基于生物电阻抗技术的肺功能检测方法与系统研究

来源 :重庆大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gift19852003
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生物电阻抗技术是利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况的生物医学信息的检测技术。生物电阻抗技术具备安全、非侵入性、廉价和可持续在线监测的特点,是一种优良的检测技术。肺部生理活动引发胸部生物电阻抗变化明显,将生物电阻抗技术应用于肺部生理活动检查一直是研究热点。本文基于生物电阻抗技术,对肺功能检测方法与系统进行了研究,主要工作内容如下:(1)通过对生物电阻抗技术理论基础的介绍,对生物电阻抗的特点进行了分析。通过对肺功能测量的基础知识的介绍与分析,确定了胸部生物电阻抗变化值与肺部空气变化量之间存在关系,且该关系是实现基于生物电阻抗技术的肺功能参数测量与计算的关键。(2)对生物电阻抗技术的数学物理模型进行了简要分析,利用有限元分析软件MAXWELL建立了胸部生物电阻抗仿真模型。通过修改代表肺部空气量的参数,从仿真角度确认了肺部空气变化量与胸部生物电阻抗变化值之间存在正相关关系。(3)根据生物电阻抗测量的特点与要求,完成了系统硬件设计。通过对恒流源模块、开关阵列模块、电压与电流采集模块和通信模块这几个关键模块的分析对硬件设计进行了介绍。硬件电路设计完成之后,根据系统硬件特点与测量需求,完成了软件设计。通过对ARM端、FPGA端和PC端软件结构与流程的分析对软件设计进行了介绍。完成软硬件设计和制作之后,本文系统实现了基于四电极法的多频多通道生物电阻抗测量,且PC机可以通过串口获取胸部生物电阻抗值与计算肺功能参数。(4)通过对阻容网络的测量实验,对测量系统进行校准并确定了电阻抗测量系统性能,在50kHz激励情况下系统能够实现精度高于1%的电阻抗测量。通过对单体进行重复性与定量实验,从实验的角度确定了胸部生物电阻抗变化值与肺部空气变化量存在关系,通过胸部生物电阻抗变化值可以计算肺部气量。为了解决胸部生物电阻抗变化值与肺部空气量关系的个体差异问题,本文通过30人实验进行了研究,确认了胸围是个体差异的显著相关因素。在考虑胸围这一因素建立计算模型后,本文最终实现了基于胸部生物电阻抗变化值对FVC(用力肺活量)和FEV1(一秒用力呼气容积)参数的计算,实验证明本文方法与标准方法具有较好的一致性,最终测量精度约为25%。
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