基于單片機的生物電阻抗頻譜測量系統

0 引 言
長(cháng)期以來(lái)，對生物組織電性質(zhì)的研究一直是生物醫學(xué)工程學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)。生物組織的電學(xué)性質(zhì)是人們認識生命物質(zhì)的一個(gè)重要方面。
生命物質(zhì)電阻抗作為一個(gè)重要的電參數，在電性質(zhì)研究中占有很重要的地位，生物組織生理病理特性可以通過(guò)電阻抗來(lái)反映。許多研究表明，生物組織電特性的頻率依賴(lài)性很強，因此，對生物組織電特性的研究常采用多頻電阻抗法。目前，國內外學(xué)者已經(jīng)通過(guò)研究生物組織的阻抗特性預測早期疾病、治療過(guò)程中的監護、區分正常組織和病變組織等。在這些研究報道中發(fā)現，對相關(guān)生物組織的阻抗特性主要使用現成的阻抗分析儀測量，這些儀器均非針對生物組織而設計，因此存在對測量對象造成破壞、非實(shí)時(shí)、價(jià)格昂貴等問(wèn)題。同時(shí)對生物組織頻譜測量系統的研究也在逐漸展開(kāi)，并有少數的國外相關(guān)報道。因此，在這些研究的基礎上，總結并設計一種先進(jìn)、優(yōu)化、方便快捷的生物電阻抗測量系統。該系統能全自動(dòng)、在很短時(shí)間內完成從1 Hz～10 MHz的逐頻掃描，并記錄和顯示各頻率點(diǎn)對應的幅值和相位。同時(shí)，系統可以和PC機相關(guān)聯(lián)，具有很強的可擴展性。

1 測量原理
生物組織在不同的頻率下，具有不同的阻抗特性。對生物組織阻抗特性測量采用兩電極法，電路由電極和組織組成的電極系統Zx及無(wú)感容的標準純電阻Rs串聯(lián)組成。由于信號源產(chǎn)生的電壓只有毫伏，檢測到的Zx和Rs兩端電壓通過(guò)同比例放大后的電壓為UZ和UR。設信號源輸出電壓Ui=Umsin(ωt)。同時(shí)信號源Ui，UZ和UR之間的關(guān)系滿(mǎn)足平行四邊形法則，通過(guò)Zx和Rs的電流I，UZ和UR可表示為：

通過(guò)式(2)和式(3)，可以計算得式(4)：

因此，通過(guò)測量和計算就可以獲得生物組織的幅頻和相頻特性。

2 生物電阻抗頻譜測量系統
2．1 系統總體
生物阻抗頻譜測量系統原理如圖1所示。該系統主要包括電源模塊、實(shí)驗平臺、信號檢測、MCU、液晶顯示、鍵盤(pán)、SD卡存儲器、USB接口等。