一种基于无线网络传输方式的多目标生物电阻抗监测系统

1.一种基于无线网络传输方式的多目标生物电阻抗监测系统，包括多个生物电阻抗测量单元，其特征在于，还包括有无线中继器和主控计算机，所述的阻抗测量单元和无线中继器上设置有无线通讯模块，采用三层结构通讯协议以无线星型拓扑结构的方式将各个生物电阻抗测量单元和主控计算机建立无线网络，该无线网络同生物电阻抗测量单元的多个测量目标一对一或一对多的通讯，以控制多个生物电阻抗测量单元进行特定区域内的多个目标电阻抗的实时监测；其中，生物电阻抗测量单元的无线通讯模块用以接收主控计算机的指令和上传电阻抗测量结果；主控计算机用于实现无线通讯网络的建立、电阻抗监测参数控制、测量数据的收集、显示与保存；无线中继器通过串行接口Uart、USB或以太网接口方式与主控计算机进行通讯；
所述生物电阻抗测量单元采用生物电阻抗Cole模型特征参数提取计算方法，快速提取被测组织的电阻抗频谱特征，不仅可以作为数据终端向主控计算机提供数据，还可以实现桥联中继功能，即可接受其他远离无线中继器的其它生物电阻抗测量单元的数据，并经无线网络上传至主控计算机；
所述无线网络分别为硬件层、逻辑层和应用层，其中：
硬件层是整个协议的最低层，直接接触硬件，主要负责MCU和射频芯片的I/O定义、中断初始化；
逻辑层负责定义无线传输过程中的数据发送方式、通讯过程中错误处理机制，在逻辑层中还为设备定义了唯一的硬件识别码，用作在信息网络中的身份识别；
应用层是建立在硬件层和逻辑层基础上，根据实际运用需要，封装的一系列API函数，提供实际无线连接时的常用功能，即请求IP、接受数据、发送数据、唤醒休眠；
所述的生物电阻抗测量单元主要由低功耗的无线通讯模块、微处理器、阻抗测量模块和电池管理模块四部分构成；其中：无线通讯模块负责对无线射频信号调制与解调；阻抗测量模块负责阻抗的实施采集；微处理器负责管理无线通讯、协调阻抗测量和计算电阻抗频谱特性参数；电池管理模块为整个硬件提供电力支持；
无线中继器与生物电阻抗测量单元的通讯是采用无线中继器主叫、生物电阻抗测量单元被叫的方式进行；生物电阻抗测量单元的无线模块平时处于休眠状态，在连续阻抗检测模式中，生物电阻抗测量单元持续工作，将所测得的数据存储起来，当无线中继器向生物电阻抗测量单元发送读取数据的请求时，生物电阻抗测量单元激活无线通讯模块，将存储区内的数据上传无线中继器后，清空缓存，为下一次传输做准备；无线中继器通过这种循环往复的遍历通讯队列中注册的所有生物电阻抗测量单元，实现多目标生物电阻抗测量单元监测；
主控计算机通过串行总线启动无线中继器，无线中继器初始化工作频段、网络地址各项网络配置；初始化结束后无线中继进入侦听状态，等待阻抗测量单元加入；
生物电阻抗测量单元接入网络时，首先会向无线中继器发送连接网络请求，无线中继器得到生物电阻抗测量单元连接申请后，注册该生物电阻抗测量单元并为其自动分配一个“动态连接地址”，完成无线网络建立；
当主控计算机需要启动某一生物电阻抗测量单元进行阻抗监测时，就通过串口向无线中继器发出对应的监测配置与启动指令，无线中继器随之唤醒指定的生物电阻抗测量单元，并向其发送相关命令及参数，生物电阻抗测量单元根据指令类型，完成相应的阻抗测量任务并等待进一步的控制指令；此后，主控计算机会周期性地向该生物电阻抗测量单元发出数据读取命令，读取生物电阻抗测量单元所采集到的电阻抗信息，并显示存储；
当测量节点距离无线中继器较远而无法连接时，无线通信协议中的数据桥联模式，经由一个生物电阻抗测量单元间接与无线中继构建连接。
2.如权利要求1所述的基于无线网络传输方式的多目标生物电阻抗监测系统，其特征在于，在主控计算机的控制下，各生物电阻抗测量单元相互独立地以不同的测量参数进行电阻抗测量与数据传输，监护过程中，各生物电阻抗测量单元互不干扰。
