心阻抗极值驱动的外周组织电阻抗频谱特性的评估装置及方法

技术领域

本发明属于电阻抗频谱特性测量技术，具体涉及一种心阻抗极值驱动的外 周组织电阻抗频谱特性的评估装置及方法。

背景技术

生物组织的电阻抗频谱特性是指生物组织的电阻抗的阻性和容性成份随着 所施加激励信号的频率的变化而发生明显的变化。而电阻抗频谱特性可以通过在 被测目标表面以扫频的方式施加具有一定幅值的交流电流，并测量相应检测电极 上的响应电压来获得被测目标的电阻抗实虚部的频谱数据，然后可绘制出电阻抗 虚部和实部的散点图，通过曲线拟合获得Cole-Cole圆弧，借助于几何学的运算 可计算出四个电阻抗特征参数R₀、R_∞、α和f_c(R₀代表直流阻抗，R_∞代表频 率为无穷大时的阻抗，α代表散射因子，f_c代表特征频率)，从而实现定量评估。 现有评估人体外周组织电阻抗频谱特性的技术方法没有考虑到心脏射血周期的 影响，只通过任意时间点的外周组织电阻抗频谱特性来评估(如：US 8750978B2)， 其评估结果的重复性和稳定性不佳，因此需要将心阻抗信号的引入到外周组织电 阻抗频谱测量的过程中，以实现稳定地评估外周组织的电阻抗频谱特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种心阻抗极值驱动的外周组织电阻抗频谱特性的评 估装置及方法，以实现稳定地评估外周组织的电阻抗频谱特性。

本发明所述的心阻抗极值驱动的外周组织电阻抗频谱特性的评估装置，包括 第一电阻抗测量模块、第二电阻抗测量模块和上位机；

所述第一电阻抗测量模块基于上位机的控制实时动态地采集心脏附近的单 频电阻抗数据，并利用单频电阻抗数据的实部和虚部计算心阻抗模值后传输给上 位机，由上位机识别出心阻抗模值的极值，该极值包括极大值和极小值，并基于 该极值控制第二电阻抗测量模块按照设定的参数对外周组织进行电阻抗频谱数 据测量，并将电阻抗频谱数据传给上位机进行存储，上位机对所述电阻抗频谱数 据进行处理得到电阻抗特征参数，并将该电阻抗特征参数进行存储，上位机计算 在心阻抗模值的极大值和极小值两次驱动下测得电阻抗特征参数的平均值作为 外周组织电阻抗频谱特性的评估参数，并显示该评估参数。

所述上位机包括第一数据采集控制模块、极值识别模块、极值驱动模块、第 二数据采集控制模块、数据存储模块、电阻抗特征参数提取模块、参数存储模块、 两次测量参数平均值计算模块、平均值显示模块；

所述第一数据采集控制模块将单频电阻抗数据采集的参数传递给第一电阻 抗测量模块，该单频电阻抗数据采集的参数包括激励电流的幅值Am、频率f1和 数据采集频率f_acq；

所述第一电阻抗测量模块包括第一电阻抗数据采集子模块、第一接口和第一 电阻抗电极，第一电阻抗电极与第一电阻抗数据采集子模块连接，第一电阻抗数 据采集子模块通过第一接口与第一数据采集控制模块连接；所述第一接口接受第 一数据采集控制模块的控制，将施加给目标的激励电流的幅值Am、频率f1和数 据采集频率f_acq传递给第一电阻抗数据采集子模块，所述第一电阻抗数据采集 子模块通过第一电阻抗电极将激励电流施加到被测目标的心脏附近位置，第一电 阻抗电极中的电压信号被第一电阻抗数据采集子模块按照设定的数据采集频率 采集，第一电阻抗数据采集子模块利用所采集的单频电阻抗数据的实部和虚部计 算出心阻抗模值后通过第一接口发送给极值识别模块；

所述极值识别模块将第一电阻抗测量模块传递过来的实测心阻抗模值与心 阻抗模值的极大或极小先验值进行比较，将差异最小的实测心阻抗模值作为心阻 抗极值，并将极值驱动标志f_drv置为真，该极值识别模块与第一接口连接；

