多頻率激勵(lì)生物電阻抗測(cè)量方法的研究

莊翠芳，陽(yáng)　波，?？?/p>

（湖南師范大學(xué)　物理與信息科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙　410000）

多頻率激勵(lì)生物電阻抗測(cè)量方法的研究

莊翠芳，陽(yáng)波，牛俊澤

（湖南師范大學(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙410000）

生物電阻抗是生物組織的一個(gè)重要電參數(shù)，對(duì)生物電阻抗的測(cè)量與分析在生物醫(yī)學(xué)工程上有著重要的研究和應(yīng)用價(jià)值；采用四電極測(cè)量法，設(shè)計(jì)了一種多頻激勵(lì)的生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)，利用AFE4300產(chǎn)生16-128 k Hz激勵(lì)信號(hào)源，并將此激勵(lì)信號(hào)施加于待測(cè)生物組織上，通過(guò)IQ解調(diào)，得出待測(cè)電阻抗的模值和相角；當(dāng)激勵(lì)信號(hào)為128 k Hz時(shí)，系統(tǒng)模值測(cè)量誤差最大，最大測(cè)量誤差為2.07%，且隨著激勵(lì)頻率的增加，模值和相角的測(cè)量誤差呈逆向變化趨勢(shì)，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，選擇不同的激勵(lì)頻率可以提高生物電阻抗的測(cè)量精度。

生物電阻抗；四電極；AFE4300；多頻率測(cè)量

0　引言

生物電阻抗測(cè)量，或簡(jiǎn)稱阻抗技術(shù)，是一種利用生物組織與器官的電特性及其變化規(guī)律提取與人體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的檢測(cè)技術(shù)［1］。生物電阻抗的測(cè)量與分析在生物醫(yī)學(xué)工程上有著重要的研究和應(yīng)用價(jià)值，成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的董秀珍、付峰等研究了四電極法的生物電阻抗測(cè)量方法，用于分析生物組織的復(fù)阻抗頻率特性［2］；北京化工大學(xué)控制科學(xué)與工程系的宋鳳娟、金翠云利用微電極微尺寸的特性，跨越角質(zhì)層達(dá)到表皮層，提高生物電阻抗的測(cè)量精度［3］；上海大學(xué)的毛光金、沈林勇等設(shè)計(jì)了圓柱硅膠電極，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物病變組織的實(shí)時(shí)在線測(cè)量與分析［4］。

盡管人們生物電阻抗測(cè)量技術(shù)和方法進(jìn)行了大量的研究，但主要是采用單頻率測(cè)量技術(shù)，缺乏相位檢測(cè)［5］。基于此，設(shè)計(jì)了一種多頻率的生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)，能同時(shí)測(cè)量出生物電阻抗的模值和相角。

1　四電極生物電阻抗測(cè)量原理

根據(jù)生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)中采用的電極數(shù)目的不同，可分為雙電極、四電極、六電極和八電極等測(cè)量系統(tǒng)［6］。雙電極測(cè)量系統(tǒng)中，這兩個(gè)電極既作為激勵(lì)電極又作為測(cè)量電極，極易產(chǎn)生待測(cè)生物組織與電極之間的未知可變的接觸電阻，造成系統(tǒng)的測(cè)量誤差；六電極和八電極測(cè)量系統(tǒng)中，雖然測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，但測(cè)量過(guò)程中電極的選擇比較復(fù)雜，一般不用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試；四電極測(cè)量系統(tǒng)中，兩個(gè)電極作為激勵(lì)電極，另外兩個(gè)電極為信號(hào)采集電極，測(cè)量時(shí)電極選擇簡(jiǎn)單，且測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。本文選擇了四電極法測(cè)量生物電阻抗，其原理圖如圖1所示。細(xì)胞膜等效電容C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)組成了Zx，Zx為生物電阻抗的三元件等效電路模型［7］，I為激勵(lì)電流源，由激勵(lì)電極A、B施加于待測(cè)生物電阻抗；V為生物電阻抗兩端的電壓值，通過(guò)電壓采集電極C、D獲取。

