阻抗谱血流图新方法及其在酒驾快速定量评估中的应用

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.

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。

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。