DE10311840B4

DE10311840B4 - Method and device for electrical impedance measurement of a body

Info

Publication number: DE10311840B4
Application number: DE2003111840
Authority: DE
Inventors: Gerrit Buhe; Günter Dr. Hahn
Original assignee: HELLIGE GERHARD; Hellige Gerhard Prof Drmed
Current assignee: DIKON ELEKTRONIK VERTRIEBS GMBH, DE
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: DE10311840A1

Abstract

Verfahren zur elektrischen Impedanzmessung eines Körpers, an den über wenigstens zwei Elektroden ein zeitlich veränderliches Anregungssignal eingespeist und über Sensoren oder weitere Elektroden eine aus dem Anregungssignal resultierende zeitlich veränderliche Spannung erfasst wird, und die erfasste Spannung nach Analog-Digital-Wandlung digital gefiltert und anschließend aus den gefilterten Werten der Spannung und des Anregungssignals absolute oder relative Impedanzwerte oder Transimpedanzen ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Spannung bei der Analog-Digital-Wandlung überabgetastet wird, dass die digitalen Werte anschließend mit digitalen Werten eines Oszillatorsignals multipliziert werden,
a) dass zu dieser Multiplikation die digitalen Werte der erfassten Spannung oder der digitalen Oszillatorsignale einer Gewichtung durch eine Fensterfunktion unterzogen werden, eine Mittelung über einen definierten Zeitraum der erfassten Spannung vorgenommen wird und die gemittelten digitalen Werte zur Berechnung der Impedanzwerte oder Transimpedanzen (absolut oder relativ) herangezogen werden und/oder
b) eine digitale Dezimierung der Werte der Multiplikationsprodukte zur Abtastratenreduktion für eine nachfolgende Auswertung vorgenommen...Method for electrical impedance measurement of a body to which at least two electrodes a time-varying excitation signal is fed and detected by sensors or other electrodes resulting from the excitation signal time-varying voltage, and the detected voltage after analog-to-digital conversion digitally filtered and then out determining the filtered values of the voltage and the excitation signal absolute or relative impedance values or transimpedances, characterized in that the detected voltage is oversampled in the analog-to-digital conversion that the digital values are then multiplied by digital values of an oscillator signal,
a) that for this multiplication the digital values of the detected voltage or the digital oscillator signals are weighted by a window function, an averaging is made over a defined period of the detected voltage and the averaged digital values are used to calculate the impedance values or transimpedances (absolute or relative ) and / or
b) a digital decimation of the values of the multiplication products for the sampling rate reduction for a subsequent evaluation made ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Impedanzmessung eines Körpers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur elektrischen Impedanzmessung eines Körpers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.The The invention relates to a method for electrical impedance measurement of a body according to the preamble of claim 1 and a device for electrical Impedance measurement of a body after the preamble of claim 11.

Die Impedanzmessung von Körpern, insbesondere von biologischem Gewebe, ermöglicht eine zerstörungsfreie Bestimmung von Gewebeparametern, die die elektrische Impedanz beeinflussen. Die Kenntnis von Gewebeparametern ermöglicht Rückschlüsse auf Gewebearten, Gewebeeigenschaften sowie Änderungen gegenüber Vergleichswerten. Durch eine Mehrzahl von Impedanzmessungen an verschiedenen Orten desselben Körpers und gemeinsame Auswertung der Messwerte können z. B. Schnittbilder erzeugt werden, die den Impedanzverlauf darstellen.The Impedance measurement of bodies, especially of biological tissue, allows a non-destructive Determination of tissue parameters that influence the electrical impedance. The knowledge of tissue parameters allows conclusions about tissue types, tissue properties and changes across from Comparison values. By a plurality of impedance measurements at different Locating the same body and joint evaluation of the measured values can, for. B. sectional images generated which represent the impedance curve.

Die Zerstörungsfreiheit des Gewebes ist dann gewährleistet, wenn mit geringen Anregungssignalen gearbeitet wird, was al lerdings einen geringen Störabstand gegenüber Rauschen und anderen Störsignalen zur Folge hat.The destruction of freedom the tissue is then ensured when working with low excitation signals, al though a low signal to noise ratio across from Noise and other interfering signals entails.

Da für eine Erzeugung von Schnittbildern mit hoher Bildwiederholrate eine Vielzahl von Messungen und deren Auswertungen erforderlich ist, steht für jede Einzelmessung der Impedanz nur eine kurze Mess- und Auswertungszeit zur Verfügung. Momentanwerte innerhalb der Messzeit können durch Rauschen und andere Störsignale beeinflusst sein, wodurch die Ergebnisse Fehler aufweisen können.There for one Creation of high-repetition-rate slices a variety of measurements and their evaluations is required, stands for each individual measurement the impedance only a short measurement and evaluation available. instantaneous values within the measuring time can through noise and other interference signals be influenced, whereby the results may have errors.

