用筆記本電腦構建生物阻抗記錄儀——基于虛擬儀器技術

翁劍楓，戴備軍，鐘海偉

（1.浙江科技學院 信息與電子工程學院，杭州310023；2.浙江省人民醫(yī)院 心胸外科，杭州310014）

生理電阻抗的研究始于19世紀末20世紀初。生物阻抗（bio-impedance）技術［1-4］指利用生物組織與器官的電阻抗特性及其變化提取相關生理或病理信息的一種檢測技術。研究表明，生物電阻抗對體液變化極為敏感。因此，生物阻抗技術被認為在醫(yī)學中具有廣闊的應用前景。它可用于人體心、肺、腦功能的評價，或從中提取人體組織和器官功能信息，已有的應用如阻抗血流圖、阻抗成像技術等。

生物電阻抗技術的基本測量方式［4］通常是四電極測量系統(tǒng)，其中一對電極向被檢測生物組織施加安全的交流激勵電流（或電壓），另一對電極檢測被測組織的電阻抗或阻抗變化，根據(jù)不同的應用目的，研究阻抗或阻抗變化情況，從而獲取相關的生理和病理信息。但由于生物組織的部位和成分各不相同，迄今仍未見測量生物阻抗的通用儀器面世，這對于想利用生物阻抗技術進行醫(yī)學研究的醫(yī)生們來說，無疑成為一大障礙。為克服這一障礙，筆者運用虛擬儀器技術給出了一種基于筆記本電腦的虛擬阻抗記錄儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)搭建便捷靈活，使用簡單，配以簡單的二線制電極，即可實時記錄生物心肌阻抗信號，因而可望用于心肌阻抗變化的病理相關性研究。

1 生物電阻抗特性及其測量

1.1 生物電阻抗特性

生物組織由細胞構成，細胞是有膜包圍的生物體基本單位，形狀多種多樣，主要由細胞核與細胞質構成，表面有薄膜。細胞膜是防止細胞外物質自由進入細胞的屏障，保證了細胞內環(huán)境的相對穩(wěn)定，使各種生化反應能夠有序運行。由于細胞膜的存在，使得生物組織呈容性阻抗特性，即隨著激勵電流頻率的增加，生物組織的阻抗值由大變小，換言之，生物組織的低頻阻抗較大而高頻阻抗較小。

圖1（a）是生物組織的R-C三元件生物阻抗模型［5］。圖中，Ri、Re、Cm分別代表了生物組織的整體細胞內、外電阻和細胞膜電容。

圖1 生物組織的三元件等效電路及其阻抗特性Fig.1 Equivalent electrical circuit model and bio-impedance response of tissue

根據(jù)圖1（a），得：

因此阻抗模和相角為：

式（4）所表達的是一種理想情況，在復平面上電阻抗隨頻率變化的軌跡是一個在第四象限的半圓，圓心在實軸上。但是，實際生物電阻抗的阻抗圓圖并非是一個半圓，而是第四象限的一段圓弧，如圖1（b）所示，圓心在第一象限中，Zr和Zi分別代表了阻抗的實部和虛部，Z和θ分別代表了阻抗的模值和相角。據(jù)美國學者Cole分析，實際生物組織存在著一個與頻率有關的散射系數(shù)，并非如圖1（a）所示的理想等效電路所能描述，并由此提出了Cole-Cole電阻抗特征方程［2-3］。實際應用中，即在式（4）基礎上引入松弛因子α，以根據(jù)應用需要決定圓心的位置：

式（5）中，α通常在0～1取值。

1.2 生物電阻抗測量技術

生物電阻抗測量技術主要有二電極法和四電極法［4，6］。電橋法是電阻抗測量的經(jīng)典方法，但因其精度不高且平衡調節(jié)困難等原因，現(xiàn)在生物阻抗測量應用中已不多見。四電極法［5］是目前大都采用的方法，其原理如圖2所示。通過激勵電極向被測生物組織提供微小的交變電流（或電壓）信號（恒流源），生物組織的電壓（或電流）信號由測量電極檢測，經(jīng)過計算可得生物組織相應的電阻抗及其變化。

從生物體安全要求出發(fā)，需對注入電流的安全范圍加以控制。為此，激勵方式采用幅值可控的電流源激勵方式，這種方式可使信號源受被測生物組織阻抗的影響最小，因而也保證了注入電流的幅值恒定。從測量方式看，由于電壓測量比電流測量更為容易，故采用電壓測量。

生物組織的阻抗由電阻和容抗兩部分構成。當通電頻率足夠高時，容抗很小，可以忽略不計，此時，可以把生物組織阻抗看成只由純電阻構成。圖2的測量系統(tǒng)正是根據(jù)這一原理，把生物組織視為了電阻。選擇適當頻率和強度（50～100kHz，0.5～4mA）的恒定交變電流通過被測組織，拾取這段組織的電阻變化信號，即可表征出該組織的阻抗變化。阻抗值大小與電流特點有關，也與組織特性有關。在圖2中，R1為限流電阻，C1為隔直流電容，RL為檢測部位等效電阻。設電極通過的電流為Ia，則檢測部位阻抗RL兩端的電壓U01＝Ia·RL（6）這樣就可以通過檢測電極兩端的電壓來檢測出生物阻抗，從而間接反映生物體如人體的生理或病理參數(shù)［6-10］。