所述极值驱动模块在极值驱动标志f_drv为真时启动第二数据采集控制模 块，该极值驱动模块与极值识别模块连接；

所述第二数据采集控制模块将电阻抗频谱数据测量的参数传递给第二电阻 抗测量模块，该电阻抗频谱数据测量的参数包括激励电流的幅值Am、起始频率 f0、频率间隔Δf和激励次数N；

所述第二电阻抗测量模块包括第二电阻抗数据采集子模块、第二接口和第二 电阻抗电极；第二电阻抗电极与第二电阻抗数据采集子模块连接，第二电阻抗数 据采集子模块通过第二接口分别与第二数据采集控制模块连接；所述第二接口接 受第二数据采集控制模块的控制，将施加给目标的激励电流的幅值Am、起始频 率f0、频率间隔Δf和激励次数N传递给第二电阻抗数据采集子模块，第二电阻 抗数据采集子模块通过第二电阻抗电极按照扫频测量方式将激励电流逐个施加 到被测目标的肢端附近位置，第二电阻抗电极中的电压信号被第二电阻抗数据采 集子模块采集，并通过第二接口发送给数据存储模块；

所述数据存储模块将第二电阻抗测量模块传递过来的一次扫频测量测得的 N个频点的电阻数据的实部和虚部分别存储于4行N列的矩阵Ma1中前两行或后 两行，该数据存储模块与第二接口连接；

所述电阻抗特征参数提取模块利用矩阵Ma1中的前两行或后两行数据作为N 个电阻抗数据的实部和虚部，将N个实部作为X变量，将N个虚部作为Y变量， 利用最小二乘法拟合出两者之间的圆弧状曲线，并计算该曲线的几何参数得到电 阻抗特征参数，该电阻抗特征参数包括R₀、R_∞、α和f_c，其中，R₀代表直流阻 抗，R_∞代表频率为无穷大时的阻抗，α代表散射系数，f_c代表特征频率，该电 阻抗特征参数提取模块与数据存储模块连接；

所述参数存储模块将电阻抗特征参数提取模块所获得的电阻抗特征参数存 储于2行4列的矩阵Ma2中，该参数存储模块与电阻抗特征参数提取模块连接；

所述两次测量参数平均值计算模块用于求心阻抗模值取极大值时所对应的 电阻抗参数与心阻抗模值取极小值时所对应的电阻抗参数的平均值，该两次测量 参数平均值计算模块与参数存储模块连接；

所述平均值显示模块用于显示四个电阻抗特征参数在两次心阻抗极值驱动 中外周组织电阻抗特征参数的平均值，平均值显示模块与两次测量参数平均值计 算模块连接。

所述数据采集频率f_acq是第一电阻抗测量模块在一秒钟内所采集单频心阻 抗数据的次数。

所述心阻抗模值的极大先验值为从所述第一电阻抗测量模块在一分钟内所 采集的心阻抗数据中提取出的电阻抗模值的极大值；

所述心阻抗模值的极小先验值极为从所述第一电阻抗测量模块在一分钟内 所采集的心阻抗数据中提取出的电阻抗模值的极小值。

所述扫频测量是第二电阻抗数据采集子模块按照预设的电阻抗数据采集的 参数将N个激励信号逐个施加给目标，每施加一个激励信号，测得一组电阻抗 实部和虚部数据。

所述电阻抗频谱数据是指一次扫频测量获得的所有电阻抗数据的实部和虚 部。

所述第一接口和第二接口采用USB接口。

本发明所述的心阻抗极值驱动的外周组织电阻抗频谱特性的评估方法，采用 本发明所述的心阻抗极值驱动的外周组织电阻抗频谱特性的评估装置，所述第一 电阻抗测量模块基于上位机的控制实时动态地采集心脏附近的单频电阻抗数据， 并利用单频电阻抗数据的实部和虚部计算心阻抗模值后传输给上位机，由上位机 识别出心阻抗模值的极值，该极值包括极大值和极小值，并基于该极值控制第二 电阻抗测量模块按照设定的参数对外周组织进行电阻抗频谱数据测量，并将电阻 抗频谱数据传给上位机进行存储，上位机对所述电阻抗频谱数据进行处理得到电 阻抗特征参数，并将该电阻抗特征参数进行存储，上位机计算在心阻抗模值的极 大值和极小值两次驱动下测得电阻抗特征参数的平均值作为外周组织电阻抗频 谱特性的评估参数，并显示该评估参数。

