多頻多段人體生物電阻抗測量系統(tǒng)

1、收稿日期:2011－09－02基金項(xiàng)目:國家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。基于此，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量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、正弦交流激勵電流源、有效值檢測電路等組成，實(shí)現(xiàn)了5～500kHz頻率范圍的左右上下肢及軀干的5段測量。測試結(jié)果表明，測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人體生物電阻抗的幅值和相位的高精度測量，幅值相對誤差小于07%，相位絕對誤差小于08。關(guān)鍵詞:生物電阻抗測量多頻多段中圖分類號:

3、TM93文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號: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能夠反映整個人體或其組成部分的電屬性的物理參數(shù)［1］。通過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的不便，因此，開展生物電阻抗的測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量技術(shù)、缺乏相位檢測，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量方案，研制生物電阻抗測量系統(tǒng)，提高測量精度。1多頻多段生物電阻抗測量原理11多頻測量原理人體組織細(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的方法來測量人體生物電阻抗

9、，如圖1所示。將激勵電流輸入測量模型，檢測ZX、RS和(ZXRS)兩端電壓，通過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反饋用于消除直流信號的產(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信號的測量由生物電阻抗測量原理可知，通過測量得到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器件AD637測量系統(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，在測試峰值系數(shù)高達(dá)10的信號時(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)了正弦交流信號到直流信號的轉(zhuǎn)換。利用處理器自帶AD轉(zhuǎn)換功能測量真有效值轉(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。僅通過測量真有效值的大小，即可參照如圖1所示的生物電阻抗測量模型計(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)簡單、測量參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。圖5AD637有效值檢測電路3實(shí)驗(yàn)測試31可靠性測試為了驗(yàn)證生物電阻抗測量精度，參照圖1所示的生物電阻抗測量模型，利用高精度電阻電容構(gòu)建RC三元件電路作為被測電路。利用具有005%精度的HP4294型阻抗分析儀對RC三元件電路進(jìn)行掃頻測量，記錄下5～500kHz范圍內(nèi)30個頻率點(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)對此RC三元件電路進(jìn)行掃頻測量，記錄下相同的30個頻率下的數(shù)據(jù)

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

14、測量結(jié)果如表2所示。表2人體阻抗測量數(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信號頻率的升高而降低，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，右利手測試者右手肌肉較左手發(fā)達(dá)，其阻抗值相對較小，這