（检测技术与自动化装置专业论文）人体电阻抗测量系统设计.pdf

摘要玺凌亳疆撬溅量技零( b i o e l e c t r i c a ti m p e d a n c em e a s u r i n gt e c h n o l o g y ) 霆羁萎l生物组织与器官的电特性( 阻抗、导纳、介电常数等) 及其变化，提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的一种澈损伤检测技术。这种技术具有无创、廉价、安全、无毒无害、操作简便和信息丰留等特点，可以对心、脑、肺及相关循环系统进行功能评价，因此具有广泛的暾用翦景。嚣翦，生凌毫辍魏溺爨系统豹激聚豢攀还弱疆于且委k h z 以下戆低频范强内，真正其有能穿透缁臌壤，能够提取细胞内液信息的l m h z 5 m h z 激励额率的测量系统还不多见。针对上述状况，作者设计了一套激励频率在0 1 m h z 之间的多频率人体电阻抗测量系统，采明t l 公司的t m s 3 2 0 f 2 0 6 作为核心控制器，并针对实际测量。p “参考点”难予选辑靛| 蠡遂，设诗了一耪“霞参考点”熬孵稍方法，刭强滔宅投法实现对入体电阻抗实部翻虚部匏测塞。，本文较全面地介绍了人体电阻抗测量系统的工作原理及软硬件设计方案。同时，利用作者设计的测擞系统对构建的r c 三元件模拟网络进行了测量及误差分析。缀焉，箨者铮列本系统中存在的不是，绳蠢了一些改遴建议。关键词：人体电阻抗虚部信息乘法解调数字信号处理器数据采集系统四电极法聪按电流源a b s t r a c tb i o e l e c t r i ci m p e d a n c em e a s u r i n gt e c h n o l o g yi san o n i n v a s i v ed e t e c t i n gt e c h n i q u ew h i c he x t r a c t sb i o m e d i c a li n f o r m a t i o nr e l a t i n gt oh u m a nb o d y sp h y s i o l o g i c a la n dp a t h o l o g ys t a t u s ，t h r o u g ht h ec h a n g eo fe l e c t r i c a lc h a r a c t e r s( i m p e d a n c e ，a d m i t t a n c e ，p e r m i t t i v i t y ) i nb i o l o g i c a lt i s s u ea n do r g a n t h i st e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sn o n i n v a s i v e ，l o w - c o s t ，s a f e t y , n o n t o x i c ，h u r t l e s s ，e a s yt oo p e r a t ea n dw e a l t ho fi n f o r m a t i o n f u n c t i o ne v a l u a t i o no fh e a r t ，b r a i n ，l u n ga n dc i r c u l a t i o ns y s t e mc o u l db ea c h i e v e du s i n gt h i st e c h n i q u e ，s oi th a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o np e r s p e c t i v e a tp r e s e n t ，t h ee x c i t i n gf r e q u e n c yo fb i o e l e c t r i ci m p e d a n c em e a s u r i n gs y s t e mi sg e n e r a l l yb e l o ws e v e r a lh u n d r e d sk h z t h em e a s u r i n gs y s t e mw h i c he x c i t i n gf r e q u e n e yr a n g ei sf r o m1m h zt o5 m h za n dc a np e n e t r a t ec e l l m e m b r a n et oe x t r a c tt h ei n t r a c e l l u l a ri n f o r m a t i o nr e m a i n st ob es e t t l e d a c c o r d i n gt oa b o v es i t u a t i o n ，a u t h o rd e s i g n e dam u l t i - f r e q u e n c yh u m a nb o d y si m p e d a n c em e a s u r i n gs y s t e mf r o mo 1 m h z t h ek e yc o n t r o l l e ro ft h i ss y s t e mi st m s 3 2 0 f 2 0 6 t os o l v et h ep r o b l e m ，t h e r e f e r e n c ep o i n t i sd i f f i c u l tt oc h o o s e a u t h o rp r e s e n t e da d e m o d u l a t i o n m e t h o d ，n a m e d v i s u a lr e f e r e n c e p o i n t 。