包括以下步骤：

步骤1、第一数据采集控制模块将单频电阻抗数据采集的参数传递给第一电 阻抗测量模块，该单频电阻抗数据采集的参数包括激励电流的幅值Am、频率f1 和数据采集频率f_acq；

步骤2、第一接口接受第一数据采集控制模块的控制，将施加给目标的激励 电流的幅值Am、频率f1和数据采集频率f_acq传递给第一电阻抗数据采集子模 块，所述第一电阻抗数据采集子模块通过第一电阻抗电极将激励电流施加到被测 目标的心脏附近位置，第一电阻抗电极中的电压信号被第一电阻抗数据采集子模 块按照设定的数据采集频率采集，第一电阻抗数据采集子模块利用所采集的单频 电阻抗数据的实部和虚部计算心阻抗模值后通过第一接口发送给极值识别模块；

步骤3、极值识别模块将第一电阻抗测量模块传递过来的实测心阻抗模值与 心阻抗模值的极大或极小先验值进行比较，将差异最小的实测心阻抗模值作为心 阻抗极值，并将极值驱动标志f_drv置为真；

步骤4、极值驱动模块在极值驱动标志f_drv为真时启动第二数据采集控制 模块；

步骤5、第二数据采集控制模块将电阻抗频谱数据测量的参数传递给第二电 阻抗测量模块，该电阻抗频谱数据测量的参数包括激励电流的幅值Am、起始频 率f0、频率间隔Δf和激励次数N；

步骤6、第二接口接受第二数据采集控制模块的控制，将施加给目标的激励 电流的幅值Am、起始频率f0、频率间隔Δf和激励次数N传递给第二电阻抗数据 采集子模块，第二电阻抗数据采集子模块通过第二电阻抗电极按照扫频测量方式 将激励电流逐个施加到被测目标的肢端附近位置，第二电阻抗电极中的电压信号 被第二电阻抗数据采集子模块采集，并通过第二接口发送给数据存储模块；

步骤7、数据存储模块将第二电阻抗测量模块传递过来的一次扫频测量测得 的N个频点的电阻数据的实部和虚部分别存储于4行N列的矩阵Ma1中前两行或 后两行；

步骤8、电阻抗特征参数提取模块利用矩阵Ma1中的前两行或后两行数据作 为N个电阻抗数据的实部和虚部，将N个实部作为X变量，将N个虚部作为Y 变量，利用最小二乘法拟合出两者之间的圆弧状曲线，并计算该曲线的几何参数 得到电阻抗特征参数，该电阻抗特征参数包括R₀、R_∞、α和f_c，其中R₀代表直 流阻抗，R_∞代表频率为无穷大是的阻抗，α代表散射系数，f_c代表特征频率；

