一種人體阻抗測量模塊的自校準(zhǔn)方法

朱晗琦，馬藝馨，苗櫪文

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

一種人體阻抗測量模塊的自校準(zhǔn)方法

朱晗琦，馬藝馨，苗櫪文

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

為了減小系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，本文提出了一種人體阻抗測量模塊自校準(zhǔn)方法。該方法基于系統(tǒng)測量結(jié)果的線性度，在系統(tǒng)初始化后，通過對系統(tǒng)內(nèi)部自帶電阻網(wǎng)絡(luò)的測量得到系統(tǒng)對被測電阻的測量值，再結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)部已存的被測電阻真實(shí)值，采用最小二乘法擬合出被測電阻測量值與真實(shí)值關(guān)系直線，獲取系統(tǒng)誤差的線性校正參數(shù)，并將參數(shù)用于后續(xù)阻抗的解調(diào)算法中，實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)。實(shí)際測試表明，該方法操作便捷，有效提高系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和借鑒意義。

生物電阻抗；人體阻抗測量；最小二乘法；自校準(zhǔn)；線性校正參數(shù)

生物電阻抗技術(shù)[1-2]是一種基于生物組織電特性的無損傷檢測技術(shù)，在臨床疾病診斷、病理檢測、呼吸過程監(jiān)測、人體成分分析等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用或者應(yīng)用研究?；谏镫娮杩沟娜梭w阻抗測量系統(tǒng)依據(jù)人體不同的組織、器官具有不同構(gòu)成和不同組成成分的特點(diǎn)，獲取人體的阻抗信息，再從中得出與人體生理、病理相關(guān)的信息，可對身體狀況的檢測和相關(guān)疾病的研究起到輔助作用。然而在實(shí)際工作過程中，存在一定的系統(tǒng)誤差和外部環(huán)境導(dǎo)致的測量誤差，人體阻抗測量系統(tǒng)不能達(dá)到理想的線性，導(dǎo)致最終測量值與真實(shí)值存在偏差。為了保證在現(xiàn)有工作環(huán)境中測量系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，需要在其工作過程中進(jìn)行校準(zhǔn)。現(xiàn)有的對人體阻抗測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方式大多需要外部測量設(shè)備的輔助[3]，或者需要提前借助計(jì)算機(jī)獲取校準(zhǔn)參數(shù)[4]。這些校準(zhǔn)方法雖然能獲得極高的測量準(zhǔn)確度，但提高了系統(tǒng)生產(chǎn)成本、人力投入，不能根據(jù)工作條件實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)漂移和誤差，因而在生物電阻抗測量設(shè)備產(chǎn)品中普及具有較高難度。

文中所使用的人體阻抗測量模塊在采用校準(zhǔn)方法前，存在測量所得電阻值比真實(shí)值（認(rèn)為高精度LCR測試表測得電阻值為真實(shí)值）偏小的情況。為了減小測量誤差，保證儀器高性能穩(wěn)定工作，文中提出了一種人體阻抗測量系統(tǒng)的自校準(zhǔn)方法。

1 人體阻抗測量系統(tǒng)

一個(gè)小型人體阻抗測量系統(tǒng)可以是包含至少4個(gè)電極的電阻抗探針[5]，包含八電極的人體成分分析系統(tǒng)[6]，包含十六或三十二電極的電阻抗成像系統(tǒng)[7-8]，可以獲得精確的人體成分信息。文中的人體阻抗測量系統(tǒng)采用八電極分段測量法[9]：將人體的軀干、兩個(gè)上肢和兩個(gè)下肢視為5個(gè)理想圓柱體，每個(gè)圓柱體內(nèi)電阻率相同，4個(gè)激勵(lì)電極和4個(gè)測量電極布置于人體表面進(jìn)行電阻抗信息采集，測量模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。電壓控制電流源 （Voltage Controlled Current Source，VCCS）輸出兩路差分的激勵(lì)信號，分別經(jīng)過信號切換模塊進(jìn)入被測對象。再利用另外兩處采集得到被測對象的響應(yīng)電壓信號，經(jīng)過信號放大電路后進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后進(jìn)入微控制器。通過微控制器對所得信號解調(diào)計(jì)算等出被測網(wǎng)絡(luò)的阻抗信息。