Aus der gattungsbildenden EP 0 533 732 B1 ist eine Anlage zur elektrischen Impedanztomografie in Echtzeit bekannt. In dieser Druckschrift sind im Zusammenhang mit der Impedanztomografie und der Darstellung von Bildern in Echtzeit zwei Probleme angesprochen. Um die Bilder wesentlich schneller als bisher üblich erzeugen zu können, ist ein wesentlich schnellerer Digitalprozessor oder Computer erforderlich, um die Signalverarbeitung schneller durchzuführen. Weiterhin müssen die Daten, die gesammelt werden, qualitativ verbessert und insbesondere der Rauschpegel verringert werden. Die Druckschrift befasst sich im wesentlichen mit einer Minimierung des Messrauschens durch gleichzeitiges Messen vom Nachbar paar-Spannungsunterschieden, dem Demodulieren der Meßspannung durch digitale Signalverarbeitung und gleichzeitiges Messen des Treiberstroms und der Spannungsunterschiede sowie ein Teilen beider vor der Bildrekonstruktion.From the generic EP 0 533 732 B1 is a system for electrical impedance tomography in real time known. In this document, two problems are addressed in the context of impedance tomography and the representation of images in real time. In order to produce the images much faster than previously customary, a much faster digital processor or computer is required to perform the signal processing faster. Furthermore, the data that is collected must be qualitatively improved and in particular the noise level reduced. The document is essentially concerned with minimizing measurement noise by simultaneously measuring neighbor voltage differences, demodulating the measurement voltage by digital signal processing and simultaneously measuring the drive current and voltage differences, and sharing both prior to image reconstruction.

Aus der US 5 372 141 ist ein Körperzusammensetzunganalysator bekannt, mit dem über eine elektrische Impedanzmessung eines Körpers der Fettanteil und das Idealgewicht ermittelt werden. Bei der Signalverarbeitung dieses Analysators werden Sensorsignale mit Oszillatorsignalen analog multipliziert. Danach erfolgt eine Mittelwertbildung mit einem Tiefpassfilter. Die der Mittelwertbildung unterzogenen Signale werden dann überabgetastet und anschließend wird die Abtastrate im Analog-Digital-Wandler wieder dezimiert.From the US 5,372,141 For example, a body composition analyzer is known, with which the fat content and the ideal weight can be determined by means of an electrical impedance measurement of a body. In the signal processing of this analyzer, sensor signals are analog multiplied by oscillator signals. This is followed by averaging with a low-pass filter. The averaged signals are then oversampled, and then the sampling rate in the analog-to-digital converter is decimated again.

Aus der US 4 059 169 ist ein Monitor zur Anzeige biologischer Volumenänderungen beschrieben. Dazu wird die elektrische Impedanz von biologischen Volumen gemessen. Bei der Signalverarbeitung wird eine Mittelwertbildung der durch Gleichrichtung analog ermittelten Amplitude vorgenommen. Die Mittelwertbildung erfolgt in einem Tiefpassfilter mit variabler Zeitkonstante, um Informationen über Atmung und Herzaktionen herauszufiltern und zu unterdrücken.From the US 4 059 169 a monitor for displaying biological volume changes is described. For this purpose, the electrical impedance of biological volumes is measured. In the signal processing, an averaging of the amplitude determined analogously by rectification is carried out. Averaging is done in a variable-time-constant low-pass filter to filter out and suppress information about respiration and heart actions.

Aus der US 5 280 429 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Anzeige multifrequenter Bioimpedanzen beschrieben. Bei der Signalverarbeitung werden unter anderem Signalwerte multipliziert und anschließend einer Mittelwertbildung unterzogen.From the US 5,280,429 A method and apparatus for displaying multifrequency bioimpedances is described. In signal processing, among other things, signal values are multiplied and then averaged.

Aus der US 5 704 351 und der EP 0 738 496 A1 sind im Zusammenhang mit der Anzeige von elektrischen Signalen, die Körperfunktionen repräsentieren, Verfahrensschritte wie Analog-Digital-Wandlung, Überabtastung, Multiplikation mit digitalen Werten eines Oszillatorsignals und digitale Dezimierung der Werte für sich bekannt.From the US 5,704,351 and the EP 0 738 496 A1 are known per se in the context of displaying electrical signals representing body functions, such as analog-to-digital conversion, oversampling, multiplication with digital values of an oscillator signal, and digital decimation of the values.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrischen Impedanzmessung eines Körpers anzugeben, welche(s) auch bei Einzelmessungen eine Reduzierung von Rausch- und sonstigen Störsignalanteilen am Meßsignal ermöglicht.Of the Invention is based on the object, a method and an apparatus to provide an electrical impedance measurement of a body which (s) even with single measurements a reduction of noise and other Störsignalanteilen on the measuring signal allows.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale dieses Anspruchs und bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11 durch die Merkmale jenes Anspruchs gelöst.These Task is in a method according to the preamble of the claim 1 by the features of this claim and in a device according to the preamble of claim 11 by the features of that claim solved.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.further developments and advantageous embodiments will become apparent from the dependent claims.

