生物阻抗Cole方程的参数估计方法、智能设备及存储介质技术

本发明专利技术公开了一种生物阻抗Cole方程的参数估计方法、智能设备及存储介质。方法包括：根据不同频率下测得的电位差的幅值和相位值，计算得到阻抗值的实部和虚部；根据阻抗值的实部和虚部确定各参数的初始猜测值和约束范围；根据各参数的初始猜测值和约束范围确定拟合参数以及拟合阻抗值；根据拟合阻抗值和测量值的误差平方和的阈值确定最佳拟合参数值。一种生物阻抗Cole方程的参数估计方法、智能设备及存储介质同时利用阻抗的实部和虚部，求解方程组的数值解，估计初始猜测值以及约束范围用于NLLS拟合，且进一步采取避免噪声风险的措施，有很好的鲁棒性，抗干扰能力强，在严重噪声情况下，也能准确拟合估计出Cole方程的参数，从而可以得到更准确的ECW和TBW值。

【技术实现步骤摘要】
生物阻抗Cole方程的参数估计方法、智能设备及存储介质
本专利技术涉及一种临床医学领域，尤其涉及一种生物阻抗Cole方程的参数估计方法、智能设备及存储介质。
技术介绍
液体超负荷与慢性肾病、急性肾损伤，或心力衰竭及危重病患者的患病率和死亡率升高有关。因此，测定细胞外液在临床中有重要的意义。生物阻抗是一种可靠的无创性技术，这种技术利用人体组织的电学特性，测定细胞外液和总身体水量。细胞是生物组织的基本结构，由细胞外液、细胞内液、细胞膜构成。生物组织在低频区域(低于1MHz)时，细胞外液、细胞内液的电学性质接近于电阻，而细胞膜则可等效于电容。Cole理论认为，生物组织的阻抗可以由下式表达：其中，Z是阻抗，R0是直流下的电阻，R∞是无穷大频率下的电阻，ω是角频率，τ是和细胞膜有关的时间常数，α是时间常数的分布，上式被称为Cole方程。当交流电流加于人体时，通过细胞内、外路径的电流比例与频率有关。在低频情况下，由于细胞膜电容的存在，细胞内路径的电阻相当大，电流基本只通过细胞外路径。随着电流频率的增加，通过细胞内路径的电流比例将增大。因此，在频率为0Hz时检测的生物电阻抗为基于细胞外液的值，在∞Hz频率检测的生物电阻抗为基于总身体水量的值。细胞外液(ECW)和总身体水量(TBW)可以通过Cole-Cole圆弧定律评估，因此，准确的估计出Cole方程的R0，R∞，τ，α等参数，对于估算ECW和TBW至关重要。Cole-Cole模型常用的求解方法有如下2种：1)根据阻抗Z(ω)在复平面的轨迹图是一段圆弧的特点，采用圆的拟合方法可以实现R0，R∞，α三个参数的求解。由于拟合圆的方法不含频率信息，该方法不能直接求出τ，且在数据存在噪声时精度不高。2)非线性最小二乘(Non-LinearLeast-Squares，NLLS)法，对于给定的测量值拟合出最优的非线性模型，使测量值与拟合值的误差的平方和最小。有文献根据阻抗的实部估计初始猜测值(DavidAyllón,MethodsforColeParameterEstimationfromBioimpedanceSpectroscopyMeasurementsAComparativeStudy,2008)，这种方法只用到实部，而且需要多次计算切线方程，对各参数也没有较好的定义约束范围，因此导致抗干扰能力较差。当处于严重噪声情况下，抗干扰能力更差。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供的一种生物阻抗Cole方程的参数估计方法、智能设备及存储介质能够解决现有技术中存在的生物阻抗Cole方程的参数的初始猜测值和约束范围不清楚，进而导致抗干扰能力差，特别是在有严重噪声影响下，抗干扰能力更差的问题。