3.如权利要求1所述的基于无线网络传输方式的多目标生物电阻抗监测系统，其特征在于，所述的主控计算机可同时、动态显示各个监测目标在监测过程中的电阻抗变化过程。

一种基于无线网络传输方式的多目标生物电阻抗监测系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种采用无线网络传输方式的多目标生物电阻抗多频监测系统。它可用于传统有线连接和单目标阻抗测量方法不适用的各种生物阻抗测量环境。\n背景技术\n[0002] 生物电阻抗测量是一种利用生物组织的电特性和变化规律提取与人体生理、病理相关信息的技术。其原理是通过给人体组织施加一个安全的激励电流，测量响应信号的幅值和相位，求得生物组织得复阻抗特性。由于生物组织的电阻抗特性与组织的微观结构、组织成份、血气交换状态、离子浓度、细胞膜的通透性等均密切相关，因而生物电阻抗测量技术不仅能够检测出组织的器质性变化，还可在器质性变化发生之前，及时发现由生理或病理变化所导致的组织功能性变化，因而在疾病的早期检测与危重伤病的动态监护方面有着重要的应用价值。此外，由于生物电阻抗测量技术还具有无创、无害、廉价、操作简单等特点，易于被临床接受，因而成为了近年来的研究热点。\n[0003] 电阻抗多频监测是利用生物电阻抗测量技术对人体组织病理、生理变化敏感的特点，在特定频率范围内通过对组织或器官的电阻抗进行长时间的测量，并分析其随时间的变化规律，从而获得人体或器官的生理状态、组织功能或伤病的发展状态信息，从而为准确评价人体的健康状况，并在伤病状况发生重大变化的早期进行干预奠定基础。\n[0004] 目前的电阻抗测量技术多是针对单一目标进行，而在一些特殊场合，我们往往需要同时集中监测多个人员的电阻抗频谱信息，或者在监测过程中允许监测对象在一定范围内自由活动。因而需要一种可基于无线网络传输方式的多目标生物电阻抗监测技术与系统。\n发明内容\n[0005] 为克服现有技术对多目标或移动目标的生物电阻抗监测不足，本发明的目的在于，提供一种基于无线网络传输方式的多目标生物电阻抗多频监测系统。\n[0006] 为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：\n[0007] 一种基于无线网络传输方式的多目标生物电阻抗监测系统，其特征在于，包括多个生物电阻抗测量单元，其特征在于，还包括有无线中继器和主控计算机，所述的生物电阻抗测量单元和无线中继器上设置有无线通讯模块，采用三层结构通讯协议以无线星型拓扑结构的方式将各个生物电阻抗测量单元和主控计算机建立无线网络，该无线网络同生物电阻抗测量单元的多个测量目标一对一或一对多的通讯，以控制多个生物电阻抗测量单元进行特定区域内的多个目标电阻抗的实时监测；其中，生物电阻抗测量单元的无线通讯模块用以接收主控计算机的指令和上传电阻抗测量结果；主控计算机用于实现无线通讯网络的建立、电阻抗监测参数控制、测量数据的收集、显示与保存；无线中继器通过串行接口Uart、USB或以太网接口方式与主控计算机进行通讯。\n[0008] 本发明的基于无线网络传输方式的多目标生物电阻抗监测系统，其突出特色与创新点在于：\n[0009] 1)设计了一种三层结构的无线网络通信协议，实现系统的星型网络连接，并具有扩展节点功能，使系统能够在更大范围内监测移动目标。\n[0010] 2)设计了一种Cole模型阻抗特征参数的快速提取算法，实现参数的快速求解，易于在单片机上设计实现。\n[0011] 3)采用了一种生物电阻抗频谱特性参数传输的数据上传方式，降低了监测数据传输总量，使系统具备了同时监测更多目标的能力。\n附图说明\n[0012] 图1是本发明的基于无线网络传输方式的多目标生物电阻抗监测系统结构框图。