Bei der Erfindung wird durch Überabtastung des Messsignals eine hohe Zahl von Abtastwerten gewonnen, die das Messsignal genauer repräsentieren. Durch anschließende digitale Mischung mit dem Datenstrom eines digitalen Oszillators ergibt sich ein Nutzsignal, das je nach Frequenz des digitalen Oszillators in die Null-Lage oder eine Zwischenfrequenz transformiert wird. Weitere Mischprodukte entsprechend den Summenfrequenzen der Mischsignale können durch anschließende Filter unterdrückt werden. Durch eine digitale Mittelung und/oder Dezimierung der Werte der Mischprodukte oder Multiplikationsprodukte ergibt sich eine Verringerung des Rauschens und gegebenenfalls gleichzeitig eine Reduktion der Abtastrate, die eine anschließende Filterung vereinfacht und außerdem geringere Ansprüche an die Verarbeitungsgeschwindigkeit einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung stellt.In the invention, by oversampling the measurement signal, a high number of samples is obtained which more accurately represent the measurement signal. By subsequent digital mixing with the data stream of a digital oscillator results in a useful signal, which is transformed depending on the frequency of the digital oscillator in the zero position or an intermediate frequency. Further mixed products corresponding to the sum frequencies of the mixed signals can be suppressed by subsequent filters. Through digital averaging and / or decimation tion of the values of the mixed products or multiplication products results in a reduction of the noise and possibly at the same time a reduction of the sampling rate, which simplifies a subsequent filtering and also makes lower demands on the processing speed of a downstream evaluation device.

Bei Mittelung können die digitalen Werte der erfassten Spannung und/oder die digitalen Werte des Oszillatorsignals im Mittelungszeitraum mit einer Fensterfunktion gewichtet werden. Mit dieser Wichtung kann das Signal am Anfang und Ende des Mittelungszeitraums gedämpft werden. Da im Regelfall außer dem Mischprodukt weitere Störanteile auf dem Messsignal vorhanden sind, wie Rauschen und konzentrierte Störer, würden diese das Nutzsignal verzerren, wodurch auch bei einem Zeitabschnitt ganzzahliger Perioden der erfassten Spannung die unerwünschten Mischprodukte nicht durch Filterung vom Nutzsignal zu trennen wären. Der Meßfehler durch diese uner wünschten Mischprodukte kann durch die beschriebene Maßnahme deutlich verringert werden.at Averaging can the digital values of the detected voltage and / or the digital ones Values of the oscillator signal in the averaging period with a window function be weighted. With this weighting, the signal at the beginning and the end of the averaging period. As a rule, except the Mixed product further noise components are present on the measurement signal, such as noise and concentrated Heckling, would these distort the useful signal, thereby also in a period of time integer periods of the detected voltage the unwanted Mixed products would not be separated from the useful signal by filtering. Of the measurement error wanted by this uner Mixed products can be significantly reduced by the described measure become.

Vorzugsweise wird die Multiplikation sowohl mit den Sinuswerten als auch den Cosinuswerten des Oszillatorsignals vorgenommen. Somit kann aus den Multiplikationsprodukten eine Inphase- und eine Quadraturkomponente bzw. Real- und Imaginärteil gewonnen werden, aus denen später Betrag und Phase der Impedanzwerte berechnet werden können.Preferably is the multiplication with both the sine values and the Cosine values of the oscillator signal made. Thus, from the Multiplication products an in-phase and a quadrature component or real and imaginary part won that will come out later Amount and phase of the impedance values can be calculated.

Alternativ kann für etwas geringere Anforderungen, insbesondere bei kleinen Phasenwinkeln, die Multiplikation mit den Sinuswerten oder den Cosinuswerten des Oszillatorsignals vorgenommen. Aus den Multiplikationsprodukten kann dann ein Real- oder Imaginärteil gewonnen werden, aus denen später der Betrag der Impedanzwerte berechnet wird.alternative can for slightly lower requirements, especially for small phase angles, the Multiplication with the sine values or the cosine values of the oscillator signal performed. From the multiplication products can then be a real or imaginary be gained, from which later the amount of impedance values is calculated.

Die Mittelung und/oder die digitale Dezimierung der Werte der Multiplikationsprodukte kann durch ein Cascated Integrator Comp-Filter, abgekürzt CIC-Filter, vorgenommen werden. Ein solches Filter lässt sich aus einer Mehrzahl kaskadierter Integratorstufen, gefolgt von einem Datenratendezimierer und einer Mehrzahl kaskadierter Kammfilterstufen aufbauen. Diese Lösung ist sehr effizient realisierbar.The Averaging and / or the digital decimation of the values of the multiplication products can be represented by a Cascated Integrator Comp filter, abbreviated CIC filter, be made. Such a filter can be made of a plurality cascaded integrator stages, followed by a data rate decimator and a plurality of cascaded comb filter stages. These solution is very efficient.

Nach der Dezimierung der Werte der Multiplikationsprodukte kann eine weitere digitale Filterung vorgenommen werden. Aufgrund der geringeren Datenrate durch die Dezimierung ist hier eine effizientere Unterdrückung von unerwünschten Mischprodukten möglich, als dies bei einer höheren Datenrate der Fall wäre.To The decimation of the values of the multiplication products can be a further digital filtering can be made. Due to the lower Data rate through the decimation is here a more efficient suppression of undesirable Mixed products possible, than this at a higher Data rate would be the case.

Eine weitere digitale Filterung kann durch wenigstens ein programmierbares Filter, z. B. ein Finite Impuls Responsive-Filter, abgekürzt FIR-Filter, vorgenommen werden.A further digital filtering can be achieved by at least one programmable Filter, e.g. B. a finite impulse response filter, abbreviated FIR filter made become.