w i t h t h i s m e t h o d t h es y s t e mc a nm e a s u r et h er e a lp a r ta n di m a g ep a r to fh u m a nb o d y si m p e d a n c et h r o u g hf o u r e l e c t r o d em e t h o d t h i sp a p e ri m r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fo p e r a t i o n ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n so ft h i sh u m a nb o d y si m p e d a n c em e a s u r i n gs y s t e m m e a s u r e m e n t sb a s e do nr ct h r e ec o m p o n e n t ss i m u l a t i o nn e t w o r kw e r ep e r f o r m e dw i t ht h i ss y s t e m t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa n de r r o ra n a l y s i sh a da l s ob ed o n e +f i n a l l y , s o m ei m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n sw e r ep r e s e n t e da tt h ee n do f t h e s i s k e yw o r d s ：h u m a nb o d y si m p e d a n c ei m a g ei n f o r m a t i o nm u l t i p l i e rd e m o d u l a t i o nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rd a t aa c q u i s i t i o nf o u r - e l e c l x o d em e t h o dv c c s独创性声明本入声绸耩鏊交熬学位论文是本入在导帮摇嚣下迸孑亍静磅究工佟稻觏得熬研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含熟他人已经发表袋撰写过豹研究戏鬃，氇不氇含为获褥：蒸壅叁整蕺篡 龟教蠢橇稳静学位或_ | 委书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中侔了明礁豹滋鞠并表示了谢意。学位论文作者签名：瘟东艘链字日期：二肿牛年f 月ri = 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫注盘芷有关保留、使用学位论文的规定。姆授权爨盗盘壁霹以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据摩遴霉亍检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供蜜阅和储阅。同意学校向国家有关部门戏机构送交论文的复印传靼磁盘。( 傈密的学能论文在解密后遁用本授权说明)学位论文作者签名：j 敷著、蠢乏导师签名：至髭屏篓字磊期：如学年，簿f 搿签字g 期：舻卒窜f 弼莎日第一章绪论1 1 引言第一章绪论生物电阻抗测量技术( b i o e l e c t r i ci m p e d a n c em e a s u r i n gt e c h n o l o g y ) 是利用生物组织与器官的电特性( 阻抗、导纳、介电常数等) 及其变化，提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术。它通常是借助置于体表的激励电极向被测对象施加微小的交变电流( 或电压) 信号，同时通过测量电极检测组织表面的、电压( 或电流) 信号，由所测信号计算出相应的电阻抗及其变化，然后根据不同的应用目的，获取相关的生理和病理信息。这种技术或方法具有无创、廉价、安全、无毒无害、操作简便和信息丰富等特点，具有广泛的应用前景。利用生物电阻抗分析法( b i o e l e c t r i c a li m p e d a n c ea n a l y s i s ，b i a ) ，可以实现刑生物组织细胞内、外液电阻抗分布的测量，这种方法对于了解生物组织的生理状态具有十分重要的意义。