圖2 四電極法生物電阻抗測量技術Fig.2 Four-wire circuit of bioelectrical impedance technique

2 生物阻抗測量系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)設計思路

根據(jù)項目要求，本系統(tǒng)用于醫(yī)生利用生物阻抗技術研究心臟移植的排異性，故系統(tǒng)功能設計考慮與常規(guī)阻抗記錄儀不同。在這一研究過程中，研究者關注的是心肌電阻抗變化情況與心臟排異性的關聯(lián)度，因而相對于心肌電阻抗的確切數(shù)值而言，系統(tǒng)中的心肌電阻抗的相應變化測量具有更重要的意義。換言之，本系統(tǒng)設計中關注的是被測生物阻抗變化的測量精度和長時間工作時的穩(wěn)定性。

此外，鑒于本系統(tǒng)的用戶是醫(yī)生這一特定的群體，設計中必須考慮系統(tǒng)搭建時的便捷性及操作時的便利性，同時還需保證數(shù)據(jù)記錄觀察的直觀性，以符合臨床醫(yī)生的常規(guī)診斷習慣。

綜合上述各種因素，本系統(tǒng)設計采用了虛擬儀器技術，以筆記本電腦作為主體系統(tǒng)架構平臺，軟件系統(tǒng)采用美國NI公司圖形化編程軟件LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench），而硬件系統(tǒng)中的主要部件也直接采用美國NI公司提供的數(shù)據(jù)采集與信號調理等標準組件，以此保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性與測量精度。在本系統(tǒng)中，使用的主要部件為NI-DAQ 6062E數(shù)據(jù)采集卡和NI連接器BNC-2120。

2.2 系統(tǒng)構成

系統(tǒng)（圖3）硬件構成如下：系統(tǒng)的主要設備是采用帶PCMCIA插槽的筆記本電腦，由其承擔虛擬儀器的主要職責，而數(shù)據(jù)采集則由NI-DAQ 6062E數(shù)據(jù)采集卡承擔。NI-DAQ 6062E有8路差分模擬輸入，可獲得分辨率為12位而采樣率合計高達500 kS／s的輸出，由于在本系統(tǒng)中僅需使用其中一對差分輸入端口，因此完全可以保證滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣率要求。

除了數(shù)據(jù)采集卡NI-DAQ 6062E外，系統(tǒng)的另一主要部件是NI連接器BNC-2120。它提供了8個模擬輸入（AI）通道以將測量得到的信號連接到NI-DAQ設備，本系統(tǒng)使用了其中的2個，采用浮接方式分別用于標準電阻與被測心肌阻抗的電壓信號測量。NI連接器BNC-2120還提供了2個模擬輸出（AO）信號，本系統(tǒng)用其中一個生成了標準電阻上設定頻率的恒定幅度正弦激勵信號。使用時選擇適當?shù)臉藴孰娮枳柚蹬c電壓幅度值，以使激勵電流符合要求。

2.3 關鍵模塊說明

2.3.1 激勵信號頻率及其幅值大小選擇

激勵電流頻率及其大小對活體生物組織的安全影響非常重要，電流的頻率范圍內及其峰值大小限制都是必須考慮的因素。據(jù)文獻報道，活體生物組織如人體對于電極注入的電流的感知極限隨著頻率的增高，會有3種明顯的感知反應［11］。頻率低于0.1Hz，電流強度達到100μA時，人體會感到周期性的刺痛；頻率超過10Hz時，神經(jīng)刺激成為主要的生物學反應；人體感知的臨界電流強度隨著頻率的增高而增大，當頻率高于10kHz時，組織發(fā)熱成為主要的生物學反應，人體感受電流的刺激性變小。因此，在進行生物電阻抗測量時，如果頻率太低，容易產(chǎn)生刺激和激化作用；如果頻率太高，又容易使體內產(chǎn)生較多的熱量而造成肌體灼傷。此外，較高的頻率會使系統(tǒng)硬件中分布電容的影響很明顯，直接導致對放大電路要求很高，并影響測量精度。因此，多數(shù)研究小組把頻率選在50kHz，或50～100kHz范圍內，在這一頻率段內被測活體一般都能持續(xù)地耐受較長時間的檢測。

激勵電流的幅值應選擇對人體安全的范圍內，中國規(guī)定一般正常、干燥的環(huán)境中的安全電壓為36V（潮濕環(huán)境中為12V），安全電流即人體允許電流一般為30mA［12］。

本系統(tǒng)的應用活體對象為小動物，故采用的交流電流激勵信號的幅值減少到1mA、頻率為50kHz。

圖3 基于虛擬儀器技術的阻抗記錄儀系統(tǒng)Fig.3 Impedance recording instrument based on virtual instrument