\n[0013] 图2是无线通讯协议的软件结构。\n[0014] 图3是无线网络组网流程参考图。\n[0015] 图4是无线网络中测量单元数据桥联流程参考图。图中，箭头①表示发现无法直接连接无线中继器，箭头②表示发起侨联请求，箭头③表示连接无线中继器并上传信息，箭头④表示无线中继器反馈并分配连接地址，箭头⑤表示反馈连接信息。\n[0016] 图5是无线中继的固件程序流程图。\n[0017] 图6是系统的电阻抗数据采集流程示意。\n[0018] 图7是生物电阻抗测量单元的结构框图。\n[0019] 图8是阻抗测量单元固件程序流程图。\n[0020] 图9是Cole模型电路原理图。其中，(a)为串联模式，(b)为并联模式，(c)为阻抗模随频率的变化曲线，(d)为阻抗虚部随频率的变化曲线，(e)为Cole轨迹图。\n[0021] 图10是基于生物电阻抗模型的模拟测量数据与Cole模型参数计算效果图。其中，图(a)为Cole曲线的拟合效果图，图(b)为阻抗实部频谱特性的拟合效果图，图(c)为阻抗虚部频谱特性的拟合效果图。\n[0022] 图中，标号901为根据特征参数拟合的曲线，标号902为含有测量噪声的仿真测量数据。\n[0023] 以下结合附图以及发明人提供的原理和实施例，对本发明做进一步说明。\n具体实施方式\n[0024] 1.无线多目标阻抗监测系统的组成\n[0025] 如图1所示，本实施例给出一种基于无线网络传输方式的多目标生物电阻抗监测系统，由三部分组成，分别为：主控计算机、无线中继器和若干个生物电阻抗测量单元。生物电阻抗测量单元和无线中继器上设置有无线通讯模块，采用三层结构通讯协议以无线星型拓扑结构的方式将各个生物电阻抗测量单元和主控计算机建立无线网络，该无线网络同生物电阻抗测量单元的多个测量目标一对一或一对多的通讯，以控制多个生物电阻抗测量单元进行特定区域内的多个目标电阻抗的实时监测；\n[0026] 主控计算机同无线中继器通过串行接口Uart、USB或以太网接口连接，无线中继器与生物电阻抗测量单元通过无线网络连接。主控计算机负责实现无线通讯网络的建立、管理、电阻抗监测参数控制、测量数据的收集、显示与保存，可由台式PC或笔记本电脑实现。\n[0027] 无线中继器是连接主控计算机和生物电阻抗测量单元的纽带，一方面，生物电阻抗测量单元将采集到的阻抗信息通过无线发射装置发送到无线中继器，由无线中继器将所有接收到的数据整理集中后通过串行通讯接口传到主控计算机；另一方面主控计算机的控制信号也要通过无线中继器调制为无线信号后发送给指定的生物电阻抗测量单元执行。生物电阻抗测量单元主要实现生物电阻抗信号的测量并通过无线网络上传数据。\n[0028] 2.无线通讯协议的软件结构\n[0029] 如图2所示，为方便实现无线自组织网络通讯，在传统无线网络7层结构基础上，结合生物电阻抗监测的实际工作需要，申请人精简设计了3层通讯结构，分别为：硬件层、逻辑层和应用层，如参考图2所示：\n[0030] 硬件层是整个协议的最低层，直接接触硬件，主要负责MCU和射频芯片的I/O定义、中断初始化等。\n[0031] 逻辑层负责定义无线传输过程中的数据发送方式、通讯过程中错误处理机制等，在逻辑层中还为设备定义了唯一的硬件识别码，用作在信息网络中的身份识别。\n[0032] 应用层是建立在硬件层和逻辑层基础上，根据实际运用需要，封装的一系列API函数，提供实际无线连接时的常用功能，如：请求IP、接受数据、发送数据、唤醒休眠等。\n[0033] 3.无线网络组网流程\n[0034] 如图3所示，图3给出了无线网络组网流程图，主控计算机通过串行总线启动无线中继器，无线中继器初始化工作频段、网络地址等各项网络配置。