Weiterhin können die Multiplikationsprodukte eine von Null abweichende Zwischenfrequenz bilden, die einer angepassten Filterung unterzogen werden, wobei die Dämpfung der Filterfunktion so gewählt wird, dass potentielle Störsignale reduziert werden. Z. B. können Filterflanken eines Bandpassfilters zwischen das Nutzsignal und ein potentielles Störsignal gelegt werden.Farther can the multiplication products a non-zero intermediate frequency form, which are subjected to an adapted filtering, wherein the damping the filter function is chosen that potential spurious signals be reduced. For example, you can Filter edges of a bandpass filter between the useful signal and put a potential interference signal become.

In der Weiterbildung dieser Maßnahme kann die Dämpfung des Filters adaptiv in automatischer oder nicht automatischer Anpassung der Parameter der Signalverarbeitung abhängig vom Störszenario gewählt werden.In the training of this measure can the damping the filter adaptive in automatic or non-automatic adjustment the signal processing parameter is selected depending on the disturbance scenario.

Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass die Bandbreite des Filters nicht verringert werden muss, was sonst zu einer Erhöhung der Einschwingzeit und damit zu einer Verringerung der Wiederholrate aufeinander folgender Messwerte führen würde. Bei gleicher Zeitkonstante ist somit eine verbesserte Selektion möglich.Of the Advantage of this measure is that the bandwidth of the filter does not decrease must be, what else to increase the settling time and thus reducing the repetition rate consecutive Measurements would result. at same time constant thus an improved selection is possible.

Weiterhin kann das Anregungssignal zusätzlich eine Information umfassen, die auch die vom Anregungssignal generierte zeitlich veränderliche Spannung prägt. Bei der Auswertung kann durch Unterscheidung der vom Anregungssignal generierten zeitlich veränderlichen Spannung und der von anderen Signalquellen generierten Spannungen eine zusätzliche Selektion des Nutzsignals vorgenommen werden.Farther can the excitation signal in addition comprise information that also generated by the excitation signal time-varying voltage impressed. In the evaluation, by distinguishing the excitation signal generated temporally variable Voltage and the voltages generated by other signal sources an additional Selection of the desired signal are made.

Weiterhin kann nach Einschwingen der Filter nur einer oder ein Teil der dann am Filterausgang anliegender Wert zur Berechnung der Impedanzwerte verwendet werden und die weiteren, bis zum Ausschwingen der Filter am Filterausgang anliegenden Werte ignoriert werden.Farther after settling the filter only one or a part of the then value applied to the filter output used to calculate the impedance values and the others, until the filters dwindle at the filter output attached values are ignored.

Ausgehend von der Überlegung, dass nach Einschwingen des Filters die Werte konstant bleiben, repräsentiert ein nach Einschwingen des Filters gewonnener Wert auch die weiteren Werte. Durch Ignorieren dieser weiteren Werte lässt sich die verbleibende Zeit für die weitere Signalverarbeitung früher nutzen.outgoing from the consideration, that after the filter has settled, the values remain constant a value obtained after settling of the filter also the others Values. Ignoring these other values leaves the remaining time for the use further signal processing earlier.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:following the invention will be explained with reference to a drawing. In the drawing show:

1 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung für eine Impedanztomografie, 1 a schematic circuit diagram of an apparatus for an impedance tomography,

2 einen Querschnitt durch einen Körper mit an dessen Oberfläche angeordneten Elektroden, 2 a cross section through a body with arranged on the surface of electrodes,

3 ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsschaltung als Bestandteil der schematischen Schaltung nach 1 und 3 a block diagram of a signal processing circuit as part of the schematic circuit according to 1 and

4 ein Diagramm der Übertragungsfunktion der Signalverarbeitungsschaltung nach 3 im Vergleich zum Stand der Technik. 4 a diagram of the transfer function of the signal processing circuit after 3 in comparison to the prior art.

1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung für eine Impedanztomografie. An der Oberfläche eines Körpers, hier am Brustkorb eines menschlichen Körpers 20 sind eine Mehrzahl von Oberflächenelektroden 1–16 mit z. B. gleichmäßigem gegenseitigem Abstand angeordnet. Die Oberflächenelektroden 1–16 führen über Verbindungsleitungen 22 zu einem Multiplexer 24. Über den Multiplexer 24 werden jeweils wenigstens zwei Elektroden z. B. 1, 2 (2) mit einem Anregungssignal beaufschlagt, das von einem Generator 26 erzeugt wird. Bei dem Generator 26 kann es sich um eine Wechselstromquelle oder Wechselspannungsquelle handeln. Weiterhin sind wenigstens zwei Sensoren oder weitere Elektroden z. B. 3–16 (2) über den Multiplexer 24 mit einer Signalverarbeitungsschaltung 28 verbunden, und an den Ausgang der Signal verarbeitungsschaltung 28 ist eine Auswerteeinrichtung 30 in Form eines Computers angeschlossen. 1 shows a schematic diagram of an apparatus for an impedance tomography. On the surface of a body, here on the thorax of a human body 20 are a plurality of surface electrodes 1 - 16 with z. B. arranged uniform mutual distance. The surface electrodes 1 - 16 lead via connecting lines 22 to a multiplexer 24 , About the multiplexer 24 in each case at least two electrodes z. B. 1 . 2 ( 2 ) is supplied with an excitation signal from a generator 26 is produced. At the generator 26 it can be an AC or AC source. Furthermore, at least two sensors or other electrodes z. B. 3 - 16 ( 2 ) via the multiplexer 24 with a signal processing circuit 28 connected, and to the output of the signal processing circuit 28 is an evaluation device 30 connected in the form of a computer.

