电阻抗肌动描记术测量与建模新方法研究

摘要

电阻抗肌动描记术(Electrical Impedance Myography, EIM)是哈佛医学院SewardB.Rutkove教授提出的一种基于肌肉电阻抗测量与建模分析的神经肌肉疾病诊断新方法，具有无辐射、非侵入、操作简单、低成本等优点，在神经肌肉疾病的早期发现与诊断、长期监测、治疗以及药物研制等方面具有潜在的应用前景。　　然而，现有的EIM技术无法同时满足快速性与准确性的要求。首先，基于50kHz正弦激励的单频EIM分析方法包含信息较少，无法对肌肉宽频阻抗特征进行准确的建模分析；其次，基于正弦扫频激励的EIM分析方法虽然可以在不同频率提取更多的肌肉阻抗特征，并用于建立对应的等效电路模型，但通常测量时间较长，易受被测介质极化影响，且模型参数评估需要迭代优化，易受迭代初值影响，无法实现快速准确的肌肉特征辨识。因此，如何进一步改进EIM测量技术，优化EIM建模理论，建立快速准确的EIM辨识方法，对其在神经肌肉疾病诊断中的应用推广意义重大。针对上述问题，论文主要研究内容如下：　　(1)单频EIM全响应(瞬态响应+稳态响应)瞬时测量及常用EIM整数阶、分数阶模型参数时域分析新方法研究。为实现基于单频激励的整数阶Fricke-Morse阻抗等效模型和基于含偏置单频激励的分数阶Cole阻抗等效模型快速准确辨识，提出(含偏置)单频全响应瞬时测量方法，以及上述模型参数数值解析/时域拟合方法。首先，推导(含偏置)正弦电流激励在上述模型下对应的电压全响应数学表达式。随后，提取该全响应信号在瞬态和稳态过程中包含的时域、频域特征，并通过联立全响应各阶段对应的特征方程求解得到模型参数的解析表达式。最后，采用之前解析方法评估的模型参数作为迭代初值，通过迭代优化使测量的与基于模型计算的电压全响应信号误差平方和最小，从而有效的减小初值选取不当对模型参数迭代优化速度和精度的影响；　　(2)宽频(同时包含多个频率分量)EIM稳态响应整周期同步测量及常用EIM整数阶、分数阶模型参数频域分析新方法研究。为实现基于宽频激励的常用EIM阻抗等效模型参数快速准确评估，提出一种基于多频正弦(Multisine)激励的整周期同步测量方法及对应的频域建模方法。首先，分析基于Multisine激励的宽频电阻抗谱整周期同步测量原理，从根本上消除频谱泄露对宽频EIM测量的影响。随后，设计一种稀疏频谱分布的低波峰因数Multisine信号生成优化算法，并以此为基础合成适用于宽频EIM整周期同步测量的近二值Multisine激励信号，从而提高宽频EIM测量的信噪比。最后，通过分析EIM常用阻抗等效模型在Nyquist图上对应曲线的特征，推导一种基于最小二乘矩阵运算的模型特征参数频域快速拟合方法，使测量的与基于模型计算的阻抗谱数据在Nyquist图上对应曲线的误差平方和最小，从而避免使用传统最小二乘迭代运算易陷入局部最小值且耗时的缺点；　　(3)EIM测量与建模新方法仿真和实验分析。为验证上述各方法的有效性，分别进行不同类型的仿真实验，并搭建基于新型宽频镜像恒流源的EIM高速测量系统，对标准2R-1C三元件电路和肌肉组织进行单频全响应测量、宽频稳态响应整周期测量，以及对应常用整数阶与分数阶阻抗等效模型参数评估。仿真结果表明在40dB高斯白噪声下，新提出的单频和宽频EIM分析方法与传统扫频方法相比，模型参数评估相对误差均<1%，但单频和宽频测量时间分别为0.295ms和1ms，远小于扫频所需的19ms。此外，通过对比标准生物电阻抗测定仪实验结果表明，对于标准2R-1C电路，采用新仪器单频测量分析对应的模型参数相对误差<5%，略大于采用新仪器宽频测量与标准仪器扫频测量的分析结果，后两者对应模型参数相对误差均<2%。对于肌肉组织，采用Cole模型(平均RMSE<2%)比Fricke-Morse模型(平均RMSE<12%)建模更准确，且对于后者，采用单频分析比宽频或扫频分析提取的模型参数RMSE平均值更低(约减小3%)。　　以上研究成果有助于发展和完善EIM分析技术与理论，对简化阻抗测量电路、降低阻抗测量仪器成本、提高数据分析精度与速度等方面具有重要实用价值，并为新型EIM测量分析仪器的研制以及在后续神经肌肉疾病诊断中的应用提供新思路。

目录

声明

中英文缩写对照表

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 传统神经肌肉疾病诊断常用方法研究现状

1.2.1 肌肉组织学评估

1.2.2 肌肉功能学评估

1.2.3 肌肉电生理学评估

1.3 电阻抗肌动描记术（EIM）研究现状

1.3.1 现有EIM测量方法及其局限性

1.3.2 现有EIM建模方法及其局限性

1.4 课题来源与论文结构

第2章 基于单频正弦全响应测量的EIM整数阶建模方法

2.1 Fricke-Morse模型辨识及其应用

2.2 Fricke-Morse模型的正弦全响应测量与分析

2.3 Fricke-Morse模型辨识数值分析方法

2.3.1 基于初始瞬态和稳态响应测量

2.3.2 基于初始、结尾瞬态和稳态响应测量

2.4 Fricke-Morse模型辨识时域拟合分析方法

2.5 仿真实验验证与分析

2.5.1 测量噪声对模型参数评估的影响

2.5.2 采样率与采样点数对模型参数评估的影响

2.6 本章小结

第3章 基于含偏置单频正弦全响应测量的EIM分数阶建模方法研究

3.1 Cole模型辨识及其应用

3.2 Cole模型的含直流偏置正弦全响应测量与分析

3.2.1 基于Cole模型松弛时间分布函数

3.2.2 基于Cole模型分数阶操作矩阵

3.3 Cole模型辨识数值分析方法

3.4 Cole模型辨识时域拟合分析方法

3.5 仿真实验验证与分析

3.5.1 数值计算对全响应信号分析的影响

3.5.2 测量噪声对模型参数评估的影响

3.6 本章小结

第4章 基于多频正弦稳态响应整周期测量的EIM建模方

4.1 宽频EIM整周期同步测量原理

4.2 近二值多频正弦（NBM）信号合成方法

4.2.1 多频正弦信号的波峰因数优化

4.2.2 低波峰因数NBM信号合成算法设计

4.3 常用EIM等效模型辨识频域拟合分析方法

4.4 仿真实验验证与分析

4.4.1 NBM信号合成仿真实验

4.4.2 宽频EIM测量仿真实验

4.4.3 EIM模型参数评估仿真实验

4.5 本章小结

第5章 新型EIM高速测量系统设计

5.1 EIM测量系统设计规范

5.1.1 EIM测量相关参数范围选取

5.1.2 现有生物阻抗谱测量仪器及其局限性

5.2 EIM高速测量系统设计整体结构与工作原理

5.2.1 EIM测量系统概述

5.2.2 高速信号生成与采集平台

5.2.3 宽频镜像恒流源设计

5.2.4 四电极阻抗测量前端设计

5.3 EIM常用等效模型辨识测量实验

5.3.1 2R-1C电路阻抗等效模型参数评估

5.3.2 肌肉组织阻抗等效模型参数评估

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录B 攻读博士学位期间参与的科研项目

附录C 攻读博士学位期间获得的奖励