阻抗谱血流图新方法及其在酒驾快速定量评估中的应用

批准号:
31671002
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
杨宇祥
依托单位:
学科分类:
C1005.生物成像、电子与探针
结题年份:
2020
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
孙强、辛文辉、邵伟、高瑞鹏、辛彬、王佩佩、朱飞龙、成恳、欧强
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中文摘要
血液酒精浓度(BAC)是判别酒后驾车的法定指标,但现有的各类酒驾检测方法均无法满足现场快速准确测定BAC的要求。实际上,饮酒所致血液流变、导电特性的变化可分别通过阻抗血流图(IPG)和生物电阻抗谱(BIS)技术探测。鉴于此,本项目拟将BIS与IPG技术相结合,提出全新的阻抗谱血流图(ISPG)技术和基于ISPG测量的酒驾快速定量评估方法,研究包括:①提出整周期采样理论和BIS超快(亚毫秒级)测量法,并以此构建ISPG测量系统;②设计饮酒对比测量试验,记录若干心动周期的ISPG数据,通过分析ISPG波形特征得到血流动力学参数,拟合ΔZ阻抗谱的Cole阻抗模型得到血液成分参数;③建立基于偏最小二乘(PLS)-Elman神经网络的BAC预测模型,实现BAC的定量评估。本项目提出的整周期采样理论、BIS超快测量法及基于ISPG测量的BAC定量评估方法均属原创,具有较高的学术价值和可预期的应用前景。
英文摘要
Blood alcohol concentration (BAC) is the legal indicator of drunk-driving judgement. However, all sorts of present drunk-driving detecting methods can not reach the requirement of fast and accurate measurement of BAC used on the spot. In fact, drinking-caused blood hemorheological changes and conductive characteristic changes can be detected by impedance plethysmography (IPG) and bioimepdance spectroscopy (BIS), respectively. Based on this vision, a novel IPG-BIS combined impedance spectroscopy plethysmography (ISPG) measurement method is proposed in this project, aiming to fast and quantitatively evaluate drunk-driving. The main researches include: ① An integer-period sampling theory and an ultra-fast (in sub-millisecond scale) BIS measurement method based on this theory are proposed, and then a new ISPG measurement system is constructed. ② Design human drink contrasting measurement experiments by recording the ISPG data of several heartbeat cycles, then obtain both the haemodynamic parameters through ISPG waveform characteristics extraction and the blood component parameters by Cole-model fitting on ΔZ BIS data. ③ Based on the two types of parameters, a BAC prediction model based on partial least square (PLS) combined with Elman neural network algorithm is established, and quantitative evaluation of BAC is ultimately realized. The newly-proposed integer-period sampling theory, the ultra-fast BIS measurement method, and the BAC fast and quantitative drunk-driving assessment method are all original researches, which have high academic value and expectable application prospects.