本专利技术实施例提供的一种生物阻抗Cole方程的参数估计方法、智能设备及存储介质同时利用阻抗的实部和虚部，求解方程组的数值解，估计初始猜测值以及约束范围用于NLLS拟合，且进一步采取避免噪声风险的措施，有很好的鲁棒性，抗干扰能力强，在严重噪声情况下，仍然能够准确的拟合估计出Cole方程的参数，从而可以得到更准确的ECW和TBW值，更好的应用于临床。为了实现上述目的，本专利技术实施例提供一种生物阻抗Cole方程的参数估计方法，具体包括：根据不同频率下测得的电位差的幅值和相位值，计算得到阻抗值的实部和虚部；根据所述阻抗值的实部和虚部确定各参数的初始猜测值和约束范围；根据所述各参数的初始猜测值和约束范围确定拟合参数以及拟合阻抗值；根据所述拟合阻抗值和测量值的误差平方和的阈值确定最佳拟合参数值。优选的，所述根据不同频率下测得的电位差的幅值和相位值，计算得到阻抗值的实部和虚部，具体包括：选取不同频率下的交流电通过所述生物阻抗Cole方程对应的电路，测量得到不同频率的电位差的幅值和相位值；根据所述不同频率的电位差的幅值和相位值计算得到阻抗值的实部和虚部。优选的，所述实部为：所述虚部为：R0是直流下的电阻，R∞是无穷大频率下的电阻，ω是角频率，τ是和细胞膜有关的时间常数，α是时间常数的分布。优选的，所述根据所述阻抗值的实部和虚部确定各参数的初始猜测值和约束范围，具体包括：根据所述虚部的相反数的最大值(-X)max确定时间常数τ的初始猜测值τ0；根据所述实部的最大值Rmax和最小值Rmin，所述虚部的相反数的最大值(-X)max以及时间常数τ的初始猜测值τ0确定时间常数的分布α的初始猜测值α0，直流下的电阻R0的初始猜测值R00以及无穷大频率下的电阻R∞的初始猜测值R∞0。根据所述时间常数τ的初始猜测值τ0确定所述时间常数τ的最小值τmin和最大值τmax；根据时间常数的分布α的初始猜测值α0确定所述时间常数的分布α的最小值αmin和最大值αmax；根据直流下的电阻R0的初始猜测值R00确定所述直流下的电阻R0的最小值R0min和最大值R0max；根据无穷大频率下的电阻R∞的初始猜测值R∞0确定所述无穷大频率下的电阻R∞的最小值R∞min和最大值R∞max；根据所述τmin、τmax、αmin、αmax、R0min、R0max、R∞min以及R∞max确定约束范围。优选的，所述虚部的相反数的最大值为：所述实部的最大值为：所述实部的最小值为：优选的，所述根据所述各参数的初始猜测值和约束范围确定拟合参数以及拟合阻抗值，具体包括：根据所述τ0、α0、R00、R∞0以及所述约束范围，进行非线性最小二乘法NLLS拟合，得到所述拟合参数τfit、αfit、R0fit、R∞fit；根据所述拟合参数τfit、αfit、R0fit、R∞fit代入Cole方程得到所述拟合阻抗值。优选的，所述根据所述拟合阻抗值和测量值的误差平方和的阈值确定最佳拟合参数值，具体包括：确定测量值与拟合值的误差i，N均为正整数；判断是否减小，若是，则更新拟合参数；判断是否小于设定阈值，若是，则确定当前拟合参数为最佳拟合参数；若不是，则去掉当前的(-X)max后，重新确定所述虚部的相反数的最大值(-X)max，并重新根据所述阻抗值的实部和虚部确定各参数的初始猜测值。优选的，所述测量值为所述不同频率测量下叠加噪声的阻抗值，所述拟合值为根据所述拟合参数形成的Cole-Cole圆弧曲线。本专利技术实施例提供的一种生物阻抗Cole方程的参数估计方法同时利用阻抗的实部和虚部，求解方程组的数值解，估计初始猜测值以及约束范围用于NLLS拟合，且进一步采取避免噪声风险的措施，有很好的鲁棒性，抗干扰能力强，在严重噪声情况下，仍然能够准确的拟合估计出Cole方程的参数，从而可以得到更准确的ECW和TBW值，更好的应用于临床。