经穴多频阻抗测试系统设计、建模及应用研究

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人体经络穴位是针灸按摩等中医疗法的通常作用点。然而至今,经络穴位的本质特性仍然琢磨不定,影响中医相关疗法的诊治效果。生物阻抗检测技术是常用有效的人体组织生理病理信息检测手段,也是人们用来研究经络穴位特性的重要方法。基于阻抗法的经络特性初步研究表明穴位具有低阻等电特性,特别是有实验发现人体双侧同名穴的阻抗差异值与人体脏腑生理病理存在相互关联的电特性。这个发现与“经穴-脏腑存在相互关联”等经络理论重要观点相吻合,但是没有得到最终确认。围绕进一步确认与应用经穴这个电特性的课题,本论文从以下几个方面展开了研究和创新:1.设计了一种新的双侧经穴两路多频阻抗同步测试系统。测试系统包括:(1)五电极前端传感器组,其中的两个电极用于双侧经穴的同步同等激励,其他三个电极用于响应信号的同步传感;这五电极组为双侧穴位阻抗同步检测提供前提条件;(2)基于PC机的时域信号测试平台,包括任意电流波形生成模块以及三路信号(一路为激励电流信号,两路为响应电压信号)同步采集模块;(3)基于特殊奇次谐波信号叠加的周期信号激励且含有通道增益偏差补尝以及随机噪声滤除的多频阻抗无偏计算方法;(4)基于MATLAB的信号采集的软件平台。RC电路测试,以及实际人体测试结果表明本测试系统精度高,可以实现双侧经穴多频阻抗的同步测试,测试阻抗频率范围至少在10 Hz~60 kHz之间,所获的双侧经穴阻抗可比性高。2.提出一种新的Cole-Cole(CC)模型时间常数/特征频率的稳健算法。首先采用圆的拟合方法求出CC模型的0R,R?,?三个参数。然后再优化该文提出的简化的全体实部误差累加的平方的指标函数(只有?为自变量,被该文证明只有唯一极值点),从而实现时间常数?求解。仿真数据与实测数据的拟合结果表明,与其他方法相比,本文方法?的求解结果兼具高精度与稳健性的优点。3.为了进一步提高同元次分数阶模型的辨识精度与可靠性,提出一种具有稳定约束的可分离非线性最小二乘法(SC-SNLS)来优化频域均方误差指标函数。模型中线性参数与非线性参数分别用最小二乘法与Levenberg-Marquardt(LM)法来交替迭代估计。通过对线性参数估计值的扰动分析,揭示了优化算法的4种不稳定因素,并在迭代中加以约束与处理,从而增强优化算法的稳定性与收敛性。仿真数据与实测数据的拟合结果表明,该辨识算法性能优于相关的算法,具有更高的辨识精度与收敛速度。该辨识方法还成功用于基于模型的多通道测试系统精度验证。4.从生物阻抗常用的四种模型(包含整数阶与分数阶模型)中选出更适合描述穴位阻抗的模型并对该模型展开应用研究。文章指出传统整数阶模型定阶方法不适用于含有整数阶与分数阶模型组的定阶问题;针对这个问题,文章提出了相应的两条模型选择原则,其优先级从高到低如下:(1)排除不容易用电路进行等效的模型;(2)检测残差是否有明显的下降,有则选残差小的,否则选阶数小的,阶数相同的选整数阶的模型。根据文章选择原则,以及多组数据的统计分析表明,二阶整数阶模型为更适合描述穴位阻抗的模型。对比了双侧太溪穴二阶整数阶模型的参数的差异,泌尿系统患者比健康者双侧参数差异明显变大,特别是第一特征频率差异加大尤为明显。这个统计规律有望为经络相关疾病诊断提供更多更可靠的指导。
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