人體生物電阻抗的脈沖式檢測(cè)方法及其應(yīng)用
1、引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/195910.htm在人體成分的研究中,測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)采用單頻法,即只在一個(gè)固定頻率下,利用正弦波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,一般只測(cè)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(cè)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(cè)多個(gè)頻率點(diǎn)電阻抗的方法。
脈沖式檢測(cè)法是近幾年發(fā)展起來的一種無損檢測(cè)方法。利用脈沖信號(hào)中所含有的多諧波頻率成分,能夠比正弦波信號(hào)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(chǎng)可編程門陣列(FPGA)為核心的脈沖式檢測(cè)系統(tǒng),利用該系統(tǒng),對(duì)電阻抗的脈沖式檢測(cè)方法的可行性進(jìn)行了分析研究,在此基礎(chǔ)上,對(duì)人體皮膚水分的脈沖式檢測(cè)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。
2、電阻抗的脈沖式測(cè)量原理
方波脈沖信號(hào)作為電阻抗測(cè)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(cè)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(hào)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(hào)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(duì)信號(hào)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(duì)電阻抗測(cè)量的影響。為此,本文采取以下步驟:①對(duì)敏感電極施加頻率為f0的脈沖信號(hào),進(jìn)行響應(yīng)信號(hào)的采集與分析,得到被測(cè)對(duì)象的電阻抗譜;②實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)方波激勵(lì)信號(hào)的頻率,使其增加為nf0,同時(shí)進(jìn)行響應(yīng)信號(hào)的采集與分析,得到該激勵(lì)頻率時(shí)的電阻抗譜。③對(duì)兩次測(cè)得的電阻抗譜按照n倍頻進(jìn)行疊加。
圖4 測(cè)量原理簡圖
評(píng)論