人体生物电阻抗的脉冲式检测方法及其应用

3.2 人体皮肤电阻抗的检测

　　在测量人体皮肤电阻抗谱的实验中，选择人的左手中指为测量对象。测量前先用酒精擦拭所测中指的皮肤表面，然后将制作在印刷电路板上的叉指电极放于被测部位，施加一定的压力，并在整个测量过程中保持所施加的压力恒定不变。

　　实验研究中所用的叉指形电极如图7所示，图中的尺寸单位为毫米。电极的材料为金，金具有电阻率小、接触电阻小、性质稳定、耐腐蚀等特点。电极采用叉指的排列形式，其细小的间距可以使被测对象保持在皮肤表面部分。电极上面没有绝缘层，即电极与被测皮肤表面直接电气相连，皮肤可以作为一种电解质材料以等效电阻抗、而不只是电容的形式连到测量电路里面。将不同频率的交流电压施加到电极上，将测得的电流与电压进行比较，就得出皮肤的阻抗。

作为对照，用HP4282A precision LCR meter对人手中指上的被测部位进行了测试。其输出信号电压为2V，频率范围为20Hz~1MHz。通过对测量结果的计算，可得到(1)式中的参数值如表1所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1 计算出的等效电路模型参数值

　　拟合的电阻抗谱图与实测的电阻抗谱图如图8所示，图中菱形点表示拟合的电阻抗谱图，圆点表示比对实验测得的人体皮肤电阻抗谱图，小星号线表示用脉冲式检测系统实测的人体皮肤电阻抗等效电路模型的电阻抗谱图。

　　　　　　　　　　　　　　　　图8 拟合的电阻抗谱图与实测的电阻抗谱图

　　从图8可以看出，实测的等效电路模型的电阻抗谱图与其它两个阻抗谱图在中频段吻合得较好，而在低频和高频段存在一定的误差。原因是在低频段用电阻、电容模拟恒定相位元件造成误差，而高频段测量电路中分布电容引起虚阻抗相对较大的变化。

3.3 一种简化的皮肤水分测量方案

　　前面的实验结果表明，采用脉冲激励方式，可得到人体生物电阻抗的信息。根据皮肤水分测量对仪器在便携性方面的要求，设计了如图9所示的简化的脉冲检测电路。该简化方案使用单频脉冲信号激励，利用响应电流的峰值作为检测参量，实现对人体皮肤水分含量的测量

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图9 单频方波测量电路图

　　使用图7所示电极，得到不同皮肤部位的测量结果如图10所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图10 不同部位皮肤测量结果图

　　图中显示了在三个不同皮肤部位测量的响应曲线，测量的皮肤部位分别是：手指、脸、手腕。可以看出，响应电压不是马上就可以到达最大值，上升曲线的时间大概为1秒，而在2.5秒左右到达最后的稳定值。上升曲线的形状、快慢与电极接触皮肤的过程有关，曲线的最后稳定的最大值对于同一个检测皮肤部位一般不变；但是根据不同的皮肤，不同的皮肤湿润程度，这个最大值会相应的发生变化。这使得我们可以利用这个测量得到的响应曲线最大值作为被测皮肤的一个特征量作为研究，在误差允许的范围内，可以作为皮肤水分的一个指标。

4、结论

　　本文对一种利用脉冲信号激励的电阻抗测量方法进行了研究分析，研制了以现场可编程门阵列（FPGA）为核心的脉冲式检测系统，并对人体皮肤生物电阻抗进行了实验，结果表明该方法能够同时得到多个频率点的生物电阻抗信息，可有效用于人体皮肤电阻抗检测中。在此基础上提出一种利用单频方波的简化的皮肤水分测量方案，可使测量仪器简单化、便携化。