同时，在心、脑、肺血管与循环系统疾病的诊断、病变组织的检测及组织的分类、新陈代谢能力的估计、体内水分的测量及水肿的检测、人工透析的监护以及肿瘤的探测等方面有着广阔的应用前景。对于生物组织电阻抗特性的研究，一直是生理学、生物医学工程学关注的热点问题。1 2 生物电阻抗理论发展生物电阻抗测量方法与技术的发展历史可以追溯到1 8 世纪，1 7 8 0 年意大利神经生理学家g a l v a n i 通过观察蛙的神经肌肉收缩现象建立了生物电理论。最早开始研究生物组织电阻抗的是德国科学家h e r m a n n , 1 8 7 1 年成功地测量了骨骼肌的电阻，并发现电流沿不同方向通过骨骼肌时，呈现出不同的电阻值，横向电阻( 沿垂直于骨骼肌方向) 大约是纵向电阻( 沿骨骼肌方向) 的4 至9 倍。1 9 3 0年，s a p e g n o 用交流电桥第一次测量出生物组织的电容阻引。1 9 2 8 年美国c a l i f o r n i a 大学的c o l ek s 在总结前人工作的基础上，提出生物组织的电阻抗可以用复平面上的一段圆弧表示汜钔。后来c o l ek s 和c o l er h 进一步将其发展为c o l e - c o l e 理论，并建立了生物组织的r 、c 三元件电路等效模型，即生物组织可等效为由细胞内、外液电阻以及细胞膜电容串并联后所组成的第一章绪论模型 2 11 5 1 。1 9 5 7 年s c h w a n 又成功的提出了频散理论，表明生物组织的电特性在不同的频段呈显著变化1 2 , l 。至此，生物组织电特性的理论基本形成( 这些原理将在第二章中具体阐述) 。此后，生物电阻抗技术逐渐向实用化发展，人体血流图、人体成份分析、电阻抗断层成像等技术成为各国学者的重点研究方向。1 3 生物电阻抗技术的研究方向及应用前景生物电阻抗技术的真正优势在于利用生物阻抗所携带的丰富的生理和病理信息，对人体组织与器官进行无损伤的功能性评价。当疾病发生时，相关组织与器官的功能性病变往往会先于器质性病变及其它临床症状发生，如能在疾病的潜伏期或功能代偿期及时检测和确认这些变化，对于相关疾病的普查、预防和早期治疗将是非常有利的。生物电阻抗技术提取的是与人体组织和器官功能紧密相关的电特性信息，对血液、气体、体液和不同组织成份具有独特的鉴别力，对那些影响组织与器官电特性的因素，如血液的流动与分布，肺内的血气交换，体液变化与移动等非常敏感。以此为基础，进行心、脑、肺及相关循环系统的功能评价，是生物电阻抗技术最显著的优势。生物电阻抗技术的进一步发展己把重点放在全信息复阻抗检测方法和人体组织和器官功能信息的提取方面i 6 】。无论在基础研究还是在临床应用领域，使用单- - n 量频率，只取阻抗模量或实部的测量方法已不能令人满意，而应充分考虑人体组织阻抗中的容抗特性，改进理论模型，研究采用多频测量、提取复阻抗全信息、旨在评价人体组织和器官功能状态的新型检测技术。在获取阻抗全信息( 模量与相角或实部与虚部) 的前题下，生物电阻抗技术可进入细胞层次，今后将有广阔的发展和应用前景。主要的发展和应用方向如下：1 现行血流图技术的改善和提高由于采用包括容抗特性的人体组织阻抗物理模型，可分别描述细胞外液、细胞内液和细胞膜的电特性，不再把血液、组织、器官等作为一个均匀的整体，在今后的血流图技术中将出现与人体组织和器官功能状况紧密相关的特征参数，使用更准确的阻抗量化关系。这样，血流图用于评价人体功能变化的l 临床应用效果将明显提高。2 实现血液动力学和流变学的载体动态研究全信息的复阻抗检测技术可望以血流中的红细胞为观察研究对象，通过对其在血流中运动状况的检测，可提取出反映血液性质、血管状况和血液流场变化等第一章绪论血液动力学和流变学信息，形成一系列新兴的，可在体、动态地综合评价血液动力学和流变学行为的无损检测方法 1 ，具有广泛的社会效益和显著的经济效益。3 心、脑、肺血管及循环系统功能检测以红细胞为观察研究对象的全信息生物电阻抗技术，由于是从细胞水平上提取血液、血管、组织和器官的生理和病理状态及其变化信息，因而对心、脑、肺血管及循环系统的功能变化非常敏感，可方便地对这些系统进行多指标、全面的功能监测和评价昭1 ，并可对尚未表现出临床症状的某些疾病作出前瞻性预报。有利于相关疾病的普查、预防和早期治疗。4 肿瘤的早期发现和诊断肿瘤组织细胞与f 常细胞之间的差异很大。采用对细胞变异敏感的全信息生物阻抗技术，可在细胞发生癌变的早期，获取相关信息。可确定肿瘤的存在，并监测细胞癌变的发生和发展过程，精确定位异常与正常细胞的界面等，将为肿瘤的早期发现、及时治疗和康复监测提供一种有效的无损检测手段。5 人体组成成份测定，不同的组织、器官具有不同的构成特点和组成成份，表现出相应的阻抗特性。使用全信息的阻抗方法可以准确地检测和区分出脂肪、肌肉、矿物质和含水物质等人体组成成份”1 ，还可以对组织中的水肿、血肿、气肿和肺内粉尘等做出鉴别。这对于各种人群的健康调查，儿章生长发育中营养状况的评价，指导运动员训练、提高竞赛成绩，f 确地进行减肥和健美锻炼以及相关疾病的诊断等是一种非常方便而有效的方法。6 电阻抗断层成像技术( e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ，e 1 t )e i t 属于功能成像，是继形态、结构成像之后，新一代更为有效地成像技术。