2.3.2 激勵信號電壓電流轉換

基于虛擬儀器技術的阻抗記錄系統(tǒng)框圖如圖3所示，系統(tǒng)采用的阻抗測量原理與圖2所示的四電極法原理有所不同。圖3系統(tǒng)中，筆記本電腦是測量、分析處理并顯示測量結果的核心平臺，而LabVIEW編程控制數(shù)據(jù)采集卡（DAQcard 6062E）通過BNC-2010的AO輸出一個恒定電壓幅值的交流信號（50kHz）饋送給標準電阻。由于該標準電阻與被測生物組織串接，因此這一激勵電壓作用于標準電阻后即可轉換成為峰值幅度為1mA的激勵電流注入被測生物組織（如被測動物心肌），實現(xiàn)電壓-電流的轉換。實際測量中，系統(tǒng)中2個精密差分放大器A1、A2分別實時測量標準電阻的端電壓 UA1和被測生物組織的端電壓 UA2，計算機利用標準電阻上測得電壓值（模）UA1除以標準電阻值R標準得到實際流過被測生物組織的電流值I （模），再由測得的 UA2計算被測生物阻抗的模，記之為MEI，則有

此模值MEI的變化即體現(xiàn)了被測生物阻抗的變化。

在得到式（7）所示的生物阻抗模值MEI后，先通過一個低通濾波器濾除其中的50kHz高頻分量，然后再經(jīng)重采樣即可得到可供實時觀察及離線處理的生物阻抗變化記錄。

由于激勵信號是由LabVIEW編程控制數(shù)據(jù)采集卡（DAQcard 6062E）通過BNC-2010的AO端口輸出的一個恒定電壓幅值的交流信號（50kHz）饋送給標準電阻所得到，因此，只需選用高質量的精密電阻作為測量標準電阻，就可保證被測生物阻抗變化的精度及工作穩(wěn)定度。

2.4 LabVIEW 編程

軟件系統(tǒng)采用了美國NI公司的圖形化編程軟件LabVIEW開發(fā)平臺。使用LabVIEW編制的程序稱為虛擬儀器（virtual instrument，VI）。事實上，虛擬儀器是指在以計算機為核心的硬件平臺上，由用戶根據(jù)自己的需求設計和定義，具有虛擬的操作面板，測試功能由軟件編程來實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。

虛擬儀器的界面具有與常規(guī)儀器相似的旋鈕、開關、指示燈等圖形化控制部件，使用者通過鼠標或鍵盤操作虛擬面板，即可完成對被測信號的采集、分析、存儲、顯示及輸出等操作。虛擬儀器編程分前面板和程序框圖2個部分。前面板對應了一臺實際儀器的面板，用于對心肌阻抗信號進行測量記錄的激勵和顯示表達，包含激勵源頻率、幅度、被測阻抗、采樣率、啟動和停止按鈕等操作，同時實時顯示采集得到的被測心肌阻抗模的變化情況。而程序框圖則是程序的圖形化源代碼，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡對信號進行模／數(shù)轉換及信號的計算、處理和顯示功能。

硬件連接和控制是系統(tǒng)實現(xiàn)的軟件關鍵，也即對I／O接口設備的驅動是虛擬儀器實現(xiàn)對真實物理信號采集的基礎。設備驅動后，由軟件進行數(shù)據(jù)的分析處理進而求取測量結果。LabVIEW的優(yōu)越之處是這個軟件平臺提供了各種圖形化驅動程序，使用者不必熟悉諸如PCI總線、GPIB總線、VXI總線等概念，而只需利用NI的測量與自動化瀏覽器（measurement ＆automation explorer，MAX）即可完成上述總線的數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）的設備驅動。

3 生物阻抗記錄儀的使用情況

該虛擬生物阻抗記錄儀分別在浙江省人民醫(yī)院心胸外科醫(yī)生的2次動物試驗中得到了成功的應用。圖4是從麻醉中兔子的活體心肌阻抗測試記錄所截取的一段數(shù)據(jù)，圖5則是對羊施行異位心臟移植后的心肌阻抗監(jiān)測記錄中的一段數(shù)據(jù)。由于兔與羊的正常心率范圍不同，重采樣時，圖4和圖5中的數(shù)據(jù)記錄使用了不同的采樣率。

試驗表明，該阻抗記錄儀可以用于實時監(jiān)測與動物生理或病理信息相聯(lián)系的阻抗變化，即阻抗信號或波形，而記錄儀所采集保存的數(shù)據(jù)還可作為以后進一步的離線定量分析處理所用。

4 結 語

本文給出了采用虛擬儀器技術構建的一個便攜式阻抗記錄儀系統(tǒng)，其主要硬件平臺由計算機和I／O接口設備兩部分組成，系統(tǒng)搭建便捷靈活，操作便利，使用簡單，配以簡單的二線制電極，即可實時記錄動物心肌阻抗信號。該系統(tǒng)經(jīng)過浙江省人民醫(yī)院心胸外科動物實驗中的實際使用，系統(tǒng)在實驗室環(huán)境條件下，長時間工作穩(wěn)定，評價效果良好；記錄數(shù)據(jù)并可在隨后作進一步的離線分析處理，從而可對心肌阻抗變化與病理特征的相關性進行細致的定量分析考察。

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