多頻多段人體生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)

1、收稿日期:2011－09－02基金項(xiàng)目:國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010AAXX)遼寧省教育廳基金資助項(xiàng)目(LT2010007)作者簡(jiǎn)介:高秀娥(1976—)，女，遼寧大連人，講師，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)監(jiān)控唐佳(1986—)，男，湖南岳陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)陳波(1972—)，男，四川武勝人，博士，教授，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)。多頻多段人體生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)高秀娥，唐佳，陳波(大連大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧大連1

2、16622)摘要:人體生物電阻抗是人體體成分的重要組成部分，在一定程度上反映了人體組織的生理狀況?；诖?，設(shè)計(jì)了一套基于八電極的多頻多段人體生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、正弦交流激勵(lì)電流源、有效值檢測(cè)電路等組成，實(shí)現(xiàn)了5～500kHz頻率范圍的左右上下肢及軀干的5段測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人體生物電阻抗的幅值和相位的高精度測(cè)量，幅值相對(duì)誤差小于07%，相位絕對(duì)誤差小于08。關(guān)鍵詞:生物電阻抗測(cè)量多頻多段中圖分類(lèi)號(hào):

3、TM93文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000－8829(2012)04－0122－03ABioelectricalImpedanceMeasurementSystemBasedonMultiFrequencyMultiSegmentTechnologyGAOXiue，TANGJia，CHENBo(InfmationEngineeringCollege，DalianUniversity，Dalian116622，China)Abstract:

4、Bioelectricalimpedanceisanimptantcompositionofhumanbody，reflectsthephysicalconditionsofhumantissuestosomeextentBasedonthis，amultifrequencymultisegmentbioelectricalimpedancemeasurementsystemisdesignedontheprincipleofeight

5、electrodesInfact，thesystem，whichconsistsofMCUsystem，sinusoidalexcitationcurrentsource，RMStoDCcircuitetc，hasachievedtheimpedancemeasurementoftheextremitiesaswellasthetrunkunderthefrequencyrangedfrom5～500kHzExperimentresul

6、tsshowthatthesystemfinallyrealizeshighaccuracymeasurementsofamplitudephaseofbioelectricalimpedancewiththeresultofarelativeerrofmagnitudewhichislessthan07%anabsoluteerrofphasewhichislessthan08Keywds:bioelectricityimpedanc

7、emeasurementmultifrequencymultisegment人體生物電阻抗是一個(gè)能夠反映整個(gè)人體或其組成部分的電屬性的物理參數(shù)［1］。通過(guò)生物電阻抗可以了解人體組織的生理狀態(tài)和病理狀況，從而在一定程度上克服繁瑣的臨床檢查給病人帶來(lái)的不便，因此，開(kāi)展生物電阻抗的測(cè)量與分析具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。目前，市場(chǎng)上已有部分生物電阻抗分析設(shè)備，其主要不足是采用單頻測(cè)量技術(shù)、缺乏相位檢測(cè)，同時(shí)價(jià)格比較昂貴，缺乏靈活的上位機(jī)接

8、口，不利于普及推廣［2］。因此，需要進(jìn)一步研究多頻多段的生物電阻抗測(cè)量方案，研制生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)，提高測(cè)量精度。1多頻多段生物電阻抗測(cè)量原理11多頻測(cè)量原理人體組織細(xì)胞包括細(xì)胞內(nèi)液、細(xì)胞外液和細(xì)胞膜，常用RC三元件生物電阻抗模型來(lái)表示人體生物組織［3］。如圖1中ZX所示，細(xì)胞膜等效電容Cm與細(xì)胞內(nèi)液等效電阻Ri串聯(lián)后再與細(xì)胞外液等效電阻Re并聯(lián)。生物組織在不同的頻率下，具有不同的阻抗特性。采用串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)電阻RS的方法來(lái)測(cè)量人體生物電阻抗

9、，如圖1所示。將激勵(lì)電流輸入測(cè)量模型，檢測(cè)ZX、RS和(ZXRS)兩端電壓，通過(guò)同比例放大后的電壓分別為UZ、UR和Ui。由電路原理可知UZ、UR和Ui之間的221《測(cè)控技術(shù)》2012年第31卷第4期AD844設(shè)計(jì)了基于第二代電流傳輸器(CCⅡ)原理的雙反饋電流源方案。如圖4所示，輸入端利用直流信號(hào)反饋用于消除直流信號(hào)的產(chǎn)生，輸出端利用電流幅值反饋控制VCCS的輸入電壓幅值，保證輸出電流的恒定，克服了傳統(tǒng)VCCS的不足。至此，得到了無(wú)直