e i t 不使用核素或射线，对人体无害，可以多次测量，重复使用，可成为临床对病人进行长期、连续的监护手段，却不给病人造成损伤或带来不适。加之其成本低廉，不要求特殊的工作环境，因而是一种理想的、无损伤医学成像技术，并且是当今生物医学工程学重大研究课题和热门研究领域之一。国内外众多e i t 的研究工作者多集中于改善成像模型和算法方面，以期提高e i t 的分辨能力。事实上，e i t 真正的优势在于利用生物阻抗所携带的丰富生理和病理信息，实现功能成像，这是其他成像技术( 如c t 、超声成像技术等) 无法与之相比的。1 4 人体电阻抗技术的发展和研究现状1 9 8 3 年，j a nn y b o e r 博士将阻抗容积描记法的容积电阻抗原理用于人体总阻抗的测量，研究动脉脉冲波与流入人体器官中的动脉血流，并将阻抗特性用于人第一章绪论体肢体测量并获得了较好的效果。而把生物阻抗测量用于人体成分分析的开拓者则是t h o m a s s e t ，他把电阻测量作为总体水量( t 0 t a lb o d yw a t e r 、t b w ) n 定法的一个指标进行初始研究。后来，h o f f e r 等人建立了总体阻抗与t b w 的关系。在此基础上，h e n r y 等人开始了用生物电阻抗测量评价人体成分的方法的研究，研究结果初步显示了阻抗法分析人体成份的可行性与有效性。国外最早用电桥法测量生物组织电阻抗”，由于调节电桥平衡比较困难，精度也不高，因此在实际应用中，此方法已不多见。g e d d e sl a 又提出了一种双电极测量技术3 ，出于存在很多的弊端，在精确测量生物组织电阻抗时已逐步被四电极法所代替”船。w a r s a w 理工大学的t p a l k o 以及f b i a l o k o z 等学者自行研制出一套多频率生物电阻抗测量系统以提取生物电阻抗的幅值1 33印度p a n j a b 大学生物物理所和p a n j a b 大学物理高级研究中心的k s k o h l i ，d v r a i ，r k u m a r ，v k j i n d a l 以及n g o y a l 进行了山羊眼睛晶状体电阻抗的测量与建模，将眼部晶状体物质在不同刺激频率下的c o l e c o l e 图( 又称阻抗圆图) 描绘出来，其展现出完美的半圆弧图形，并测出中心位于横坐标下放3 5 度角处，r o r 。之问的半角为5 5 度”4 i 。英国r o y a lh a l l a m s h i r e 医院医学物理与临床工程研究所的l l u 以及b r o w nb h 等人提出了三种提取生物电阻抗参数的方法1 53o在国内，第四军医大学生物医学工程系的付峰、董秀珍等建立了一种四电极法的离体生物组织复阻抗测量系统，用以测量分析生物组织的复阻抗频率特性”。清华大学电机系生物医学工程研究所的吴润泽、高小榕等建立了一套多路独立人体阻抗测量系统，采用奇异值分解方法分解胸部阻抗信号。中国医学科学院、中国协和医科大学生物医学工程研究所的任超世、王慧艳根据血液的电阻抗一频率特性和典型的三元件血液模型，提出了一种研究血液电特性的新方法一多频率电阻抗法。国外对电阻抗断层成像( e i t ) 的研究也一直很活跃。每年都有新的研究进展和成果发表。三年一次的国际生物电阻抗会议( i c e b i ) 上，有关e i t 的研究论文数占第一位。分布在世界各国的e i t 研究小组已超过2 0 个。其中，以英国s h e f f i e l d 大学b h b r o w n 研究组和d em o n t f o r t 大学w w a n g 研究组的工作最为突出。他们在八十年代就开始了这方面的研究，建立了初步的e i t 成像系统并进行不断的改进。1 9 9 5 年该小组成员s m i t h 等建立了最新动态e i t 实时系统。系统采用1 6 电极，成像速度为2 5 帧秒。该系统已在英国皇家h a l l a m s h i r e 医院进行临床应用研究，其功能成像和图像监护的特点已被证明。在胃酸分泌、脑血流变化等方面e i t 成像得到了初步的结果。在形态学方面，得到肺、心脏、胃、大脑等不同部位的e i t 成像。近几年，w w a n g 小组在乳腺肿瘤早期检测方面进行了卓有成效的研究。此外，其它研究组，如美国的n e w e l l 小组以及英国4 第一章绪论的h o d e r 小组也在心肺监护和脑功能的成像方面取得了很好的成绩。第四军医大学于1 9 9 3 年开始进行生物电阻抗成像技术研究，并构建了阻抗成像的实验系统生理盐水槽，运用n e w t o n r a p h s o n 迭代再构算法，实现了4 幅秒图像；重庆大学周守昌教授以及北京航空航天大学程吉宽、柳重堪教授领导课题组，分别于1 9 8 9 年及1 9 9 2 年开始进行e i t 成像技术研究，他们的研究工作侧重于图像重建算法，如周守昌教授提出的区域分割法的图像重建算法，以及程吉宽、柳重域教授提出的拟n e w t o n 类算法、加权n e w t o n r a p h s o n 重建算法，其成像速度、质量均有一定提高和改善，但此项研究未能继续进行。