人体生物电阻抗的脉冲式检测方法及其应用

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：

　　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

　　图4所示为本文采用的测量原理简图。其中虚线框内的电路为人体皮肤电阻抗等效电路模型，Rref是参考电阻。

　　电平转换电路将输入的脉冲信号Uin转换为测量需要的脉冲激励信号Ui，Uresp为输出信号。每次测量时要对Ui和Uresp进行一次同步采样，利用(2)式计算电阻抗值：

　　对采样结果进行FFT后，即可求得由直流量及激励脉冲信号基频开始的各次谐波处的Z值，从而绘制出相应的电阻抗谱图。

　　本文利用软/硬件协同设计的方法研制了基于FPGA的脉冲式检测系统[5]，利用FPGA丰富的逻辑资源，实现对输入信号的控制、激励与输出信号的同步采样，并且具有一定的可重配置能力。

3、电阻抗谱测量实验

3.1 Randles单元模型电路

　　为了验证脉冲式检测系统对电阻抗谱图的测量能力，首先对图5所示的Randles单元模型电路[6]的电阻抗谱进行了测量。其中，R=8.11kΩ，C=2200 pF，参比电阻为Rref=8.08kΩ（全部元件参数由HP 4282A LCR分析仪实际测量得到）。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5 Randles单元模型示意图

　　设激励信号的频率为200Hz，由脉冲式检测系统以4.8MHz的采样频率对Randles单元模型电路的激励信号及输出采样信号进行采样及FFT处理，可得以200Hz为基频直至4.8MHz间各次倍频成分的频谱图。

　　绘出的电阻抗谱图如图6所示。图中实线部分为根据R、C及Rref参数计算所得的理论谱图，小圆点部分为用脉冲式检测系统测得电阻抗谱图（零频及1-299奇次倍频）。由图6可以看出，测得的Randles模型的电阻抗谱图与理论谱图吻合得很好，只有在高频段有些发散，这是由于随着谐波的倍频数增加，高频幅值衰减增加，其所携带能量急剧下降，结果受到扰动的机率也随之增大。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6 Randles单元模型电阻抗谱图

　　通过上述对Randles模型电阻抗谱的测量可知，脉冲式检测系统能检测出RC等效电路模型的电阻抗谱，该系统用于电阻抗谱的测量是有效的。电路中分布电容引起虚阻抗相对较大的变化。