Durch Einspeisen des Anregungssignals über wenigstens zwei Elektroden z. B. 1, 2 entsteht im Körper 20 ein Potenzialfeld, das für einen exemplarischen zeitlichen Zustand in einer in 2 gezeigten Querschnittsdarstellung angedeutet ist und sich über die übrigen Elektroden z. B. 3–16 abgreifen und über den Multiplexer 24 der Signalverarbeitungsschaltung 28 zuführen lässt. Innerhalb eines Zyklus werden die zum Einspeisen des Anregungssignals dienenden Elektroden durch den Multiplexer 24 umgeschaltet, so dass das eingespeiste Signal jeweils zu anderen Elektroden weitergeschaltet wird, bis alle benötigten Einspeisungsorte an der Oberfläche des Körpers 20 verwendet wurden. Die das Potenzial abgreifenden weiteren Elektroden werden innerhalb dieses Zyklusses mehrfach umgeschaltet, um aus dem Anregungssignal resultierende Spannungen der Signalverarbeitungsschaltung 28 zuzuführen. Die anschließende Auswerteeinrichtung 30 ermittelt dann aus dem zeitlich veränderlichen Anregungssignal und den zeitlich veränderlichen Spannungen Impedanzwerte oder deren Änderungen. Aus einer Messreihe von Impedanzwerten können z. B. durch Anwendung von Rückprojektionsalgorithmen Schnittbilder des Impedanzfeldes oder dessen Änderung im Körper 20 erzeugt und auf einem Bildschirm der Auswerteeinrichtung 30 dargestellt werden.By feeding the excitation signal via at least two electrodes z. B. 1 . 2 arises in the body 20 a potential field that represents an exemplary temporal state in an in 2 shown cross-sectional view is indicated and on the other electrodes z. B. 3 - 16 tapping and over the multiplexer 24 the signal processing circuit 28 can be fed. Within one cycle, the electrodes serving to inject the excitation signal are passed through the multiplexer 24 switched so that the injected signal is in each case forwarded to other electrodes until all the required feed points on the surface of the body 20 were used. The further electrodes tapping off the potential are switched several times within this cycle in order to generate voltages of the signal processing circuit resulting from the excitation signal 28 supply. The subsequent evaluation device 30 then determines from the time-varying excitation signal and the time-varying voltages impedance values or their changes. From a series of measurements of impedance values z. B. by application of back projection algorithms sectional images of the impedance field or its change in the body 20 generated and on a screen of the evaluation 30 being represented.

3 zeigt ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsschaltung 28 als Bestandteil der schematischen Schaltung nach 1. Durch einen sehr schnellen AD-Wandler 32 werden analoge Spannungswerte der von den Elektroden z. B. 3–16 erfassten und vom Multiplexer 24 durchgeschalteten Oberflächenspannungen des Körpers 20 mit hoher Überabtastung in digitale Daten umgewandelt. Die digitalen Daten gelangen dann an den einen Eingang eines digitalen Mischers 34, während zwei anderen Eingängen des digitalen Mischers 34 Daten eines digitalen Oszillators 36 zugeführt werden, und zwar einerseits ein Sinus-Datenstrom und andererseits ein Cosinus-Datenstrom. 3 shows a block diagram of a signal processing circuit 28 as part of the schematic circuit according to 1 , Through a very fast AD converter 32 are analog voltage values of the electrodes z. B. 3 - 16 captured and from the multiplexer 24 through-connected surface tensions of the body 20 with high oversampling converted into digital data. The digital data then go to one input of a digital mixer 34 while two other inputs of the digital mixer 34 Data of a digital oscillator 36 be fed, on the one hand, a sine data stream and on the other hand, a cosine data stream.

Durch Multiplikation des vom AD-Wandler 32 stammenden Datenstroms mit dem Sinus- und Cosinus-Datenstrom des digitalen Oszillators 36 wird die Frequenz der zeitlich veränderlichen Spannung, die dem vom AD-Wandler 32 stammenden Datenstrom aufgeprägt ist, in eine Zwischenfrequenz transformiert, die gleich Null oder auch von Null abweichend sein kann. Dadurch werden eine Inphase- und eine Quadraturkomponente getrennt, woraus später Betrag und Phase der Impedanzwerte bestimmt werden können. Darüber hinaus entstehen bei der digitalen Multiplikation auch Summenfrequenzen als Mischprodukte, die sich der Inphase- und der Quadraturkomponente überlagern.By multiplying that of the AD converter 32 derived data stream with the sine and cosine data stream of the digital oscillator 36 is the frequency of the time-varying voltage, that of the AD converter 32 is transformed into an intermediate frequency, which may be equal to zero or deviating from zero. As a result, an in-phase component and a quadrature component are separated, from which the magnitude and phase of the impedance values can be determined later. In addition, in the case of digital multiplication, sum frequencies also arise as mixed products which are superimposed on the in-phase component and the quadrature component.