1 9 9 8 年，天津大学的王化祥教授与中国医学科学院生物医学工程研究所任超世研究员合作，对于生物组织深部区域进行多频率、复阻抗全信息检测预处理，构建一套3 2 电极实验系统，运用并行处理技术实现了数据采集速度达3 4 幅秒，提出的广义逆和预迭代重建算法，对于图像的实时性及分辨率均有一定提高u ”。纵观国内外生物电阻抗技术的发展现状，测量系统逐渐由试验阶段逐渐转向临床阶段转变；测量频率也由单一频率向多频率发展；测量精度不断提高；参数提取方法也在不断改进，从最初的只取电阻抗模值到同时提取模值和相角。但这些系统的测量频率还局限于几百k h z 以下的低频范围，真正具有能穿透细胞膜完全提取细胞内液信息的1 m h z - 5 m h z 激励频率的测量系统还不多见，同时对提取出的虚部信息与人体病变的关系的认识也有待于进一步研究。1 5 人体电阻抗系统的技术难点目前人体电阻抗系统在技术上存在以下几个技术难点有待于解决：( 1 ) 在激励方式上，目前采用较多的还是电流源激励，因为电流源激励模式受未知接触阻抗的影n l ；j 4 , 且加到各电极的电流的幅值容易控制，不致引起安全问题。由于实际电极的接触阻抗为1 0 0 q 3 k o ，需要设计的电流源输出阻抗达到1 2 m q 以上，否则会产生较大误差。因此，需设计一个具有高输出阻抗的较为理想的电流源：( 2 ) 医学研究表明，人体组织复阻抗的实部和虚部均包含着丰富的生理和病理信息，而复阻抗的虚部信息很微弱，大约是实部信息的十分之一，不易提取，且虚部信息的大小随激励频率的提高而增强【2 1 。这就要求激励频率最好能达到几个m h z 以上，这就给相应的隔离、放大、解调、滤波电路和a d 数据采集电路的设计带来困难；( 3 ) 作为一种无创的测量手段，目前均采用外部激励、体表测量技术，致使被测信号非常微弱且动态范围较大，因而要求测量电路必须具有较高的灵敏度第一章绪论和信噪比；( z 1 ) 如何从被测信号中提取与生物组织阻抗特性相关的虚实部信息，并利用它对生物组织的生理和病理状况进行描述，也是当前急需解决的关键技术问题之一。1 6 本研究工作的主要内容和作者的主要贡献本研究课题拟构建一套基于1 m h z 的多频率激励频率的人体电阻抗测量系统，该系统采用四电极法实现对人体电阻抗实部和虚部的精确测量。同时结合本实验室已有的一套o 1 m h z 多频扫频电阻抗断层成像系统( e i t ) ，进一步探讨高频电阻抗实部和虚部与人体实际生理病理信息的关系，具体工作包括：1 采用d s p 微处理器作为主控单元，以达到高速、实时的要求；2 设计最高激励频率为1 m h z 的商输出阻抗的压控电流源；3设计一种新的解调方法，实现提取生物组织的实部和虚部信息的提取：4 完成激励选通电路、测量选通电路、相敏解调电路、滤波电路以及数据采集单元的硬件电路设计；5 设计有源电极电路以及采用电缆驱动技术，提高输入信号的输入阻抗、信噪比和抗杂散电容能力；6 设计混频和分频电路，实现两种频率同时激励和测量；7 编制下位机d s p 控制程序以及与上位机的串口通讯程序；作者的主要贡献包括：1 参与解调电路的设计；2 d s p 高速信号采集系统硬件设计与调试；3 硬件电路设计与调试，包括基于d d s 技术的压控电流源、激励选通电路、测量选通电路、有源电极及电缆驱动电路、相敏解调电路、滤波电路以及数据采集单元。4 d s p 程序以及串口通讯程序的编写以及软件调试；1 7 论文的组织结构本论文包括六章：第一章绪论。简要阐述生物电阻抗技术的由来、意义、研究方向、应用前景及国内外生物电阻抗技术的发展概况；简要阐述人体电阻抗系统的技术难点：对本第一章绪论漂题的主要研究内容和佟者鼹主要贡簌俸了篱攀分绍；篱要谖鹱本论文的组织结构。第二章人体生物电阻抗原理。论述了生物电阻抗测量的基本原理包括c o l e - c o l e 理论、s c h w a n 的频散理论以及生物缀织的r c 三元件等数电路模型。第三章祭统硬转设诗。阐述了人体电阻抗测爨系统的硬 譬设计方察，设计了一套萋予d s p 控翻兹霞毫投法嘏隧抗测量电路，遴j 建解调电路提取生裼瞧夔挠麴辐值和榍位信号，包括数字处理芯片d s p 、线性电流源、信号发生器、随流源电路、有源电极和电缆驱动、电流激励开关阵列、电服测量选通电路、栩徽解调电路、a d 采样电路、混频和分频电路。此硬件系统可实现在o h l m h z 频洙范围内最大电流为l m a 媳瞧定交流电流激励下，对生物电凝抗的蝠毽和楣位信号酌高速采集、存德帮数i 撵整理，并逶过r s 2 3 2 接目转送戮计算税。第四章系统软件设计与调试。介绍了d s p 软伴瑕序及p c 串口软停的流程图，并对系统软件调试中的一些有关问题进行了论述。第五章系统实验及误差分析。利用r c 网络对系统进行了性能测试，给出了实验结聚及误差分析。第六章骢缝毒玫遴建议。慧络全文；著霹溪露系缝箍窭了一垡改遴建议。薅二二章人体生物电阻抗艨理2 。1 雩| 煮第二激人体生物电阻抗原理生物组织含有大量的细胞，这些细胞之间的液体可视为电解质，因此，当直流或低频电流施加于生物缎织时，电流将以任意种可能的方式绕过细胞，主要流经细胞外液：当施加于生物组织电流的频率增加时，细胞膜电容的骞抗减小，一郝分愈浚薅雾过爨憝貘浚经缡怼内滚”。辑蔽生锈缀绞兹低频隧撬较大纛毫频阻抗较小，隘抗值由大至l 小豹过渡恰好反映了鬟三物组织镭胞膜静电漤性质，生物组织的游种特性最早被p h i l i p p s o n ( 1 9 2 0 年) 所认识，最终导致了等效电路概念的产c 三。