10、流分量、大小恒定、頻率可調(diào)的高品質(zhì)電流源。圖4基于AD844的電壓控制電流源23信號(hào)的測(cè)量由生物電阻抗測(cè)量原理可知，通過(guò)測(cè)量得到ZX、RS和(ZXRS)兩端電壓的幅值或有效值，即可計(jì)算獲得生物電阻抗ZX的幅值和相位信息。本系統(tǒng)采用AD公司生產(chǎn)的高精度真有效值檢測(cè)器件AD637測(cè)量系統(tǒng)中UZ、UR和Ui的真有效值。AD637是一塊高速單片真有效值直流轉(zhuǎn)換器，可計(jì)算各種復(fù)雜波形的真有效值，它采用了峰值系數(shù)補(bǔ)償，在測(cè)試峰值系數(shù)高達(dá)10的信號(hào)時(shí)

11、附加誤差僅為1%，在輸入為2V時(shí)頻帶寬度可達(dá)8MHz［7］。實(shí)際應(yīng)用中唯一的外部調(diào)整元件為絕對(duì)值平方的平均電容，影響到求平均值時(shí)間、低頻精度、輸出波紋水平及輸出穩(wěn)定時(shí)間。采用如圖5所示的經(jīng)改進(jìn)了的真有效值采樣電路，實(shí)現(xiàn)了正弦交流信號(hào)到直流信號(hào)的轉(zhuǎn)換。利用處理器自帶AD轉(zhuǎn)換功能測(cè)量真有效值轉(zhuǎn)換得到的直流電壓的大小，即得到了UZ、UR和Ui的真有效值。僅通過(guò)測(cè)量真有效值的大小，即可參照如圖1所示的生物電阻抗測(cè)量模型計(jì)算得到生物電阻抗的幅值和

12、相位信息，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。圖5AD637有效值檢測(cè)電路3實(shí)驗(yàn)測(cè)試31可靠性測(cè)試為了驗(yàn)證生物電阻抗測(cè)量精度，參照?qǐng)D1所示的生物電阻抗測(cè)量模型，利用高精度電阻電容構(gòu)建RC三元件電路作為被測(cè)電路。利用具有005%精度的HP4294型阻抗分析儀對(duì)RC三元件電路進(jìn)行掃頻測(cè)量，記錄下5～500kHz范圍內(nèi)30個(gè)頻率點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為此RC電路的標(biāo)準(zhǔn)值ZX。然后利用系統(tǒng)原型機(jī)對(duì)此RC三元件電路進(jìn)行掃頻測(cè)量，記錄下相同的30個(gè)頻率下的數(shù)據(jù)

13、ZmX。系統(tǒng)原型機(jī)測(cè)量RC三元件電路ZmX的幅值、相位誤差如圖6所示，其中HP4294的測(cè)量值ZX為標(biāo)準(zhǔn)值。圖6測(cè)試數(shù)據(jù)誤差分析由測(cè)試數(shù)據(jù)誤差分析圖可知，在5～500kHz范圍內(nèi)系統(tǒng)原型機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)的幅值相對(duì)誤差小于0.7%，相角絕對(duì)誤差小于0.8，測(cè)試結(jié)果可靠性很高。32人體阻抗測(cè)量下面使用原型機(jī)對(duì)同一右利手測(cè)試者的左上肢電阻RLA和右上肢電阻RRA各頻率下生物電阻抗進(jìn)行50次測(cè)量，其中5、50、100、250、500kHz頻率下的幅值

14、測(cè)量結(jié)果如表2所示。表2人體阻抗測(cè)量數(shù)據(jù)頻率kHzRLAΩRRAΩ5394332138863055035162933483294100334528333082602503155235310224050030832663012253由表2中數(shù)據(jù)可知，人體生物電阻抗隨著激勵(lì)信號(hào)頻率的升高而降低，與生物組織電特性ColeCole理論模型相吻合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本方案的有效性。同時(shí)，由表2可知，右利手測(cè)試者右手肌肉較左手發(fā)達(dá)，其阻抗值相對(duì)較小，這