An den beiden Ausgängen des digitalen Mischers 34 weisen die Datenströme nach wie vor die vom sehr schnellen AD-Wandler 32 vorgegebene Abtastrate auf, was eine unmittelbare digitale Auswertung erschweren würde, da hierfür eine extrem schnelle Auswerteeinrichtung erforderlich wäre. Um dieses Problem zu lösen, ist dem digitalen Mischer 34 eine digitale Dezimierungsstufe 38 nachgeordnet, die z. B. durch ein Cascaded Integrator Comb-Filter, abgekürzt CIC-Filter, realisiert ist. Dessen Dezimierungsrate ist durch Programmierung einstellbar. Die Dezimierungsrate ist direkt mit der Grenzfrequenz des Filters der digitalen Dezimierungsstufe 38 verknüpft.At the two outputs of the digital mixer 34 the data streams are still those of the very fast AD converter 32 predetermined sampling rate, which would complicate an immediate digital evaluation, since this would require an extremely fast evaluation. To solve this problem is the digital mixer 34 a digital decimation stage 38 downstream, the z. B. by a Cascaded Integrator Comb filter, abbreviated CIC filter realized. Its decimation rate is adjustable by programming. The decimation rate is directly related to the cutoff frequency of the filter of the digital decimation stage 38 connected.

Die digitale Dezimierung der ursprünglichen Abtastrate erleichtert nicht nur eine spätere Auswertung der Daten mit einer weniger schnellen Auswerteeinrichtung 30, sondern führt auch zu einer Verringerung des Rauschens durch die damit verbundene Filterung. Der Signal-Rausch-Abstand wird dabei entsprechend dem Dezimierungsfaktor erhöht. Die Verringerung des Rauschens beruht auf einer Mittelung der Rauschanteile. Außerdem wird durch Verringerung der Grenzfrequenz auch bereits ein Anteil der unerwünschten Mischprodukte gedämpft.The digital decimation of the original sampling rate not only facilitates later evaluation of the data with a less rapid evaluation device 30 but also leads to a reduction of noise through the associated filtering. The signal-to-noise ratio is increased according to the decimation factor. The reduction of the noise is based on an averaging of the noise components. In addition, by reducing the cut-off frequency, even a proportion of the unwanted mixing products is already damped.

An die digitale Dezimierungsstufe 38 schließen sich z. B. zwei weitere digitale Filter 40, 42 an, deren Übertragungsfunktionen über ihre Filterkoeffizienten programmierbar sind. Zusätzlich reduzieren sie weiter die Abtastrate. Bei den Filtern 40, 42 handelt es sich z. B. um Finite Impulse Responsive Filter, abgekürzt FIR-Filter.To the digital decimation stage 38 close z. B. two more digital filters 40 . 42 whose transfer functions are programmable via their filter coefficients. In addition, they further reduce the sampling rate. At the filters 40 . 42 is it z. For example, Finite Impulse Responsive Filter, abbreviated FIR filter.

Am Ausgang des letzten Filters 42 liegen die gefilterten und in der Datenrate reduzierten Werte der Inphase- und Quadraturkomponente an. Dabei werden unerwünschte Mischprodukte und spektrale Anteile ab einer bestimmten Grenzfrequenz der Gesamtübertragungsfunktion der Filter 38, 40, 42 unterdrückt, so dass für eine Zwischenfrequenz gleich Null die Werte der Inphase- und Quadraturkomponente jeweils als konstante Werte am Ausgang anliegen. Aufgrund der reduzierten Datenrate werden an die Verarbeitungsgeschwindigkeit der nachfolgenden Auswerteeinrichtung 30 geringere Anforderungen gestellt.At the exit of the last filter 42 are the filtered and reduced in the data rate values of the in-phase and quadrature component. This unwanted mixing products and spectral components from a certain cutoff frequency of the overall transfer function of the filter 38 . 40 . 42 is suppressed, so that for an intermediate frequency equal to zero, the values of the in-phase and quadrature components are present in each case as constant values at the output. Due to the reduced data rate, the processing speed of the subsequent evaluation device 30 lower requirements.

4 zeigt ein Diagramm der Übertragungsfunktion der Signalverarbeitungsschaltung nach 3 im Vergleich zu anderen Lösungen. Eine Übertragungsfunktion 50 ist einem Standardverfahren mit hoher Abtastrate und Mittelung zugeordnet. Diese Übertragungsfunktion zeigt nur einen sehr flachen Dämpfungsverlauf mit geringen Dämpfungswerten. Eine Übertragungsfunktion 52 ist einem Verfahren mit hoher Abtastrate, Mittelung und gleichzeitiger Gewichtung der Abtastwerte oder des Oszillatordatenstromes durch eine Fensterfunktion zugeordnet. Eine Dezimierung der Datenrate wird nicht vorgenommen und daher werden sehr hohe Anforderungen an die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Auswerteeinrichtung gestellt, die in der Regel das Maß der Überabtastung begrenzt. Die zugehörige Übertragungsfunktion 52 zeigt einen steileren Dämpfungsverlauf als die Übertragungsfunktion 50. Schließlich ist eine Übertragungsfunktion 54 der in 3 dargestellten Signalverarbeitungsschaltung zugeordnet. Diese Übertragungsfunktion zeigt bereits im Nahbereich eine hohe Dämpfung, die zu höheren Frequenzen hin stark zunimmt. 4 shows a diagram of the transfer function of the signal processing circuit after 3 compared to other solutions. A transfer function 50 is associated with a standard high sample rate and averaging method. This transfer function only shows a very flat attenuation curve with low attenuation values. A transfer function 52 is associated with a high sampling rate method, averaging and simultaneous weighting of samples or oscillator data stream through a window function. A decimation of the data rate is not made and therefore very high demands are placed on the processing speed of the evaluation, which usually limits the extent of oversampling. The associated transfer function 52 shows a steeper attenuation curve than the transfer function 50 , Finally, a transfer function 54 the in 3 associated signal processing circuit assigned. This transfer function already shows high attenuation in the near range, which increases strongly towards higher frequencies.