步骤9、参数存储模块将电阻抗特征参数提取模块所获得的电阻抗特征参数 存储于2行4列的矩阵Ma2中；

步骤10、两次测量参数平均值计算模块用于求心阻抗模值取极大值时所对 应的电阻抗参数与心阻抗模值取极小值时所对应的电阻抗参数的平均值；

步骤11、平均值显示模块用于显示四个电阻抗特征参数在两次心阻抗极值 驱动中外周组织电阻抗特征参数的平均值。

所述第一电阻抗电极、第二电阻抗电极采用两电极法或四电极法。

本发明具有以下优点：利用心阻抗极值来驱动外周组织电阻抗频谱特性的测 量和评估，能够确保评估结果的重复性和稳定性较佳。利用本发明对人体外周组 织(前臂)的电阻抗频谱特性进行20次重复测试和评估，四个特征参数的变异 系数(即标准差/均数)均低于0.2％。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示的心阻抗极值驱动的外周组织电阻抗频谱特性的评估装置，包括 第一电阻抗测量模块1、第二电阻抗测量模块2和上位机3。第一电阻抗测量模 块1基于上位机3的控制实时动态地采集心脏附近的单频电阻抗数据，并利用单 频电阻抗数据的实部和虚部计算心阻抗模值后传输给上位机3，由上位机3识别 出心阻抗模值的极值，该极值包括极大值和极小值，并基于该极值控制第二电阻 抗测量模块2按照设定的参数对外周组织进行电阻抗频谱数据测量，并将电阻抗 频谱数据传给上位机3进行存储，上位机3对所述电阻抗频谱数据进行处理得到 电阻抗特征参数，并将该电阻抗特征参数进行存储，上位机3计算在心阻抗模值 的极大值和极小值两次驱动下测得电阻抗特征参数的平均值作为外周组织电阻 抗频谱特性的评估参数，并显示该评估参数。

如图1所示，上位机3包括第一数据采集控制模块31、极值识别模块32、 极值驱动模块33、第二数据采集控制模块34、数据存储模块35、电阻抗特征参 数提取模块36、参数存储模块37、两次测量参数平均值计算模块38、平均值显 示模块39。

第一数据采集控制模块31将单频电阻抗数据采集的参数传递给第一电阻抗 测量模块1，该单频电阻抗数据采集的参数包括激励电流的幅值Am、频率f1和 数据采集频率f_acq，该数据采集频率f_acq是第一电阻抗测量模块1在一秒钟 内所采集单频心阻抗数据的次数，本实例中幅值Am取值1.25mA，频率f1取值 50kHz，数据采集频率f_acq取值3Hz。

第一电阻抗测量模块1包括第一电阻抗数据采集子模块12、第一接口11和 第一电阻抗电极13，第一电阻抗电极13与第一电阻抗数据采集子模块12连接， 第一电阻抗数据采集子模块12通过第一接口11与第一数据采集控制模块31连 接。本实例中，第一电阻抗测量模块1利用基于AD5933的复阻抗测量仪(Analog  Device Inc.,ADI)的快速模式实现，第一接口11采用USB接口。所述第一接口 11接受第一数据采集控制模块31的控制，将施加给目标的激励电流的幅值Am、 频率f1和数据采集频率f_acq传递给第一电阻抗数据采集子模块12，所述第一 电阻抗数据采集子模块12通过第一电阻抗电极13将激励电流施加到被测目标的 心脏附近位置，第一电阻抗电极13中的电压信号被第一电阻抗数据采集子模块 12按照设定的数据采集频率采集，第一电阻抗数据采集子模块12利用所采集的 单频电阻抗数据的实部和虚部计算出心阻抗模值后通过第一接口11发送给极值 识别模块32。

极值识别模块32将第一电阻抗测量模块1传递过来的实测心阻抗模值与心 阻抗模值的极大或极小先验值进行比较，将差异最小的实测心阻抗模值作为心阻 抗极值，并将极值驱动标志f_drv置为真，该极值识别模块32与第一接口11 连接。所述心阻抗模值的极大先验值为从所述第一电阻抗测量模块1在一分钟内 所采集的心阻抗数据中提取出的电阻抗模值的极大值。所述心阻抗模值的极小先 验值极为从所述第一电阻抗测量模块1在一分钟内所采集的心阻抗数据中提取 出的电阻抗模值的极小值。

极值驱动模块33在极值驱动标志f_drv为真时启动第二数据采集控制模块 34，该极值驱动模块33与极值识别模块32连接。

第二数据采集控制模块34将电阻抗频谱数据测量的参数传递给第二电阻抗 测量模块2，该电阻抗频谱数据测量的参数包括激励电流的幅值Am、起始频率 f0、频率间隔Δf和激励次数N。本实例中幅值Am取值1.25mA，起始频率f0取 值1kHz，频率间隔Δf取值1kHz，激励次数N取值100。

