[发明专利]生物阻抗Cole方程的参数估计方法、智能设备及存储介质

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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-Linear Least-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(David Ayllón,Methods for ColeParameter Estimation from Bioimpedance Spectroscopy Measurements AComparative Study,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。

发明内容

有鉴于此，本发明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。