會(huì)重現(xiàn)的。 偽隨機(jī)信號(hào)的介紹 偽隨機(jī)信號(hào)是一種周期比較長(zhǎng)的信號(hào)，如果觀察的時(shí)間是大于一個(gè)周期的，那么偽隨機(jī)信號(hào)就是一個(gè)確定的周期信號(hào)，如果觀察的 時(shí)間是小于一個(gè)周期的，那么偽隨機(jī)信號(hào)就貌似一個(gè)不確定的信號(hào)。 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)。再次說(shuō)明了本文的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。 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(duì)醫(yī)學(xué)方面有很大的貢獻(xiàn)。 求取基于全相位 FFT 算法的被測(cè)阻抗頻率響應(yīng) 上一步得到的結(jié)果是被測(cè)阻抗的時(shí)域沖激響應(yīng)，為了得到阻抗頻譜值，必須再對(duì)時(shí)域沖激響應(yīng)進(jìn)行傅立葉變換，才能得到被測(cè)阻抗的頻譜值。 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)。 本文的研究思路及內(nèi)容 本文以 m序列偽隨機(jī)信號(hào)作為測(cè)量生物電阻抗的激勵(lì)源模型，設(shè)計(jì)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(cè)算法的 BIS 多頻率同步快速測(cè)量 算 法，實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻率點(diǎn) BIS 的同時(shí)快速 的 測(cè)量，即實(shí)現(xiàn) BIS 的瞬時(shí)掃描測(cè)量。 測(cè)量平臺(tái)的構(gòu)建 有了激勵(lì)源模型 ，還要有 一個(gè)能對(duì)激勵(lì)源和生物電阻抗響應(yīng)信號(hào)同步采 樣 的采集系統(tǒng)，要求 速度 快，并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行正確的存儲(chǔ)與讀取 。因此 ，本文研究了一種多頻率同步信號(hào)的快速測(cè)量方法，可以實(shí)現(xiàn) n 個(gè)頻點(diǎn)阻抗的同時(shí)測(cè)量。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。 最簡(jiǎn)單的多頻率同步信號(hào)是矩形脈沖 ， 清華大學(xué) 的 董恩生等提出了用 脈沖法測(cè)量 電阻抗譜 的思路 【 27】 ，緒論 3 但是 通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(hào) 中正弦分量的幅值 會(huì) 衰減 ，而且 很快 。 混頻 模式主要是很難實(shí)現(xiàn)各頻率分量相位的精確控制， 很難同時(shí)將更多路 信號(hào)的 正弦波進(jìn)行混頻。第四軍醫(yī)大學(xué)的史學(xué)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】 。 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 。 現(xiàn)階段，多頻率 成分 的測(cè)量模式 有 了一定程度的發(fā)展 ， 混頻測(cè)量模式 就是選用的一種，它在 BIS 研究 測(cè)量方面 有突出的應(yīng)用價(jià)值 。但是在測(cè)量過(guò)程中 測(cè)量頻率 要 改變 多次，用時(shí)比較長(zhǎng)。 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(shí)測(cè)量思路，用兩個(gè)或者兩個(gè)以上頻率的信號(hào)做激勵(lì)源對(duì)生物電阻抗的信息進(jìn)行提取， Warsaw 理工大學(xué)的 以及 等學(xué)者 研制出了多頻率 BIS 測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生物電阻抗幅值的提取。 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】 。 在 BIS 測(cè)量 發(fā)展 的 初期，單頻 的測(cè)量 模式 應(yīng)用的比較多 ， 它是 用一種頻率下的信息研究生物組織的相關(guān)信息 。 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 縱觀國(guó)內(nèi)外 BIS 測(cè)量技術(shù)一百多年的發(fā)展歷程， 生物電阻抗研究的 激勵(lì)信號(hào)源的選擇 經(jīng)歷了從直流到交流 、被測(cè)對(duì)象模型經(jīng)歷了 從純電阻到復(fù)阻 抗 、測(cè)量原理經(jīng)歷了從單頻測(cè)量到多頻測(cè)量的發(fā)展過(guò)程，多頻測(cè)量包含了 分時(shí)單頻 率 掃描 測(cè)量 模式、多頻率混頻 測(cè)量模式、多 頻率 同步 測(cè)量 模式。 其主要原因是 BIS 測(cè)量?jī)x器一直存在數(shù)據(jù)可靠性、可重復(fù)性 差 等問(wèn)題，從而制約了 BIS 技術(shù)在醫(yī)學(xué)臨床上的 推廣 應(yīng)用 。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。 BIS 測(cè)量 技術(shù)能夠反映出生物各種組織中細(xì)胞結(jié)構(gòu)的電特性 ，反應(yīng)的是生物體微觀領(lǐng)域的特征，從它的開(kāi)始研究就是基于生物組織器官檢測(cè)和疾病 的 診斷與防止 。如果能夠把掃頻時(shí)間減少，則有可能避免被測(cè) 生物組織 出現(xiàn)極化效應(yīng)，在較短時(shí)間內(nèi)所測(cè)得的各個(gè)頻率點(diǎn)的阻抗信息更能準(zhǔn)確反映被測(cè) 生物組織 的真實(shí)阻抗信息。 目前 來(lái)講 ，傳統(tǒng)的 BIS 測(cè)量方法大部分是 集中于 基于分時(shí)單頻技術(shù) 【 3】 ，即 每次 產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào) 只 有 一種頻率、 通過(guò) 連續(xù)多次 改變頻率 來(lái)完成阻抗測(cè)量，這種測(cè)量方法比較靈活， 并能夠 保證較高 的 精度，但是需要多次改變測(cè)量頻率， 測(cè)量 速度相對(duì)較低；同時(shí)，在不同頻點(diǎn)切換測(cè)量時(shí)，新的電阻抗信息 的建立 需要較長(zhǎng)時(shí)間， 但是 生物體的組織 和器官 狀態(tài)是動(dòng)態(tài)變化的， 生物體阻抗信息不能夠及時(shí)的捕獲， 因此分時(shí)單頻測(cè)量技術(shù)不能準(zhǔn)確測(cè)量生物體某具體時(shí)刻的電阻抗信息 【 4】 。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】 。 生物組織和器官的電阻抗信息 與 生物組織和器官的功能信息是緊密聯(lián)系的，所以在研究 生物組織和器官的功能信息中捕捉生物電阻抗的信息有重要意義，生物電阻抗的信息中包含 著 生物生理、病理的信息。它是一種 在頻域 測(cè)量 生物電阻抗的 方法，以測(cè)得頻域較寬的阻抗譜來(lái)研究生物組織的生理、病理等狀態(tài)。 synchronous sampling。 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