基于系统相关辨识的生物阻抗谱快速测量方法研究

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生物电阻抗谱(BIS)测量方法从最初的单频测量向多频测量转变,使BIS测量的精度、效率、范围得到了很大的提高,但是研究生理系统的动态特征(如呼吸、心跳等)对BIS测量的速度和抗干扰能力提出了更高的要求。为此,本文提出一种基于系统相关辨识的BIS快速测量方法。本文主要研究内容包括以下几个部分:1.首先研究了m序列的基本性质。本文从m序列的产生原理开始,分别介绍了其基本性质(周期性、二值性、平衡性)、自相关函数、功率谱、抗干扰能力等特性及优点,从而证明m序列是生物阻抗测量中良好的激励信号。2.研究了相关辨识的基本原理和变换方法,通过对基本系统输入输出信号的推导,得到了一般系统冲激函数的求解方法,并在上述的基础上介绍了快速m序列变换。3.针对生物阻抗测量系统的特点,提出了基于m序列激励与相关辨识原理的BIS测量方法,该方法充分利用了过采样方法的优点,提高了计算精度;为了减少不必要的频谱计算,本文利用Chirp Z变换的优势,从而完成了多数据少频谱输出的计算,并利用matlab对上述理论算法进行了仿真验证,得到了在不同条件下(序列长度、采样率)的误差。4.设计了基于系统相关辨识的BIS测量硬件平台,以FPGA+ARM为核心,设计了激励信号、VCCS、模拟前端、双通道同步采集、高速缓存等模块。该硬件系统可以完成从激励信号的产生、采集、存储和处理工作,从而快速完成BIS测量工作。5.利用构建的硬件系统对生物阻抗模型(RC三元件)进行实验,完成了不同条件下生物阻抗测量模型的实验,并对测量数据进行了误差分析,通过校正得到了较为系统测量结果,测量误差保持在阻值4%、相位2°以内。本文充分利用m序列伪随机信号的特点,设计并实现了一种基于系统相关辨识的BIS测量仪器,能够在1ms时间内完成1023个频率点的测量,为BIS的快速测量提供了一种新的思路,具有重要的参考价值。
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