第二电阻抗测量模块2包括第二电阻抗数据采集子模块22、第二接口21和 第二电阻抗电极23；第二电阻抗电极23与第二电阻抗数据采集子模块22连接， 第二电阻抗数据采集子模块22通过第二接口21分别与第二数据采集控制模块 34连接。本实例中，第二电阻抗测量模块2利用AD5933的复阻抗测量仪(Analog  Device Inc.,ADI)的正常模式实现，第二接口21采用USB接口。第二接口21 接受第二数据采集控制模块34的控制，将施加给目标的激励电流的幅值Am、起 始频率f0、频率间隔Δf和激励次数N传递给第二电阻抗数据采集子模块22，第 二电阻抗数据采集子模块22通过第二电阻抗电极23按照扫频测量方式(即上述 正常模式)将激励电流逐个施加到被测目标的肢端附近位置，所述扫频测量是第 二电阻抗数据采集子模块22按照预设的电阻抗数据采集的参数将N个(本实例 中N取值100)激励信号逐个施加给目标，每施加一个激励信号，测得一组电阻 抗实部和虚部数据。第二电阻抗电极23中的电压信号被第二电阻抗数据采集子 模块22采集，并通过第二接口21发送给数据存储模块35。

第一电阻抗电极13是第一电阻抗测量模块1向被测目标施加激励电流信号 和采集响应电压信号的传感器。第二电极阻抗23是第二电阻抗测量模块2向被 测目标施加激励电流信号和采集响应电压信号的传感器。第一电阻抗电极13和 第二电极阻抗23可以基于两电极法或四电极法分配电极的功能，两电极法有两 个电极既作为激励电极又作为测量电极，四电极法有四个电极，位于外侧的两个 电极作为激励电极，而位于内侧两个电极作为测量电极。本实例中的第一电阻抗 测量模块1和第二电阻抗测量模块2均采用两电极法。第一电阻抗电极13和第 二电极阻抗23均由摁扣式心电电极线和两片一次性心电电极组成，其中电极线 的摁扣端与一次性心电电极片连接，另外一端与AD5933复阻抗测量仪的一个测 量端口接线柱连接，组成了电阻抗测量模块。第一电阻抗电极13的两个电极贴 于胸骨外的皮肤上，它们的位置分别位于颈根到剑突的线段中点往上或往下5cm。 第二电极阻抗23的两个电极贴于上臂中段的皮肤上，两个电极中心连线长4cm， 线段的中点位于前臂的中点。

数据存储模块35将第二电阻抗测量模块2传递过来的一次扫频测量测得的 N个频点的电阻数据的实部和虚部分别存储于4行N列(N为100)的矩阵Ma1 中前两行或后两行，该数据存储模块35与第二接口21连接。

电阻抗特征参数提取模块36利用矩阵Ma1中的前两行或后两行数据作为N 个(N为100)电阻抗数据的实部和虚部，将N个实部作为X变量，将N个虚部 作为Y变量，利用最小二乘法拟合出两者之间的圆弧状曲线，并计算该曲线的几 何参数得到电阻抗特征参数，该电阻抗特征参数包括R₀、R_∞、α和f_c，其中，R₀代 表直流阻抗，R_∞代表频率无穷大时的阻抗，α代表散射因子，f_c代表特征频率， 该电阻抗特征参数提取模块36与数据存储模块35连接。

参数存储模块37将电阻抗特征参数提取模块36所获得的电阻抗特征参数存 储于2行4列的矩阵Ma2中，该参数存储模块37与电阻抗特征参数提取模块36 连接。

两次测量参数平均值计算模块38用于求心阻抗模值取极大值时所对应的电 阻抗参数与心阻抗模值取极小值时所对应的电阻抗参数的平均值，该两次测量参 数平均值计算模块38与参数存储模块37连接。

平均值显示模块39用于显示四个电阻抗特征参数在两次心阻抗极值驱动中 外周组织电阻抗特征参数的平均值，平均值显示模块39与两次测量参数平均值 计算模块38连接。

本发明所述的心阻抗极值驱动的外周组织电阻抗频谱特性的评估方法，采用 本发明所述的心阻抗极值驱动的外周组织电阻抗频谱特性的评估装置，第一电阻 抗测量模块1基于上位机3的控制实时动态地采集心脏附近的单频电阻抗数据， 并利用单频电阻抗数据的实部和虚部计算心阻抗模值后传输给上位机3，由上位 机3识别出心阻抗模值的极值，该极值包括极大值和极小值，并基于该极值控制 第二电阻抗测量模块2按照设定的参数对外周组织进行电阻抗频谱数据测量，并 将电阻抗频谱数据传给上位机3进行存储，上位机3对所述电阻抗频谱数据进行 处理得到电阻抗特征参数，并将该电阻抗特征参数进行存储，上位机3计算在心 阻抗模值的极大值和极小值两次驱动下测得电阻抗特征参数的平均值作为外周 组织电阻抗频谱特性的评估参数，并显示该评估参数。

