人体生物电阻抗的检测方法及其应用

2011-10-25 11:22:59来源: 互联网

1、引言

  在人体成分的研究中,测量人体生物电阻抗值可以得到水分、脂肪等与人体健康状况有关的信息,对人身体状况的监视、疾病的早期诊断有着重要的意义[1]。

  人体组织的电阻抗特性比一般物体要复杂得多,最明显的特点是电阻抗的值会随着测量频率的变化而变化。这是由于人体细胞内液体组织不是简单的表现为电阻的特性,细胞内水分与细胞膜的作用更多是以电容的特性存在。

  图1所示为人体皮肤电阻抗的等效电路模型 [2]。其中R1为活性皮肤中的离子电阻;R2是基于角质层中离子迁移率的电阻;CPE是恒定相位角元件,RPOL、CPOL为其两个参数,用来描述皮肤角质层中的介电弥散和损耗[3][4]。

                                  
                        图1 人体皮肤的等效电路模型
 
  该模型的总的导纳如(1)式所示:


                                                           (1)
 
  其中:

                     

                     


  显然,CPE环节的存在,使得人体的生物电阻抗原则上无法用简单的R、C元件所组成的集总参数电路模型来描述。

  传统的人体生物电阻抗检测采用单频法,即只在一个固定频率下,利用正弦波信号进行测量,一般只测量电阻抗的模,所以实现简单,很适合在便携仪器上推广。但是,单频法无法将CPE的影响表现出来,测量结果容易出现较大的误差。为了能够更准确地得到人体生物电阻抗的信息,需要有一种可同时检测多个频率点电阻抗的方法。

  脉冲式检测法是近几年发展起来的一种无损检测方法。利用脉冲信号中所含有的多谐波频率成分,能够比正弦波信号激励提供更多的信息,并拥有更快的响应速度。本文研制了一种以现场可编程门阵列(FPGA)为核心的脉冲式检测系统,利用该系统,对电阻抗的脉冲式检测方法的可行性进行了分析研究,在此基础上,对人体皮肤水分的脉冲式检测方法进行了实验分析。

2、电阻抗的脉冲式测量原理

  方波脉冲信号作为电阻抗测量的激励源,波形稳定,易于同数字电路结合实现,且具有较宽的频谱,在防止被测单元极化的同时,能够得到多频率点的信息。

                   


               图2 理想方波和实际方波的时域波形

                             


                      图3 理想方波和实际方波的频谱图

  图2、3中的细实线为理想方波的时域波形及频谱,图2中的粗实线、图3中的虚线分别表示实际方波信号的时域波形及频谱。可以看到,与理想情况相比,实际方波信号在时域上具有一定的上升时间,且相应频率分量的幅值衰减得更快。以理想方波的频谱为基准,实际波形中所含的频率分量越多,上升时间就越短。因此,在对信号的采样中,就要采集尽可能多的频率成分,以减小高频幅值衰减对电阻抗测量的影响。为此,本文采取以下步骤:①对敏感电极施加频率为f0的脉冲信号,进行响应信号的采集与分析,得到被测对象的电阻抗谱;②实时调节方波激励信号的频率,使其增加为nf0,同时进行响应信号的采集与分析,得到该激励频率时的电阻抗谱。③对两次测得的电阻抗谱按照n倍频进行叠加。

                        


                                     图4 测量原理简图

[1] [2] [3]

关键字:生物电阻抗  检测方法

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2011/1025/article_3779.html
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