Da die Nutzinformation bei Mischung auf eine Zwischenfrequenz = 0 nur im Gleichanteil steckt, könnte die Bandbreite der Filter so schmal wie möglich bemessen werden. Je schmaler jedoch die Filter sind, desto länger dauert das Einschwingen. Das Ausschwingen ist nicht relevant, da vorher eingeschwungene Werte übernommen und die Auswertung dann abgebrochen werden kann. Für eine Erzeugung von Schnittbildern mit hoher Bildwiederholrate ist eine Mindestanzahl von Messungen erforderlich. Daran muß sich deshalb auch der mögliche Dezimierungsfaktor der Filter und deren Bandbreite orientieren.There the payload when mixed to an intermediate frequency = 0 only in DC share could the bandwidth of the filters should be as narrow as possible. The narrower, however the filters are the longer takes the swinging. The decay is not relevant because previously set values and the evaluation can then be aborted. For a generation A high refresh rate is a minimum required by measurements. This is why the possible decimation factor must be orient the filter and its bandwidth.

Das kann ggf. auch dynamisch je nach Notwendigkeit erfolgen. Auch ohne Verringerung der Bandbreite und damit erhöhter Einschwingzeit, kann ein dem Nutzsignal naher konzentrierter Störer wirkungsvoll unterdrückt werden, indem z. B. nur die Mittenfrequenz des Filters so verschoben wird, dass die Filterflanke zwischen Nutzsignal und Störer liegt. Zu diesem Zweck wird das Nutzsignal nicht gleich auf eine Zwischenfrequenz gleich Null gemischt, sondern auf eine geringe, von Null abweichende Zwischenfrequenz. Hier wird ein Bandpaß in der Mittenfrequenz verschoben, um die eine Filterflanke zwischen Nutz- und Störsignal zu legen. Das Verschieben in die Null-Lage kann dann die Auswerteeinrichtung vornehmen.The Optionally, it can also be done dynamically as needed. Without too Reduction of the bandwidth and thus increased settling time can be effectively suppressing the useful signal of near concentrated interferers, by z. B. only the center frequency of the filter is shifted so the filter edge lies between useful signal and interferer. To this end the useful signal does not equal equal to an intermediate frequency Zero mixed, but to a low, deviating from zero intermediate frequency. Here is a band pass in the center frequency shifted to the one filter edge between Useful and interference signal to lay. Moving to the zero position can then be the evaluation device make.

Nachfolgend werden die Vorteile der beschriebenen Lösung zusammengefaßt. Durch hohe Überabtastung ergibt sich eine Vergrößerung des Signal-Rausch-Abstandes. Eine geringe Störanfälligkeit wird durch schmalbandige Selektion erzielt, wodurch eine zusätzliche Reduzierung der Rauschbandbreite und daher Rauschleistung eintritt. Die weitere Signalverarbeitung wird bei einer moderaten Datenrate durchgeführt. Durch die hohe Überabtastung ist bei gleicher Mittelungstiefe im Vergleich zu anderen Verfahren eine höhere Bildwiederholrate realisierbar. Eine hohe Flexibilität ist durch Programmierbarkeit aller wichtigen Parameter gegeben. Außerdem ist eine gleichzeitige Messung bei unterschiedlichen Frequenzen möglich. Die benötigte Hardware ist vergleichsweise preiswert.following the advantages of the solution described are summarized. By high oversampling results in an increase in the Signal-to-noise ratio. A low susceptibility is due to narrowband Selection achieved, resulting in an additional reduction of noise bandwidth and therefore noise power occurs. The further signal processing is performed at a moderate data rate. Due to the high oversampling is at the same averaging depth compared to other methods a higher one Refresh rate can be realized. A high degree of flexibility is due Programmability of all important parameters given. Besides that is a simultaneous measurement at different frequencies possible. The needed hardware is relatively inexpensive.

1, 21, 2: Oberflächenelektrodensurface electrodes
3–163-16: Oberflächenelektrodensurface electrodes
2020: Körperbody
2222: Verbindungsleitungeninterconnectors
2424: Multiplexermultiplexer
2626: Generatorgenerator
2828: SignalverarbeitungsschaltungSignal processing circuit
3030: Auswerteeinrichtungevaluation
3232: AD-WandlerADC
3434: digitaler Mischerdigital mixer
3636: digitaler Oszillatordigital oscillator
3838: digitale Dezimierungsstufedigital decimation
4040: digitales Filterdigital filter
4242: digitales Filterdigital filter
5050: Übertragungsfunktiontransfer function
5252: Übertragungsfunktiontransfer function
5454: Übertragungsfunktiontransfer function

Claims

Method for electrical impedance measurement of a body to which at least two electrodes a time-varying excitation signal is fed and detected by sensors or other electrodes resulting from the excitation signal time-varying voltage, and the detected voltage after analog-to-digital conversion digitally filtered and then out the filtered values of the voltage and the excitation signal absolute or relative impedance values or transimpedances are determined, characterized in that the detected voltage is oversampled in the analog-to-digital conversion that the digital values then multiplied by digital values of an oscillator signal, a) for this multiplication, the digital values of the detected voltage or digital oscillator signals are weighted by a window function, an averaging is made over a defined period of the detected voltage and the averaged digital values are Calculation of the impedance values or transimpedances (absolute or relative) are used and / or b) a digital decimation of the values of the multiplication products for sampling rate reduction for a subsequent evaluation is made and the decimated values are used to calculate the impedance values or transimpedances (absolute or relative).

