朱晗琦，馬藝馨，苗櫪文

（上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

一種人體阻抗測量模塊的自校準方法

朱晗琦，馬藝馨，苗櫪文

（上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

為了減小系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)的測量準確度，本文提出了一種人體阻抗測量模塊自校準方法。該方法基于系統(tǒng)測量結果的線性度，在系統(tǒng)初始化后，通過對系統(tǒng)內部自帶電阻網絡的測量得到系統(tǒng)對被測電阻的測量值，再結合系統(tǒng)內部已存的被測電阻真實值，采用最小二乘法擬合出被測電阻測量值與真實值關系直線，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)阻抗的解調算法中，實現(xiàn)自校準。實際測試表明，該方法操作便捷，有效提高系統(tǒng)的測量準確度，具有較強的實用價值和借鑒意義。

生物電阻抗；人體阻抗測量；最小二乘法；自校準；線性校正參數(shù)

生物電阻抗技術[1-2]是一種基于生物組織電特性的無損傷檢測技術，在臨床疾病診斷、病理檢測、呼吸過程監(jiān)測、人體成分分析等領域都有廣泛的應用或者應用研究?；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、器官具有不同構成和不同組成成分的特點，獲取人體的阻抗信息，再從中得出與人體生理、病理相關的信息，可對身體狀況的檢測和相關疾病的研究起到輔助作用。然而在實際工作過程中，存在一定的系統(tǒng)誤差和外部環(huán)境導致的測量誤差，人體阻抗測量系統(tǒng)不能達到理想的線性，導致最終測量值與真實值存在偏差。為了保證在現(xiàn)有工作環(huán)境中測量系統(tǒng)的測量準確度，需要在其工作過程中進行校準?，F(xiàn)有的對人體阻抗測量系統(tǒng)的校準方式大多需要外部測量設備的輔助[3]，或者需要提前借助計算機獲取校準參數(shù)[4]。這些校準方法雖然能獲得極高的測量準確度，但提高了系統(tǒng)生產成本、人力投入，不能根據(jù)工作條件實時校正系統(tǒng)漂移和誤差，因而在生物電阻抗測量設備產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方法前，存在測量所得電阻值比真實值（認為高精度LCR測試表測得電阻值為真實值）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)的自校準方法。

1 人體阻抗測量系統(tǒng)

一個小型人體阻抗測量系統(tǒng)可以是包含至少4個電極的電阻抗探針[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、兩個上肢和兩個下肢視為5個理想圓柱體，每個圓柱體內電阻率相同，4個激勵電極和4個測量電極布置于人體表面進行電阻抗信息采集，測量模塊系統(tǒng)結構圖如圖 1所示。電壓控制電流源 （Voltage Controlled Current Source，VCCS）輸出兩路差分的激勵信號，分別經過信號切換模塊進入被測對象。再利用另外兩處采集得到被測對象的響應電壓信號，經過信號放大電路后進入ADC轉換成數(shù)字信號后進入微控制器。通過微控制器對所得信號解調計算等出被測網絡的阻抗信息。

圖1 人體阻抗測量模塊系統(tǒng)結構圖

2 誤差來源分析

理想的情況下，微控制器解調所得電壓和加載在被測對象兩端的電壓應該相等。但被測網絡對激勵信號的響應電壓在進入微處理器前需要經過信號切換電路、信號放大電路和A/D轉換器。這些電路會造成響應電壓信號的壓降，即微處理器解調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，模擬開關具有的導通電阻和分布電容[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轉換器在模擬信號轉換為數(shù)字量過程中又引入轉換誤差[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 測量結果線性度驗證

分段測量法中人體5個節(jié)段阻值主要分布在10Ω到600Ω[14]。故使用阻值可調的滑動變阻器參照分段測量法中人體5個節(jié)段的結構組成被測網絡，實現(xiàn)對測量系統(tǒng)在此范圍內的測量結果的線性度的驗證。被測電阻使用高精度LCR測試表對滑動變阻器的阻值進行測量，測量準確度達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個周期，每周期采樣40個點，對測量結果解調獲得測量阻值。為了驗證系統(tǒng)測量結果的線性度，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，兩個測量范圍采用不同的信號放大倍數(shù)。相應的理論值和測量值結果對比見表1。繪制出的對應關系圖和最小二乘法[15]獲得的擬合直線見圖2。對實驗結果的最小二乘擬合優(yōu)度使用R2來評價，在僅一個自變量的情況中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值有偏差，但是兩者之間線性相關性強，故用線性參數(shù)在測量值解調過程中對阻值進行校正是可行的。

表1 兩段測量范圍的理論值和真實值比較

圖2 測量值與真實值對應關系圖

4 自校準方案設計

為了能夠在每次測量前實現(xiàn)自校準，人體阻抗測量系統(tǒng)中將加入內部校準電阻網絡。電阻網絡設計參數(shù)如圖3所示。當測量系統(tǒng)上電初始化完成后，信號將首先切換入內部校準網絡。通過模擬開關實現(xiàn)對激勵和測量響應通道的切換，兩個電阻網絡可以實現(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電阻進行測量。如此設計，使得各個放大倍數(shù)的工作范圍都可很好覆蓋。通過一個電阻網絡可以實現(xiàn)在各個工作范圍內對多個阻值的測量，提高所獲得線性校準系數(shù)的準確性。

圖3 內部校準電阻網絡

圖4 自校準程序流程圖

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

5 實驗應用與結果分析

在5 kHz激勵頻率下，使用自校準程序對兩種不同放大倍數(shù)對應的兩段測量范圍進行了5組不同阻值的測量，依次輸出校準前后測量值。測量結果見表2。對10 Ω到100 Ω的電阻，校準前最大相對誤差[19]達到7.77%，校準后最大相對誤差僅為3.89%。對于100 Ω到600 Ω范圍內的電阻，校準前最大相對誤差為2.38%，校準后減小到1.17%。

表2 兩段測量范圍的校準前后測量值和真實值比較

6 結束語

為了減少人體阻抗測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差對測量結果準確度的影響，文中提出了一種自校準方法。自校準方法基于測量系統(tǒng)的高線性度，在系統(tǒng)電路中加入了一個內部校準電阻網絡，對工作范圍進行分段測量和校準。校準參數(shù)由系統(tǒng)內微處理器使用最小二乘法擬合內部校準網絡被測電阻測量值和真實值關系直線獲得。同時加入對校準參數(shù)的檢驗，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絡進行測量。該自校準方法充分利用系統(tǒng)已有電路，無需借助外部校準設備，保證了測量系統(tǒng)高性能地工作。當人體阻抗測量模塊工作頻率為5 kHz時，校準前后結果對比表明該自校準方法確實簡單有效。

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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。