2 2 生物缝缎等效电路模型构成生物组织的基本单元是细胞，细胞由细胞膜和细胞内液组成；在细胞的外面存在着细胞外液和细胞间质。细胞间质由胶原纤维、弹性纤维等商分子物质组成，通常将其看作电气绝缘体。细胞内液是含肖各种细胞器的半流动性物质，藏电特拣嚣富，鬻将缨缒癸液与缨瞧内滚看 乍邀鳞滚。缨瑰骥是包瓣整个缨瑰豹簇，萁髓= 学成分主要是髓类与簧自震，二案逶遵簿共徐谴佟褥瑟形成膜，在缅您膜内部由于有复杂的生物化学结构控制着粒子的移动和物质的转运，冀电压、电流特性非常复杂。尽管如此，在外加电流密度很小时，仍可将其避似为电介质。厚度为5 l o n m 的细胞膜，熊电阻率为5 0 0 1 0 0 0 0 q c m ，膜电容为1 u f c m 2 左右。血液中出于含有大量水分，其毫疆率与其窀缌缧袒毙 # 鬻小，在3 7 对约为1 4 0 q e r a ；孛等含窳萋熬黉赣魏其畜各囱舅馁鹤电祷往，箕奄隧攀在绎维方向约为2 0 0 3 0 0 q c m ，在瓣崴于纤维方向约为7 0 0 1 0 0 0 n c m ；丽蒙皮肤与脂肪等含水较少的组织，其电阻率较高，从数千o c m 到数万q c m l 3 】。生物组织内单个细胞的等效电路模型【l9 j 如图1 ( a ) 所示，其中r e 为细胞外液豹电礁，c e 为细胞外液并联瞧客；n 为缨施骥熬电阻，c m 为缨鼹膜的并联电容：戳为绥憨蠹滚麴蠢辍，e i 兔维魏蠢滚鹳弗联毫容。在 羲频藏n i 蠹f 低予1 m h z ) ，细胞膜的漏电阻r m 很大，可视为歼潞，而内外液的并联电容c i 、c e很小，也可视为丌路，这样就可以得到如图2 - 1 ( b ) 所示的简化等效电路模型，此第二掌人体生物屯阻抗原理模登也羧稼为并联等效电鼹摸鳖。霹于整个生物缀绫两言，舞予生物缀织是由大量细胞缀成的，可视为许多细胞的集合，因此嫩物组织的电路模型w 用圈2 1 ( b )所示的电路等效，此时，r j 、r e 、c m 分别代袋熬个生物组织的等效内、外液电阻和膜f 乜容，这就是所谓的三元件生物阻抗模型【2 】【5 1 。r i氇)( b 图2 - 1 生物组织等效电路模型出黧2 - l 氆) 中掰示靛模鍪可雄导出电阻抗方糕巍：z ：墨! ! ! 垒鱼墨! ! ：墨! 竺：鱼i 墨! 塞! ( 墨! 墨! ! 一i璧亟! 墨i1 + 以。，( 尺。十r ，)1 + ( 月。+ r ，) 2 翻2 c 。2。1 + ( 矗。十足，) 2 晚) 2 c ：( 2 - i )稷镶为z r ；( 1 十0 3 2 c 。2 a ，2 )1 + 2 c ：( 艘。+ 月。) 2楣角为一愀e 丽篙素，等筹淤，积2 _ 1 ) 舯豁弘( 剐c 。钏。，r 。= 器刘弘耻赫( 2 - 2 )( 2 3 )( 2 - 4 )( 2 - 5 )第二二章人体生物电阻抗原理【且此电阻抗方程可知r c 三元件生物电阻抗模型在复平面上的轨迹是第四象限的一个半圆，圆心在实轴上。2 3c o l e c o l e 理论根据c o l e 的分析，实际生物电阻抗( 导纳) 在复平面上的轨迹是第四象限的一段圆弧，而并非一个半圆，圆心在第一象限( 如图2 2 所示) ，称为阻抗圆图或c o l e p l o t ，用上述的简单电路模型( 图2 - l ( b ) ) 及其电阻抗方程( 公式2 1 )是不能精确描述的，由此提出了c o l e c o l e 电阻抗特征方程【4 5 l ：ppz = r 。+ _ 等 _ 兰等( 2 6 )l 十l j 0 9 l jpd其中f = ( r ，+ 月。) c r o = r 。，r 。= 羔aj 十“pc o l e c o l e 电阻抗特征方程中含有四个参数f 、风、r 。、口，其中r 代表时间常数，r 。代表频率为0 处的电阻抗，月。代表频率无穷大时的电阻抗，口为松驰因子，一般在0 1 之间取值，其大小决定圆心的位置。lz i mr = 一，一审、，当一i n c r e a s i l a gf r ec l u o n e y图2 - 2 阻抗圆图对图2 - 1 ( b ) 中所示的理想电路模型，口= 1 ，其阻抗圆图是第四象限上的一个半圆，圆心在实轴上。另外，也可通过分析生物组织的复阻抗( 包括实部和虚部) 随频率变化的特性曲线研究生物组织电阻抗特性。对图2 - l ( b ) 所示的r c 三元件生物电阻抗模型中，月，、r 。、c ，分别取2 0 0 0 q 、2 0 0 0 q 、8 0 0 p f ，绘出其复阻抗实部和虚部的频率响应曲线如图2 3 所示。第二二章a 体生物电阻抗原理。墨oto bl ，厶哩6 0嚣# 秣3 0 口玉，口i t r 工，( a )复阻抗实部频率特性曲线5 0l 奄攀t 5 霉2 0 孽鼍毒o3 鑫牵3 5 8r 篁辩匐( b ) 复阻抗虚部频率特性曲线圈2 - 3 生物电阻抗频率特性曲线觚笈隧拭实部鬏率特瞧麴线中可良看毒：r 。为低频电阻静辍隈德；囊。为高频时的极限电阻值。从复阻抗虚部频率特性曲线中可以看出：，为笈阻抗的虚部为最大使时的频率，它被称为特征频率，其大小为：11c 一2 r r r 甄虿百万( 2 - 7 )在翳2 - 3 孛，r 。= 2 0 0 0 ，霆。= 1 0 0 0 ，五一- 5 0 k h z 。据戴，c o l e c o l e 电阻抗特征方程也可鞋表示为：z ：r 。+ 埤( 2 - 8 )l + ( 、，毒) 。