Method according to claim 1, characterized in that that the multiplication with both the sine values and the Cosine values of the oscillator signal is made and from the Multiplication products an in-phase and a quadrature component or a real and imaginary part be gained, from which later Impedance values or transimpedances (absolute or relative) can be calculated.

Method according to claim 1, characterized in that that the multiplication with the sine values or the cosine values the oscillator signal is made and from the multiplication products Real or imaginary part be gained, from which later Impedance values or transimpedances (absolute or relative) are calculated become.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized that the averaging and / or digital decimation of the values of the multiplication products by a Cascaded Integrator Comb-Filter, abbreviated CIC filter.

Method according to claim 4, characterized in that that after the decimation of the values of the multiplication products another digital filtering is done.

Method according to claim 5, characterized in that that a digital low-pass filtering by at least one programmable, non-recursive filter, in particular a Finite Impulse Responsive, abbreviated FIR filter made becomes.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized the multiplication products form a non-zero intermediate frequency and an adapted filtering, wherein the attenuation of the Filter function selected will that potential interference be reduced.

Method according to claim 7, characterized in that that damping the filter adaptive in automatic or non-automatic adaptation of the Parameter of the signal processing is selected depending on the disturbance scenario.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized that the excitation signal in addition includes information that also generated by the excitation signal time-varying voltage impressed and that in the evaluation by distinguishing the excitation signal generated temporally variable Voltage and the voltages generated by other signal sources, the extra one Information not included, an additional selection of the useful signal is made.

Method according to one of claims 1 to 9, characterized that after settling the filter only one or a part of the then values applied to the filter output for calculating the impedance values is used and the others at the filter output to swing out the values applied to the filter are ignored.

Apparatus for electrical impedance measurement of a body, consisting of a generator and at least two electrodes which can be connected to the generator and which are arranged on the body and via which a time-variable excitation signal can be fed into the body, as well as further sensors or sensors which can be connected to an analog-to-digital converter Electrodes, which are also arranged on the body and with which a time-varying voltage resulting from the excitation signal can be detected, a digital mixer connected to the analog-to-digital converter, a digital filter and an evaluation device connected to the digital filter for determining absolute or relative Impedance values or transimpedances from the filtered values of the voltage and the excitation signal, characterized in that the analog-to-digital converter performs an oversampling of the detected voltage that the digital mixer on the one hand, the output values of the analog-to-digital converter s and on the other hand the values of a digital oscillator are supplied, that the following digital filter is connectable to the evaluation device, wherein a) for multiplication the digital values of the detected voltage or the digital oscillator signals are weighted by a window function and for filtering tion a digital Integrator is used, which performs an averaging of the detected voltage and / or b) after the multiplication an integrator for averaging followed by a digital decimator is provided for the sampling rate reduction by digital decimation of the values of the multiplication products for a subsequent evaluation is used.

Device according to claim 11, characterized in that that the symbole has both sine and cosine values supplied to the oscillator signal and the multiplication products are an in-phase and a quadrature component include later Amount and phase or real and imaginary part of the impedance values or Transimpedances is calculable.

Device according to claim 11, characterized in that that the digital mixer sine or cosine of the oscillator signal are fed and from the multiplication products amount or real or imaginary part of Impedance values or transimpedances can be calculated.

Device according to one of claims 10 to 13, characterized that the digital decimator is a Cascaded Integrator Comb filter, abbreviated CIC filter, included.

Device according to claim 14, characterized in that that at the output of the digital decimator another digital Filter is arranged.

Device according to claim 15, characterized in that that the other digital filter is a low-pass filter and as at least a programmable, non-recursive filter, especially a finite Impulse Responsive, abbreviated FIR filter, trained is.

Device according to one of claims 10 to 15, characterized that the digital mixer on to a deviating from zero intermediate frequency for the Multiplication products adapted filter is downstream and the damping of Filter function selectable is that potential noise be reduced.

Device according to claim 17, characterized in that that damping the filter adaptive in automatic or non-automatic adjustment the parameter of the signal processing is selectable depending on the disturbance scenario.

Device according to one of claims 10 to 18, characterized that the excitation signal in addition includes information that also generated by the excitation signal temporally changeable Tension shapes, and that by means of the evaluation by distinguishing the generated by the excitation signal time-varying voltage and the voltages generated by other signal sources, these additional Information not included, an additional selection of the useful signal is vornehmbar.

Device according to one of claims 10 to 19, characterized that a filter forming a time window downstream of the filter output is, which after settling the filter only one or a part which then reads values applied to the filter output for calculating the impedance values and the others at the filter output until the filters sway out attached values ignored.