設(shè)激勵(lì)信號(hào)的幅值為A，角頻率為ω0，則：將激勵(lì)信號(hào)施加于Zx，可得Zx兩端的電壓值為：

圖1　四電極法生物阻抗測(cè)量原理

圖2　IQ解調(diào)原理

設(shè)參考信號(hào)為：

乘法器輸出信號(hào)為：

選擇截止頻率遠(yuǎn)小于2ω0的低通濾波器，獲得與相移成比例的直流分量為：

將參考信號(hào)相移90°，與輸入信號(hào)相乘可得：

經(jīng)過(guò)低通濾波器后可得：

第三，降低投資者的可預(yù)見(jiàn)性以及政府的執(zhí)法透明性?！吨袊?guó)（重慶）自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)管理辦法》（以下簡(jiǎn)稱《管理辦法》）中規(guī)定，自貿(mào)區(qū)管委會(huì)擁有管理自貿(mào)區(qū)事務(wù)、行政審批以及行政處罰的權(quán)利。雖然《管理辦法》中列舉了多項(xiàng)行政處罰權(quán)，但處罰標(biāo)準(zhǔn)、程序和內(nèi)容均未作出具體規(guī)定。重慶自貿(mào)區(qū)的行政復(fù)議機(jī)制也存在相同的問(wèn)題，其行政處罰的內(nèi)容和程序規(guī)定的不明確、不具體，同時(shí)行政訴訟和行政復(fù)議的事項(xiàng)也不夠清晰。法律法規(guī)的相關(guān)規(guī)定不明確致使管委會(huì)在行使行政處罰權(quán)時(shí)無(wú)法可依，這也讓投資者進(jìn)行投資時(shí)有所顧慮。

由（5）（7）可得

2　生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)生物電阻抗測(cè)量原理，設(shè)計(jì)出一種生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)，主要由串口調(diào)試助手、單片機(jī)以及AFE4300三大部分組成。系統(tǒng)中選用STM32F103RBT6 單片機(jī)為主控器，AFE4300為生物電阻抗測(cè)量芯片，F(xiàn)T232RL為串行通信芯片，SSCOM3.2串口調(diào)試助手發(fā)送相關(guān)的中斷指令以及顯示最終獲取的電壓值。本系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)為生物電阻抗測(cè)量芯片AFE4300，下面將結(jié)合AFE4300的工作原理，對(duì)本系統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

AFE4300芯片是由德州儀器（TI）推出的全面集成型模擬前端，集成了兩個(gè)單獨(dú)的信號(hào)鏈，一個(gè)針對(duì)重量測(cè)量，另一個(gè)針對(duì)生物電阻抗測(cè)量，二者之間采用16位860 sps模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行多路復(fù)用。本系統(tǒng)中AFE4300芯片僅用于生物電阻測(cè)量，在該功能下，AFE4300的工作原理圖如圖3所示。

圖3　AFE4300工作原理

系統(tǒng)選用2.048 MHz的外部晶振作為AFE4300的系統(tǒng)主時(shí)鐘CLK，可獲得頻率為整數(shù)的激勵(lì)電流源。系統(tǒng)工作時(shí)，對(duì)寄存器DAC_FR寫入不同的值后，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后，可分別得到頻率為16k Hz、32k Hz、64k Hz、128k Hz的激勵(lì)電流信號(hào)。激勵(lì)電流信號(hào)通過(guò)電流電極施加于待測(cè)生物電阻抗Zx兩端，由電壓電極采集Zx兩端的電壓值，將所采集的電壓值進(jìn)行IQ解調(diào)，分離出待測(cè)生物電阻抗的實(shí)部與虛部信息。進(jìn)行IQ解調(diào)時(shí)，首先需要對(duì)寄存器IQ_CLK_DIV進(jìn)行設(shè)置。由AFE4300數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，IQ解調(diào)時(shí)的時(shí)鐘頻率IQ_ CLK、激勵(lì)電流源頻率BCM以及CLK滿足下列關(guān)系：