圖1 人體阻抗測量模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 誤差來源分析

理想的情況下，微控制器解調(diào)所得電壓和加載在被測對象兩端的電壓應(yīng)該相等。但被測網(wǎng)絡(luò)對激勵(lì)信號的響應(yīng)電壓在進(jìn)入微處理器前需要經(jīng)過信號切換電路、信號放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器。這些電路會造成響應(yīng)電壓信號的壓降，即微處理器解調(diào)所得的電壓幅值小于被測對象兩端的電壓。如信號切換電路中，模擬開關(guān)具有的導(dǎo)通電阻和分布電容[10]。信號放大電路部分，可編程增益放大器的放大倍數(shù)不完全精確引入的增益誤差。A/D轉(zhuǎn)換器在模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量過程中又引入轉(zhuǎn)換誤差[11]。以及系統(tǒng)工作環(huán)境中可能存在的溫度偏移誤差等[12-13]。

3 測量結(jié)果線性度驗(yàn)證

分段測量法中人體5個(gè)節(jié)段阻值主要分布在10Ω到600Ω[14]。故使用阻值可調(diào)的滑動變阻器參照分段測量法中人體5個(gè)節(jié)段的結(jié)構(gòu)組成被測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對測量系統(tǒng)在此范圍內(nèi)的測量結(jié)果的線性度的驗(yàn)證。被測電阻使用高精度LCR測試表對滑動變阻器的阻值進(jìn)行測量，測量準(zhǔn)確度達(dá)0.2%，將測得的阻值定義為滑動變阻器的理論值。系統(tǒng)測量模式為：系統(tǒng)工作在5 kHz頻率下，采樣20個(gè)周期，每周期采樣40個(gè)點(diǎn)，對測量結(jié)果解調(diào)獲得測量阻值。為了驗(yàn)證系統(tǒng)測量結(jié)果的線性度，我們根據(jù)使用放大倍數(shù)的不同將測量范圍分為兩段：10 Ω到100 Ω和100 Ω到600 Ω，兩個(gè)測量范圍采用不同的信號放大倍數(shù)。相應(yīng)的理論值和測量值結(jié)果對比見表1。繪制出的對應(yīng)關(guān)系圖和最小二乘法[15]獲得的擬合直線見圖2。對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最小二乘擬合優(yōu)度使用R2來評價(jià)，在僅一個(gè)自變量的情況中R2越接近1表明直線對樣本數(shù)據(jù)擬合得越好[16-18]。由兩條擬合直線的R2分別為1和0.999 9可以推斷：雖然測量值較之真實(shí)值有偏差，但是兩者之間線性相關(guān)性強(qiáng)，故用線性參數(shù)在測量值解調(diào)過程中對阻值進(jìn)行校正是可行的。

表1 兩段測量范圍的理論值和真實(shí)值比較

圖2 測量值與真實(shí)值對應(yīng)關(guān)系圖

4 自校準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)

為了能夠在每次測量前實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)，人體阻抗測量系統(tǒng)中將加入內(nèi)部校準(zhǔn)電阻網(wǎng)絡(luò)。電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)參數(shù)如圖3所示。當(dāng)測量系統(tǒng)上電初始化完成后，信號將首先切換入內(nèi)部校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。通過模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)對激勵(lì)和測量響應(yīng)通道的切換，兩個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)值分別為 10 Ω，100 Ω，110 Ω，390 Ω，400 Ω，500 Ω的電阻值測量。高放大倍數(shù)電壓測量通道對10 Ω，100 Ω，110 Ω三電阻進(jìn)行測量。低放大倍數(shù)的則對100 Ω，110 Ω，390 Ω，400 Ω，500 Ω 5電阻進(jìn)行測量。如此設(shè)計(jì)，使得各個(gè)放大倍數(shù)的工作范圍都可很好覆蓋。通過一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)在各個(gè)工作范圍內(nèi)對多個(gè)阻值的測量，提高所獲得線性校準(zhǔn)系數(shù)的準(zhǔn)確性。