另外，本专利技术还提供一种智能设备，所述智能设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上的生物阻抗Cole方程的参数估计程序，所述生物阻抗Cole方程的参数估计程序配置为实现所述生物阻抗Cole方程的参数估计方法的步骤。此外，为实现上述目的，本专利技术还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有生物阻抗Cole方程的参数估计程序，所述生物阻抗Cole方程的参数估计程序被处理器执行时实现所述生物阻抗Cole方程的参数估计方法的步骤。本专利技术实施例提供的智能设备及存储介质同时利用阻抗的实部和虚部，求解方程组的数值解，估计初始猜测值以及约束范围用于NLLS拟合，且本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物阻抗Cole方程的参数估计方法，其特征在于，包括：根据不同频率下测得的电位差的幅值和相位值，计算得到阻抗值的实部和虚部；根据所述阻抗值的实部和虚部确定各参数的初始猜测值和约束范围；根据所述各参数的初始猜测值和约束范围确定拟合参数以及拟合阻抗值；根据所述拟合阻抗值和测量值的误差平方和的阈值确定最佳拟合参数值。

【技术特征摘要】
1.一种生物阻抗Cole方程的参数估计方法，其特征在于，包括：根据不同频率下测得的电位差的幅值和相位值，计算得到阻抗值的实部和虚部；根据所述阻抗值的实部和虚部确定各参数的初始猜测值和约束范围；根据所述各参数的初始猜测值和约束范围确定拟合参数以及拟合阻抗值；根据所述拟合阻抗值和测量值的误差平方和的阈值确定最佳拟合参数值。2.根据权利要求1所述的一种生物阻抗Cole方程的参数估计方法，其特征在于，所述根据不同频率下测得的电位差的幅值和相位值，计算得到阻抗值的实部和虚部，具体包括：选取不同频率下的交流电通过所述生物阻抗Cole方程对应的电路，测量得到不同频率的电位差的幅值和相位值；根据所述不同频率的电位差的幅值和相位值计算得到阻抗值的实部和虚部。3.根据权利要求2所述的一种生物阻抗Cole方程的参数估计方法，其特征在于，所述实部为：所述虚部为：R0是直流下的电阻，R∞是无穷大频率下的电阻，ω是角频率，τ是和细胞膜有关的时间常数，α是时间常数的分布。4.根据权利要求2所述的一种生物阻抗Cole方程的参数估计方法，其特征在于，所述根据所述阻抗值的实部和虚部确定各参数的初始猜测值和约束范围，具体包括：根据所述虚部的相反数的最大值(-X)max确定时间常数τ的初始猜测值τ0；根据所述实部的最大值Rmax和最小值Rmin，所述虚部的相反数的最大值(-X)max以及时间常数τ的初始猜测值τ0确定时间常数的分布α的初始猜测值α0，直流下的电阻R0的初始猜测值R00以及无穷大频率下的电阻R∞的初始猜测值R∞0。根据所述时间常数τ的初始猜测值τ0确定所述时间常数τ的最小值τmin和最大值τmax；根据时间常数的分布α的初始猜测值α0确定所述时间常数的分布α的最小值αmin和最大值αmax；根据直流下的电阻R0的初始猜测值R00确定所述直流下的电阻R0的最小值R0min和最大值R0max；根据无穷大频率下的电阻R∞的初始猜测值R∞0确定所述无穷大频率下的电阻R∞的最小值R∞min和最大值R∞max；根据所述τmin、τmax、αm...

【专利技术属性】
技术研发人员：李燕青，
申请(专利权)人：深圳市麦德安医疗设备有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44