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的信息，對人身體狀況的監視、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雜得多，最明顯的特點是電阻抗的值會隨著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為其兩個參數，用來描述皮膚角質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環節的存在，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電路模型來描述。

　　傳統的人體生物電阻抗檢測采用單頻法，即只在一個固定頻率下，利用正弦波信號進行測量，一般只測量電阻抗的模，所以實現簡單，很適合在便攜儀器上推廣。但是，單頻法無法將CPE的影響表現出來，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，需要有一種可同時檢測多個頻率點電阻抗的方法。

　　脈沖式檢測法是近幾年發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可編程門陣列（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行了實驗分析。

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現，且具有較寬的頻譜，在防止被測單元極化的同時，能夠得到多頻率點的信息。

圖2 理想方波和實際方波的時域波形

圖3 理想方波和實際方波的頻譜圖

　　圖2、3中的細實線為理想方波的時域波形及頻譜，圖2中的粗實線、圖3中的虛線分別表示實際方波信號的時域波形及頻譜。可以看到，與理想情況相比，實際方波信號在時域上具有一定的上升時間，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，實際波形中所含的頻率分量越多，上升時間就越短。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，進行響應信號的采集與分析，得到被測對象的電阻抗譜；②實時調節方波激勵信號的頻率，使其增加為nf0，同時進行響應信號的采集與分析，得到該激勵頻率時的電阻抗譜。③對兩次測得的電阻抗譜按照n倍頻進行疊加。

圖4 測量原理簡圖