如图2所示，本发明所述的心阻抗极值驱动的外周组织电阻抗频谱特性的评 估方法，具体包括以下步骤：

步骤1、第一数据采集控制模块31将单频电阻抗数据采集的参数传递给第 一电阻抗测量模块1，该单频电阻抗数据采集的参数包括激励电流的幅值Am、频 率f1和数据采集频率f_acq。

步骤2、第一接口11接受第一数据采集控制模块31的控制，将施加给目标 的激励电流的幅值Am、频率f1和数据采集频率f_acq传递给第一电阻抗数据采 集子模块12，所述第一电阻抗数据采集子模块12通过第一电阻抗电极13将激 励电流施加到被测目标的心脏附近位置，第一电阻抗电极13中的电压信号被第 一电阻抗数据采集子模块12按照设定的数据采集频率采集，第一电阻抗数据采 集子模块12第一电阻抗数据采集子模块12利用所采集的单频电阻抗数据的实部 和虚部计算出心阻抗模值后通过第一接口11发送给极值识别模块32。

步骤3、极值识别模块32将第一电阻抗测量模块1传递过来的实测心阻抗 模值与心阻抗模值的极大或极小先验值进行比较，将差异最小的实测心阻抗模值 作为心阻抗极值，并将极值驱动标志f_drv置为真。

步骤4、极值驱动模块33在极值驱动标志f_drv为真时启动第二数据采集 控制模块34。

步骤5、第二数据采集控制模块34将电阻抗频谱数据测量的参数传递给第 二电阻抗测量模块2，该电阻抗频谱数据测量的参数包括激励电流的幅值Am、起 始频率f0、频率间隔Δf和激励次数N。

步骤6、第二接口21接受第二数据采集控制模块34的控制，将施加给目标 的激励电流的幅值Am、起始频率f0、频率间隔Δf和激励次数N传递给第二电阻 抗数据采集子模块22，第二电阻抗数据采集子模块22通过第二电阻抗电极23 按照扫频测量方式将激励电流逐个施加到被测目标的肢端附近位置，第二电阻抗 电极23中的电压信号被第二电阻抗数据采集子模块22采集，并通过第二接口 21发送给数据存储模块35。

步骤7、数据存储模块35将第二电阻抗测量模块2传递过来的一次扫频测 量测得的N个频点的电阻数据的实部和虚部分别存储于4行N列的矩阵Ma1中前 两行或后两行。

步骤8、电阻抗特征参数提取模块36利用矩阵Ma1中的前两行或后两行数 据作为N个电阻抗数据的实部和虚部，将N个实部作为X变量，将N个虚部作为 Y变量，利用最小二乘法拟合出两者之间的圆弧状曲线，并计算该曲线的几何参 数得到电阻抗特征参数，该电阻抗特征参数包括R₀、R_∞、α和f_c，其中，R₀代 表直流阻抗，R_∞代表频率为无穷大时的阻抗，α代表散射因子，f_c代表特征频 率。

步骤9、参数存储模块37将电阻抗特征参数提取模块36所获得的电阻抗特 征参数存储于2行4列的矩阵Ma2中。

步骤10、两次测量参数平均值计算模块38用于求心阻抗模值取极大值时所 对应的电阻抗参数与心阻抗模值取极小值时所对应的电阻抗参数的平均值。

步骤11、平均值显示模块39用于显示四个电阻抗特征参数在两次心阻抗极 值驱动中外周组织电阻抗特征参数的平均值。

所述第一电阻抗电极13、第二电阻抗电极23采用两电极法或四电极法。

以一健康志愿者为测量对象，利用本发明方法的实施例对其外周电阻抗频谱 特性的进行20次重复评估，四个特征参数的变异系数(即标准差/均数)均低于 0.2％。