人體生物電阻抗的脈沖式檢測(cè)方法及其應(yīng)用

　　電平轉(zhuǎn)換電路將輸入的脈沖信號(hào)Uin轉(zhuǎn)換為測(cè)量需要的脈沖激勵(lì)信號(hào)Ui，Uresp為輸出信號(hào)。每次測(cè)量時(shí)要對(duì)Ui和Uresp進(jìn)行一次同步采樣，利用(2)式計(jì)算電阻抗值：

（2）

　　對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行FFT后，即可求得由直流量及激勵(lì)脈沖信號(hào)基頻開始的各次諧波處的Z值，從而繪制出相應(yīng)的電阻抗譜圖。

　　本文利用軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法研制了基于FPGA的脈沖式檢測(cè)系統(tǒng)[5]，利用FPGA豐富的邏輯資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的控制、激勵(lì)與輸出信號(hào)的同步采樣，并且具有一定的可重配置能力。

3、電阻抗譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)

3.1 Randles單元模型電路

　　為了驗(yàn)證脈沖式檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)電阻抗譜圖的測(cè)量能力，首先對(duì)圖5所示的Randles單元模型電路[6]的電阻抗譜進(jìn)行了測(cè)量。其中，R=8.11kΩ，C=2200 pF，參比電阻為Rref=8.08kΩ（全部元件參數(shù)由HP 4282A LCR分析儀實(shí)際測(cè)量得到）。

圖5 Randles單元模型示意圖

　　設(shè)激勵(lì)信號(hào)的頻率為200Hz，由脈沖式檢測(cè)系統(tǒng)以4.8MHz的采樣頻率對(duì)Randles單元模型電路的激勵(lì)信號(hào)及輸出采樣信號(hào)進(jìn)行采樣及FFT處理，可得以200Hz為基頻直至4.8MHz間各次倍頻成分的頻譜圖。

　　繪出的電阻抗譜圖如圖6所示。圖中實(shí)線部分為根據(jù)R、C及Rref參數(shù)計(jì)算所得的理論譜圖，小圓點(diǎn)部分為用脈沖式檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)得電阻抗譜圖（零頻及1-299奇次倍頻）。由圖6可以看出，測(cè)得的Randles模型的電阻抗譜圖與理論譜圖吻合得很好，只有在高頻段有些發(fā)散，這是由于隨著諧波的倍頻數(shù)增加，高頻幅值衰減增加，其所攜帶能量急劇下降，結(jié)果受到擾動(dòng)的機(jī)率也隨之增大。

圖6 Randles單元模型電阻抗譜圖

　　通過上述對(duì)Randles模型電阻抗譜的測(cè)量可知，脈沖式檢測(cè)系統(tǒng)能檢測(cè)出RC等效電路模型的電阻抗譜，該系統(tǒng)用于電阻抗譜的測(cè)量是有效的。電路中分布電容引起虛阻抗相對(duì)較大的變化。

3.2 人體皮膚電阻抗的檢測(cè)

　　在測(cè)量人體皮膚電阻抗譜的實(shí)驗(yàn)中，選擇人的左手中指為測(cè)量對(duì)象。測(cè)量前先用酒精擦拭所測(cè)中指的皮膚表面，然后將制作在印刷電路板上的叉指電極放于被測(cè)部位，施加一定的壓力，并在整個(gè)測(cè)量過程中保持所施加的壓力恒定不變。

　　實(shí)驗(yàn)研究中所用的叉指形電極如圖7所示，圖中的尺寸單位為毫米。電極的材料為金，金具有電阻率小、接觸電阻小、性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕等特點(diǎn)。電極采用叉指的排列形式，其細(xì)小的間距可以使被測(cè)對(duì)象保持在皮膚表面部分。電極上面沒有絕緣層，即電極與被測(cè)皮膚表面直接電氣相連，皮膚可以作為一種電解質(zhì)材料以等效電阻抗、而不只是電容的形式連到測(cè)量電路里面。將不同頻率的交流電壓施加到電極上，將測(cè)得的電流與電壓進(jìn)行比較，就得出皮膚的阻抗。

圖7 叉指型電極

　　作為對(duì)照，用HP4282A precision LCR meter對(duì)人手中指上的被測(cè)部位進(jìn)行了測(cè)試。其輸出信號(hào)電壓為2V，頻率范圍為20Hz~1MHz。通過對(duì)測(cè)量結(jié)果的計(jì)算，可得到(1)式中的參數(shù)值如表1所示。