圖3 內(nèi)部校準(zhǔn)電阻網(wǎng)絡(luò)

圖4 自校準(zhǔn)程序流程圖

自校準(zhǔn)程序流程如圖4所示，自校準(zhǔn)程序中將對所得的兩組校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)校準(zhǔn)參數(shù)過大或過小超過了系統(tǒng)誤差可接受的極限時(shí)，表明系統(tǒng)未在正常工作狀態(tài)，將不會進(jìn)入測量子程序。控制器控制系統(tǒng)復(fù)位，復(fù)位后重新檢驗(yàn)，若校準(zhǔn)參數(shù)合格，則進(jìn)入測量子程序，根據(jù)被測對象阻值選擇放大倍數(shù)選用相應(yīng)的校準(zhǔn)參數(shù)。

5 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用與結(jié)果分析

在5 kHz激勵(lì)頻率下，使用自校準(zhǔn)程序?qū)煞N不同放大倍數(shù)對應(yīng)的兩段測量范圍進(jìn)行了5組不同阻值的測量，依次輸出校準(zhǔn)前后測量值。測量結(jié)果見表2。對10 Ω到100 Ω的電阻，校準(zhǔn)前最大相對誤差[19]達(dá)到7.77%，校準(zhǔn)后最大相對誤差僅為3.89%。對于100 Ω到600 Ω范圍內(nèi)的電阻，校準(zhǔn)前最大相對誤差為2.38%，校準(zhǔn)后減小到1.17%。

表2 兩段測量范圍的校準(zhǔn)前后測量值和真實(shí)值比較

6 結(jié)束語

為了減少人體阻抗測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差對測量結(jié)果準(zhǔn)確度的影響，文中提出了一種自校準(zhǔn)方法。自校準(zhǔn)方法基于測量系統(tǒng)的高線性度，在系統(tǒng)電路中加入了一個(gè)內(nèi)部校準(zhǔn)電阻網(wǎng)絡(luò)，對工作范圍進(jìn)行分段測量和校準(zhǔn)。校準(zhǔn)參數(shù)由系統(tǒng)內(nèi)微處理器使用最小二乘法擬合內(nèi)部校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)被測電阻測量值和真實(shí)值關(guān)系直線獲得。同時(shí)加入對校準(zhǔn)參數(shù)的檢驗(yàn)，能夠保證測量系統(tǒng)僅在正常工作的情況下對外部被測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測量。該自校準(zhǔn)方法充分利用系統(tǒng)已有電路，無需借助外部校準(zhǔn)設(shè)備，保證了測量系統(tǒng)高性能地工作。當(dāng)人體阻抗測量模塊工作頻率為5 kHz時(shí)，校準(zhǔn)前后結(jié)果對比表明該自校準(zhǔn)方法確實(shí)簡單有效。

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An auto calibration method of human body impedance measurement system

ZHU Han-qi，MA Yi-xin，MIAO Li-wen
（School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

In order to minimize the system error and improve the accuracy，an auto calibration method of the human body impedance measurement system based on bioelectrical impedance analysis is put forward in this paper.Considering the linearity of the measuring result，the system measures inner resistance networks after initialization and does linear regression between measured values and real values with least square method to get calibration coefficients.The system will then automatically take the calibration coefficients to calculate the measured resistances，which realizes the auto calibration of the whole system.And according to the experiment result，this method is easy to realize and effective，which has certain application and reference value.

bioelectrical impedance analysis；human body impedance measurement；least square method；auto calibration；linear calibration coefficients

TN98

A

1674－6236（2016）23-0130-03

2015-12-14稿件編號：201512146

朱晗琦（1991—），女，湖南郴州人，碩士研究生。研究方向：生物電阻抗技術(shù)。