对予实黪尘物组织龟隰皴在复平嚣上轨迹的黧心位于第一象限掰 实轴上豹这秘魏象，爵强理解荛箕镣效毫踌中无鼗个裳，、c 。串联戆结莱( 翔黧2 - 4 繇示) 。它与生物组织的结构驰豫( 散射) 有关，结构驰豫的时间常数雠呻鼬。一q 第二章人体生物电阻抗原理r 0 = ( r ，+ r 。) c 。，相应的散射的特征频率正= i l _ 。对于实际生物组织，由。0于各细胞的大小呈f 念分布，因此各个细胞驰豫的时间常数r 并不完全相同，也旱币念分布，根据c o l e 的研究，该分布函数( 称为c o l e c o l e 分布函数) ，( r ) 为：，：上+ 坐竺旦一( 2 9 )“c o s h a l o g 二卜c o s ( 1 一a ) t cf o其中“为f 的平均值。所以生物组织的实际等效电路应该用具有分布时间常数的电路表示( 如图2 4 所示) 。由图2 - 4 可以导出c o l e 分布电路的导纳y 为：】，：土+ 土一一旦墨一r 。r ，1 + ( j c o r o ) 。：土+ 土一上r 盟出r 。r ，r ，m1 + j c o f舯耻袁2 4 频散理论图2 4 生物组织等效电路( 2 1 0 )生物电阻抗或介电特性参数在某个频率范围内有显著的变化称为频率散射，简称为频散。频散理论是s c h w a n 在1 9 7 5 年通过对生物组织频率特性的研究提出的，它表明生物组织内存在三个不同的频率散射，分别称为a 、卢和，散射( 如图2 - 5 所示) 2 1 。由图2 5 可知，生物组织的介电常数s r 和电导常数仃随频率变化有三个明显的散射区域。其中a 频散主要发生在音频频段( 几赫到几十千赫) ，是由包围组织内细胞离子层发生变化引起的，表现为细胞膜电容发生变比；卢频散主要发生在射频频段( i l 十千赫到几十兆赫) ，主要由膜电容的容性短路和生物高分子的旋转松弛所引起。在此频段内，细胞膜电容基本恒定，因而随着频率的增加，膜电容第二章入体生物电阻抗琢理图2 - 5 生物组织频率特性曲线熬密撬藏，l 、，电滚出低额辩经避鳋藤袋只凌经续魏癸滚，囊裹蒙霹穿适继憝簇滚经细胞内、外液，因此表现为电导系数随频率升离丽增大。相反介电系数则随频率升高而减小：，频散主袋发生在微波频段( 几十兆赫以上) ，是由予蛋白质和蛋白质结合的水在电场作用1 f 分子的偶极转动所弓i 起。由此可见，在裔频频段和射频频段对生物组织介电特性的磺究可以同时反映泓缎胞内、讣液的特征，可爱予遂行各耱稳滚诊鼗，热承耱戆梭滚等。通常认为频敝是一种结构上的驰豫，发生在1 0 k 1 0 m hz 的射频频段内。这个频率范围已被应用到基于阻抗的测量方法进行临床诊断上，如肿瘤的检查及细胞内、外液的分布等。事实上生物阻抗的测燃中所采用的频率大都在这个范围两。2 5 人体电阻和安全毫流2 5 1 人体电阻等值电路【2 0 】测试入嚣邀疆，不象测试确秘电疆郡嚣容翁熬鸯薹秘获教鞍多戆数学、耪理参数。戮弼，不弱的研究者涵予箕试验对象不同，褥窭的结论会有一定褥差异，僵有一点怒相同的，即在工频( 真流) 情况下，均可视人体电阻为一无感阻抗。这星介绍三种常见的人体电阻锋值电路模型。( 1 ) 佛莱贝尔加( h f r e i b e r g e r ) 等值电路模型。佛莱贝尔加提出的人体等值电鼹模型热踅2 - 6 藏示，它裘凌强瘦获邀爨、皮黢魄容耱久嚣痰都电錾攀势联懿羹褐。其中，人体内部窀阻怒一懂俸5 0 0 q ，与矫帮电压及其它条件无关；每平方厘米皮肽电容约为( 2x1 0 “) f ，在低频( 如工频) 条件下其影响可忽略不计。皮肤电阻一般指手和脚等的表谢电阻，其值对不同的人或在不同条件下可能相差很第二章人体生物电阻抗原理大。嵌胰电阻皮肤电阻蚕2 - 6 傍莱委零魏大薅等镶邀潞模型( 2 ) 斯爱德巴姆( r s c h e r b a u m ) 等值电路模越。斯爱德巴姆对图2 - 6 所示的电路提出了不同的看法。他认为，组织液构成了人体阻抗的电阻部分燃，而皮肤电容和神经系统则形成了人体阻抗的电容部分量，如图2 - 7 所示。组织藏三电趣图2 7 斯爱德巴姆人体等值电路模型f 3 )毕格麦亚( g 。b i e g e l m e i e r ) 等选电路模型。毕辏麦甄黯铋上嚣耱等篷电爨耱不溺麓熹。氇戳纛浚、工频、2 0 0 0 h z 交流分剐进行了一些人体实验，所得的等值电路如图2 - 8 所示。熊中，每平方厘米皮肤电容近似为( 6 1 0 x1 0 4 ) f ，人体内部电阻为9 0 0 0 。皮肤电硇皮肤龟憩图2 - 8 毕格麦亚人体等值电路模型在我国，应用第一种电鼹模型较为普遍。2 5 。2 入体内部电阻分衣若拔人体各部长度及断词税的情况考虑，则人体内部电阻的分布可用图2 - 9 进行描述。令手与脚之闽的全都电阻r 1 2 为l o o ，则由图2 - 9 可知，剡中数檀表示手脚阐奎部也阻的西分数嚣足潮逛疆r 窜：l ，0 1 5 r 。；基2 - 9 太薄内憝壤隧豹分毒两手闻电阻rpr = o 9 4 4r 牛；一手至双脚间的电阻rm = ( 4 7 2 + 1 3 ) + 5 1 5 2 1 r f 一= o 7 4 2 5r 眦：第二二章人体生物电阻抗原理双手至双脚间的电阻为r 日- t - h m = ( 4 7 2 2 + 1 3 + 5 1 5 2 ) r e = 0 5 0 6 5 r f m2 5 3 影响人体电阻的因素【2 0 1人体电阻并非常数，它主要受以下几个因素影响：( 1 ) 皮肤电阻的变化。