人體生物電阻抗的脈沖式檢測方法及其應用

1、引言

　　在人體成分的研究中，測量人體生物電阻抗值可以得到水分、脂肪等與人體健康狀況有關(guān)的信息，對人身體狀況的監視、疾病的早期診斷有著(zhù)重要的意義[1]。

　　人體組織的電阻抗特性比一般物體要復雜得多，最明顯的特點(diǎn)是電阻抗的值會(huì )隨著(zhù)測量頻率的變化而變化。這是由于人體細胞內液體組織不是簡(jiǎn)單的表現為電阻的特性，細胞內水分與細胞膜的作用更多是以電容的特性存在。

　　圖1所示為人體皮膚電阻抗的等效電路模型 [2]。其中R1為活性皮膚中的離子電阻；R2是基于角質(zhì)層中離子遷移率的電阻；CPE是恒定相位角元件，RPOL、CPOL為其兩個(gè)參數，用來(lái)描述皮膚角質(zhì)層中的介電彌散和損耗[3][4]。

圖1 人體皮膚的等效電路模型

　　該模型的總的導納如（1）式所示：

（1）

　　其中：

　　顯然，CPE環(huán)節的存在，使得人體的生物電阻抗原則上無(wú)法用簡(jiǎn)單的R、C元件所組成的集總參數電路模型來(lái)描述。

　　傳統的人體生物電阻抗檢測采用單頻法，即只在一個(gè)固定頻率下，利用正弦波信號進(jìn)行測量，一般只測量電阻抗的模，所以實(shí)現簡(jiǎn)單，很適合在便攜儀器上推廣。但是，單頻法無(wú)法將CPE的影響表現出來(lái)，測量結果容易出現較大的誤差。為了能夠更準確地得到人體生物電阻抗的信息，需要有一種可同時(shí)檢測多個(gè)頻率點(diǎn)電阻抗的方法。

　　脈沖式檢測法是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)損檢測方法。利用脈沖信號中所含有的多諧波頻率成分，能夠比正弦波信號激勵提供更多的信息，并擁有更快的響應速度。本文研制了一種以現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）為核心的脈沖式檢測系統，利用該系統，對電阻抗的脈沖式檢測方法的可行性進(jìn)行了分析研究，在此基礎上，對人體皮膚水分的脈沖式檢測方法進(jìn)行了實(shí)驗分析。

2、電阻抗的脈沖式測量原理

　　方波脈沖信號作為電阻抗測量的激勵源，波形穩定，易于同數字電路結合實(shí)現，且具有較寬的頻譜，在防止被測單元極化的同時(shí)，能夠得到多頻率點(diǎn)的信息。

圖2 理想方波和實(shí)際方波的時(shí)域波形

圖3 理想方波和實(shí)際方波的頻譜圖

　　圖2、3中的細實(shí)線(xiàn)為理想方波的時(shí)域波形及頻譜，圖2中的粗實(shí)線(xiàn)、圖3中的虛線(xiàn)分別表示實(shí)際方波信號的時(shí)域波形及頻譜?？梢钥吹?，與理想情況相比，實(shí)際方波信號在時(shí)域上具有一定的上升時(shí)間，且相應頻率分量的幅值衰減得更快。以理想方波的頻譜為基準，實(shí)際波形中所含的頻率分量越多，上升時(shí)間就越短。因此，在對信號的采樣中，就要采集盡可能多的頻率成分，以減小高頻幅值衰減對電阻抗測量的影響。為此，本文采取以下步驟：①對敏感電極施加頻率為f0的脈沖信號，進(jìn)行響應信號的采集與分析，得到被測對象的電阻抗譜；②實(shí)時(shí)調節方波激勵信號的頻率，使其增加為nf0，同時(shí)進(jìn)行響應信號的采集與分析，得到該激勵頻率時(shí)的電阻抗譜。③對兩次測得的電阻抗譜按照n倍頻進(jìn)行疊加。

圖4 測量原理簡(jiǎn)圖