人體生物電阻抗的脈沖式檢測方法及其應(yīng)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(jiān)視、疾病的早期診斷有著重要的意義[1]。

　　人體組織的電阻抗特性比一般物體要復(fù)雜得多，最明顯的特點(diǎn)是電阻抗的值會(huì)隨著測量頻率的變化而變化。這是由于人體細(xì)胞內(nèi)液體組織不是簡單的表現(xiàn)為電阻的特性，細(xì)胞內(nèi)水分與細(xì)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(shù)，用來描述皮膚角質(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(dǎo)納如（1）式所示：

（1）

　　其中：

　　顯然，CPE環(huán)節(jié)的存在，使得人體的生物電阻抗原則上無法用簡單的R、C元件所組成的集總參數(shù)電路模型來描述。

　　傳統(tǒng)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(xiàn)簡單，很適合在便攜儀器上推廣。但是，單頻法無法將CPE的影響表現(xiàn)出來，測量結(jié)果容易出現(xiàn)較大的誤差。為了能夠更準(zhǔn)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)展起來的一種無損檢測方法。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(lì)提供更多的信息，并擁有更快的響應(yīng)速度。本文研制了一種以現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）為核心的脈沖式檢測系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，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(chǔ)上，對人體皮膚水分的脈沖式檢測方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(lì)源，波形穩(wěn)定，易于同數(shù)字電路結(jié)合實(shí)現(xiàn)，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(xì)實(shí)線為理想方波的時(shí)域波形及頻譜，圖2中的粗實(shí)線、圖3中的虛線分別表示實(shí)際方波信號的時(shí)域波形及頻譜?？梢钥吹剑c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(yīng)頻率分量的幅值衰減得更快。以理想方波的頻譜為基準(zhǔn)，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(yīng)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(diào)節(jié)方波激勵(lì)信號的頻率，使其增加為nf0，同時(shí)進(jìn)行響應(yīng)信號的采集與分析，得到該激勵(lì)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 測量原理簡圖