由于皮肤电阻的变化范围较大，其值对人体电阻的影响最大。不同的人，皮肤电阻可能相差很大；即便是同一个人，当其皮肤干燥、洁净、无损伤时，皮肤电阻可高达4 0 1 0 0 k q ，而当皮肤处于潮湿状态或损伤时，则会降低至1 0 0 0q 左右：最不利的情况下，考虑皮肤完全破坏，皮肤电阻变为零，人体电阻存在仅内部电阻，如5 0 0 q 。需要指出的是，人体与电极的接触面积越大，接触压力越大，人体电阻值将会降低。此外，如果通电电流较大，持续时间较长，可导致发热发汗，此时人体电阻值也会降低。( 2 ) 环境温度。环境温度越高，人体电阻会越小。夏天炎热的天气条件下，人体电阻值要较寒冬天气小得多。( 3 ) 一激励电源的频率。不同频率的激励电源作用于人体，会得到不同的人体电阻值。激励电源频率越高，人体电阻越小。例如，1 0 0 1 d - i z 与5 0 h z 相比，人体电阻值下降约一半左右。同时，在高频情况下人体承受电流的能力较低频( 如5 0 h z 交流) 有所增强。2 5 4 人体安全电流我国规定在一般f 常、干燥的环境中以3 6 v 作为安全电压( 潮湿环境中为1 2 v ) ，安全电流( 人体允许电流) 一般为3 0 m a 2 ”。综上所述，本系统设计了频率为0 t m h z 的交流恒流源，激励电流峰峰值为l m a 。同时，增大电极与人体皮肤的接触面积，以减小皮肤的接触电阻和接触电容的影响。第三章系统硬件设计第三章系统硬件设计本章主要介绍人体电阻抗测量系统的硬件设计。主要包括正弦波信号发生器、电压控制电流源( v c c s ) 、相敏解调单元、滤波单元、a d 采样单元等部分的电路设计原理和方案。3 1 系统总体框架根据本文2 2 节所述，生物组织的电阻抗是一个复数，也可以看作是一个变最。因此可以通过测量幅值和相位来分析其电阻抗特性。本文采用f 交求解的方法对电阻抗进行测量，只需简单的计算即可获得被测电阻抗的幅值和相位。并针对实际测量中“参考点”难以选择的问题，设计了“虚参考点”的测量方法，提高了系统的测量精度。本硬件系统由f 弦波信号源、压控电流源、电流激励选通电路、电压测量选通电路、相敏解调、滤波电路、微处理器控制模块、电源模块以及通讯接口单元等部分构成。系统采用t m s 3 2 0 f 2 0 6 为主控制器，实现数据采集、实时控制及数据预处理，其结构如图3 。1 所示。图3 1 硬件系统结构图系统出两部分构成：( 1 ) 以d s p 为中心的数据采集预处理单元；( 2 ) 计算机数据处理及显示单元。两部分通过串行方式进行通讯。系统工作时，首先在d s p 的控制下，证弦信号发生器产生需要的正弦电压信号，经电压控制电流源( v c c s ) 变为电流激励信号，d s p 控制激励信号施加于选择电极；然后通过丌第三章系统硬件设计关阵列，选通不同的测量电极，经放大及相敏解调后，由低通滤波获得到直流分量，经a d 转换后送往到计算机，由计算机进行数据处理及结果显示。3 2 数字信号处理芯片d s p 设计传统的电阻抗测量系统，一般采用8 0 5 1 、m s p 4 3 0 等普通单片机作为核心控制部件，山于普通单片机采用的是冯诺依曼结构，即程序指令和数据共用一个存储空间，指令周期较长多为微秒级。无法进行高速采样和实时处理。数字信号处理芯片d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 采用了先进的哈佛结构，内部包含6组1 6 位的总线，其程序存储器和数据存储器具有各自的总线。这样，d s p 不仅可以同时访问程序指令和数据，而且可通过不同的总线完成对数掘存储器同时进行读、写操作，从而大大提高了处理速度。其指令周期多为纳秒级，且绝大部分指令为单周期指令，这样就为被测信号的高速采集和实时处理提供了强有力的保障。本系统采用t l 公司( 美国t e x a si n s t r u m e n t 公司) 的t m s 3 2 0 f 2 0 6 f 2 3 1 1 2 4 | 2 5 】作为主控制器，它是该公司1 9 9 6 年推出的一款性价比较高的定点d s p 芯片，属于t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 控制类应用) 。f 2 0 6 全部采用静态c m o s 集成工艺制作，功耗低，内嵌3 2 k 闪烁存储器，减小了体积，提高了系统稳定性，而且不需要专门的编程器，i c e t e k 一5 1 0 0 仿真器具有编程功能，从而减少了开发成本。f 2 0 6 使用p z 表面刻装，有1 0 0 个管脚，与其它同类型的d s p 相比，f 2 0 6 具有管脚简单，体积小，重量轻的特点，更适合用于便携式仪器的设计。f 2 0 6 的主要性能特点如下：1 采用一个1 6x1 6 的硬件乘法器进行有符号或无符号数的乘法运算，乘积为3 2 位，乘法累加指令仅需一个机器周期，时钟为2 0 m h z 时，其单指令执行时间为5 0 n s 。2 具有2 2 4 k 字节的最大寻址空矧，包括：6 4 k 程序存储空间，6 4 k 数掘存储空间，3 2 k 全局数据空间，6 4 k i o 空间，这些地址空间相互间不存在占用问题。其数据存储空间和程