现有的各类酒驾检测方法均无法满足现场快速准确测定血液酒精浓度(BAC)的使用要求,研究和推广新的检测和预防酒后驾车技术成为挽救人们生命的重要手段。文献调研表明,血液中的过量酒精会打乱细胞膜离子通道的开合规律并损害血管细胞的功能,改变血液的成分,最终导致血液流变特性和导电特性的改变。阻抗血流图(IPG)是检测血液流变特性的有效手段,而生物电阻抗谱(BIS)可以准确反映细胞层次生物导电特性的变化。因此,本项目提出并研发一种融合IPG与BIS技术的阻抗谱血流图(ISPG)新方法和新技术,探索基于ISPG测量的酒驾检测定量评估新方法。本项目构建了基于多频率正弦波(Multisine)信号的整周期采样理论及技术体系,首次从理论上证明了Multisine信号整周期采样不会产生频谱泄露,并从实践上建立了基于FPGA的整周期采样及FFT算法实现技术;建立了基于FPGA整周期采样的BIS超快测量方法,该方法只需一个Multisine信号基波周期(1/ƒ0)的整周期采样即可完成一次全频测量,实现了“亚毫秒级”的BIS超快测量;在充分挖掘整周期采样的周期积分特性的基础上,建立了Multisine多频率整周期数字锁相放大理论,并利用FPGA实现了基于数字锁相放大的ISPG测量系统;通过人体饮酒跟踪测量实验同步采集BAC、BIS、ISPG数据,数据分析表明:人体BIS幅值呈现先减少后逐渐恢复初始幅值的趋势,与饮酒后酒精在人体内扩散、吸收过程吻合,而饮酒后的ISPG信号波形有明显变化,ISPG信号频率与人体BAC有正向关联,因此基于ISPG数据对BAC进行定量评估成为可能。本项目提出的Multisine信号整周期采样理论及基于此理论的BIS超快测量技术是BIS测量领域具有原创性的重大突破,对其它以周期信号作为主动激励的测量技术(如超声、EIT等)具有重要的参考借鉴价值;提出的Multisine多频率整周期数字锁相放大理论是对现有的针对单频率数字锁相放大理论的扩展,为解决多频率微弱信号的数字解调提供了新的思路;提出的ISPG方法是超越传统IPG方法的一种全新的动态生理参数描记方法,对呼吸或心血管等时变生物系统、生命过程的研究提供了一种新的研究手段和仪器。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Numerical estimation of Fricke-Morse impedance model parameters using single-frequency sinusoidal excitation
使用单频正弦激励对 Fricke-Morse 阻抗模型参数进行数值估计
DOI:10.1088/1361-6579/ab3666
发表时间:2019
期刊:Physiological Measurement
影响因子:3.2
作者:Fu Zhang;Benjamin Sanchez;Seward B Rutkove;Yuxiang Yang;Haowen Zhong;Jianmin Li;Zhaosheng Teng
通讯作者:Zhaosheng Teng
Wideband mirrored current source design based on differential difference amplifier for electrical bioimpedance spectroscopy
基于差分放大器的宽带镜像电流源生物阻抗谱设计
DOI:10.1088/2057-1976/aaa9cd
发表时间:2018-02
期刊:Biomedical Physics & Engineering Express
影响因子:1.4
作者:Fu Zhang;Zhaosheng Teng;Haowen Zhong;Yuxiang Yang;Jianmin Li;Jiangyan Sang
通讯作者:Jiangyan Sang
A Simplified Time-Domain Fitting Method Based on Fractional Operational Matrix for Cole Parameter Estimation
基于分数阶运算矩阵的科尔参数估计的简化时域拟合方法
DOI:10.1109/tim.2019.2912592
发表时间:2020-04
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement
影响因子:5.6
作者:Zhang Fu;Teng Zhaosheng;Rutkove Seward;Yang Yuxiang;Li Jianmin
通讯作者:Li Jianmin
A Voltage Sag Detection Method Based on Modified S transform With Digital Prolate Spheroidal Window
基于改进S变换的数字扁长球面窗电压暂降检测方法
DOI:10.1109/tpwrd.2020.2999693
发表时间:2021
期刊:IEEE Transactions on Power Delivery
影响因子:4.4
作者:Jianmin Li;Yuxiang Yang;HaiJun Lin;Zhao Sheng Teng;Fu Zhang;Yong Xu
通讯作者:Yong Xu
Near-binary multisine design with arbitrary sparse spectrum for fast BIS measurement
具有任意稀疏频谱的近二值多重正弦设计,可实现快速 BIS 测量
DOI:10.1049/iet-smt.2017.0239
发表时间:2018
期刊:IET Science Measurement & Technology
影响因子:1.4
作者:Zhang Fu;Teng Zhaosheng;Yang Yuxiang;Li Jianmin;Zhong Haowen;Sang Jiangyan
通讯作者:Sang Jiangyan
基于新型阻抗式心肺信息耦合的阻塞性睡眠呼吸暂
停诊断新方法
- 批准号:2024JJ5270
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2024
- 负责人:杨宇祥
- 依托单位:
基于生物电阻抗技术的糖尿病下肢动脉病变早期诊断新方法
- 批准号:--
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:58万元
- 批准年份:2021
- 负责人:杨宇祥
- 依托单位:
基于BIS+BIA 测量的新型阻抗式人体血糖无创检测方法
- 批准号:2021JJ30014
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2021
- 负责人:杨宇祥
- 依托单位:
国内基金
海外基金
