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：

（1）

　　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