初始化结束后无线中继进入侦听状态，等待阻抗测量单元加入。\n[0035] 生物电阻抗测量单元接入网络时，首先会向无线中继器发送连接网络请求，无线中继器得到生物电阻抗测量单元连接申请后，注册该生物电阻抗测量单元并为其自动分配一个“动态连接地址”，完成无线网络建立。\n[0036] 当主控计算机需要启动某一生物电阻抗测量单元进行阻抗监测时，就通过串口向无线中继器发出对应的监测配置与启动指令，无线中继器随之唤醒指定的生物电阻抗测量单元，并向其发送相关命令及参数，生物电阻抗测量单元根据指令类型，完成相应的阻抗测量任务并等待进一步的控制指令。此后，主控计算机会周期性地向该生物电阻抗测量单元发出数据读取命令，读取生物电阻抗测量单元所采集到的电阻抗信息，并显示存储。\n[0037] 当测量节点距离无线中继器较远而无法连接时，可以通过本发明无线通信协议中的数据桥联模式，如参考图4所示，经由一个生物电阻抗测量单元间接与无线中继构建连接，具体流程为：\n[0038] 当生物电阻抗测量单元A无法搜索到无线中继器时，启动桥联搜索，遍历附近的生物电阻抗测量单元，根据信号强弱选择其中的一个生物电阻抗测量单元B为桥联中继，并发起连接请求，生物电阻抗测量单元B接受请求，建立连接后，将生物电阻抗测量单元A的硬件编号和自己的硬件编号上传至无线中继器，如果生物电阻抗测量单元B也无法连接无线中继器，则生物电阻抗单元A遍历下一个生物电阻抗测量单元，直到成功连接。成功连接后，无线中继器记录两个编号并为生物电阻抗测量单元A分配“动态连接地址”，以后无线中继器向生物电阻抗测量单元A发送命令是先将命令发至生物电阻抗测量单元B，由生物电阻抗测量单元B转发至生物电阻抗测量单元A，上传数据流程同上。\n[0039] 4.无线中继器的工作流程\n[0040] 无线中继器在整个系统中担任承上启下的作用，一方面主控电脑通过无线中继器向各个生物电阻抗测量单元发送指令，另一方面，无线中继器协调各个生物电阻抗测量单元，集中数据上报主控计算机。\n[0041] 如图5所示，无线中继器上电启动后，先初始化MCU和射频芯片的中断和I/O，清空数据缓存，准备好网络，等待生物电阻抗测量单元加入。当检测到生物电阻抗测量单元发送连接网络请求时，无线中继器获取生物电阻抗测量单元的硬件识别码，为其自动分配一个“动态连接地址”并在通讯队列中注册该单元，完成无线网络建立。每次添加完成后，无线中继器都将当前网络中连接的生物电阻抗测量单元名单上传到主控计算机中。\n[0042] 无线中继器与生物电阻抗测量单元的通讯是采用无线中继器主叫、生物电阻抗测量单元被叫的方式进行的。生物电阻抗测量单元的无线模块平时处于休眠状态的，在连续阻抗检测模式中，生物电阻抗测量单元持续工作，将所测得的数据存储起来，当无线中继器向生物电阻抗测量单元发送读取数据的请求时，生物电阻抗测量单元激活低功耗的无线通讯模块，将存储区内的数据上传无线中继器后，清空缓存，为下一次传输做准备。无线中继器通过这种循环往复的遍历通讯队列中注册的所有生物电阻抗测量单元，实现多目标生物电阻抗测量单元监测。\n[0043] 5.系统电阻抗数据采集流程\n[0044] 如图6所示，该图给出了采集流程。共5个步骤。首先由独立的阻抗测量模块测得阻抗数据，数据经由测量单元上的无线通信模块调制成无线信号后发送给无线中继器，无线中继器将各个生物电阻抗测量单元上传的数据集中整理后，通过串口或USB传输到主控计算机，计算机计算分析后绘制出曲线图。\n[0045] 6.生物电阻抗测量单元的结构\n[0046] 生物电阻抗测量单元的结构示意图如图7所示，主要由低功耗的无线通讯模块、微处理器、阻抗测量模块和电池管理模块等四部分构成。无线通讯模块负责对无线射频信号调制与解调；阻抗测量模块负责阻抗的实施采集；微处理器是硬件的核心，负责管理无线通讯、协调阻抗测量和计算电阻抗频谱特性参数；电池管理模块为整个硬件提供电力支持。\n[0047] 7.生物电阻抗测量单元的工作流程\n[0048] 如图8所示，图8给出了生物电阻抗测量单元的固件程序流程图。生物电阻抗测量单元上电后，首先初始化MCU各管脚寄存器、堆栈及状态字，初始化无线通讯芯片和阻抗测量芯片。向中继器发送连接请求，建立连接，无线通讯模块进入休眠待机状态，根据主控计算机下达的监测指令，启动阻抗测量模块，根据需要存储或上传测得的数据。\n[0049] 8.Cole模型中电阻抗特征参数的快速提取算法\n[0050] 如图9所示，图9给出了阻抗Cole等效电路模型，图中(a)为串联模式；(b)为并联模式；(c)为阻抗模随频率的变化曲线；(d)为阻抗虚部随频率的变化曲线；(e)为Cole轨迹图，其中横坐标为组织不同激励频率下的阻抗模，纵坐标为对应阻抗虚部。\n[0051] 从图9(e)中可知，在复平面内，根据Cole模型经验公式，生物阻抗的Cole轨迹图为一条圆弧曲线，其特征参数R0和R∞为Cole轨迹图圆弧与实轴的交点，α为该圆弧垂直于实轴的半径与到R0(或R∞)的半径的夹角与π/2间的比值，因此只要确定该圆的位置即可确定以上参数。\n[0052] 根据上述分析，Cole模型特征参数的求解可归结为以下数学问题：根据多频激励下测得的复阻抗值为坐标点，在复平面上确定一个最能接近实际结果的圆。即已知(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn)，计算一个圆的方程，使其与这些点距离的绝对值的和最小。现在假设圆心的坐标为(a，b)，半径为R，则它们应能使式：\n取最小值。根据最小二乘法原理，上式可以化为： 取\n最小值的a，b和R。\n[0053] 使L残′最小，首先有\n[0054] \n[0055] 所以有：\n[0056] 上述方程用现有方法无法进一步求得a、b和R。\n[0057] 由于上述方法不能直接求解，可以假设：一条直角三角形的斜边和一条直角边分别为 和R，要使这两边的差最小，则第三边也必然最小。根据上述推理，\n根据最小二乘法，问题转变为求能使算式： 取最小\n值的a、b和R。\n[0058] 由 可得：\n[0059] \n[0060] 此时：\n[0061] \n[0062] 从而得到：\n[0063] \n[0064] \n[0065] 这样，由于L残″取极小值时应有 和 从而可得：\n[0066] \n[0067] \n[0068] 其中：\n[0069] \n[0070] \n[0071] \n[0072] \n[0073] \n[0074] 得到所要的圆的圆心坐标(a、b)和半径R后，Cole模型的特征参数为：\n[0075] \n[0076] \n[0077] \n[0078] \n[0079] 在实际计算中，分别将各频率下所测量的电阻抗值的实部记为x1，x2，…，xn，而将电阻抗值的虚部记为y1，y2，…，yn，并代入上公式中即可。\n[0080] 如图10所示，图10为采用本方法对含在一定测量噪声的生物电阻抗模型的测量数据和通过特征参数拟合后的电阻抗频率特性曲线。其中901为根据特征参数拟合的曲线，902为含有测量噪声的测量数据。可见拟合曲线较好的模拟了模型阻抗的频率特性。\n[0081] 综上所述，本实施例给出的Cole模型特征参数求解方法，将传统的复杂计算化简为有限次的乘法和加法运算，其计算量小，适合应用单片机进行快速运算。\n[0082] 需要说明的是，以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。