根據(jù)已經(jīng)確定的激勵(lì)電流源頻率BCM的值，可以對(duì)寄存器IQ_CLK_DIV進(jìn)行設(shè)置，得到IQ解調(diào)時(shí)鐘頻率IQ_ CLK，IQ_CLK與BCM由同一晶振產(chǎn)生，使激勵(lì)信號(hào)和解調(diào)時(shí)的參考信號(hào)同相，減小系統(tǒng)對(duì)相角測(cè)量的誤差。其次，需要通過(guò)串口調(diào)試助手發(fā)送不同的中斷指令來(lái)控制寄存器IQ選擇。如發(fā)送‘1'時(shí)，選擇I模式；發(fā)送‘2'時(shí)，選擇Q模式，由IQ解調(diào)原理可知，將I模式下的參考信號(hào)Vr進(jìn)行90°相移之后，系統(tǒng)就工作在Q模式下了。解調(diào)后的信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波處理后，得到與相移成比例的直流分量，將該信號(hào)進(jìn)行ADC處理后保存在相應(yīng)的寄存器中，并通過(guò)串口通信，在串口調(diào)試助手中顯示最后的結(jié)果Vout。

3　生物電阻抗的計(jì)算

為了獲得輸出電壓Vout與待測(cè)生物電阻抗Zx之間的關(guān)系，以及對(duì)系統(tǒng)的激勵(lì)電流源進(jìn)行校準(zhǔn)，需要在AFE4300的外部接入校準(zhǔn)電阻。設(shè)校準(zhǔn)電阻的阻值分別為Rb1、Rb2，生物電阻抗的計(jì)算過(guò)程可描述為：

②更改IQ選擇寄存器的值，使測(cè)量系統(tǒng)工作在Q模式，分別測(cè)量Rb1、Rb2，得到的電壓值分別為VQ1、VQ2；

③設(shè)待測(cè)生物電阻抗R與采集電壓V之間的線性關(guān)系為：

R=M×V+O（11）

其中：M為斜率，O為偏移量；

④由生物電阻抗測(cè)量原理可知：

由（12）（13）可得

4　實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)測(cè)量精度，利用高精度的電阻與電容，設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)。

1）純電阻實(shí)驗(yàn)：

選取5個(gè)阻值不同的電阻作為待測(cè)電阻，利用高精度數(shù)字萬(wàn)用表Fluke F187對(duì)5個(gè)電阻進(jìn)行測(cè)量，將Fluke F187測(cè)量的值作為待測(cè)電阻的理論值，然后利用本系統(tǒng)，在16 k Hz、32 k Hz、64 k Hz、128 k Hz四種不同的激勵(lì)頻率下，分別測(cè)量5個(gè)待測(cè)電阻的阻值，并將測(cè)量值與理論值進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

表1　系統(tǒng)測(cè)量值與理論值的比較

由表1可知，本系統(tǒng)能夠精確測(cè)量出生物電阻抗的模值，系統(tǒng)模值的測(cè)量誤差小于2.1%，在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)［11］。當(dāng)激勵(lì)頻率為16-64k Hz，系統(tǒng)的測(cè)量誤差小于0.53%，當(dāng)頻率增大到128k Hz時(shí)，系統(tǒng)的最大測(cè)量誤差為2.07%，明顯增大，因此在高頻純電阻測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)的硬件電路還有待改善。

2）阻容測(cè)量實(shí)驗(yàn)：

根據(jù)生物電阻抗的三元件等效模型，如圖1中的Zx所示，選取2個(gè)高精度電阻和1個(gè)高精度電容，組成待測(cè)電路。首先用Fluke F187數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)選取的每個(gè)元器件進(jìn)行10次測(cè)量，并將最后測(cè)量結(jié)果取平均值，得到相應(yīng)的元件值為：Re =751Ω，Ri=466Ω，Cm=109 n F；然后將該值作為標(biāo)稱值代入MATLAB進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，得出在不同頻率激勵(lì)下的模值和幅值，并將MATLAB計(jì)算的結(jié)果作為計(jì)算值；最后利用本系統(tǒng)，在16 k Hz、32 k Hz、64 k Hz、128 k Hz四種不同的激勵(lì)頻率下進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量值與計(jì)算值進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

表2　系統(tǒng)測(cè)量值與　　MATLAB計(jì)算的理論值比較

對(duì)生物電阻抗模值測(cè)量的相對(duì)誤差與相角測(cè)量的絕對(duì)誤差的進(jìn)行最小二乘擬合可得擬合圖如圖4所示。

圖4　生物電阻抗測(cè)量誤差

由表2可得，當(dāng)激勵(lì)頻率為16 k Hz時(shí)，本系統(tǒng)的模值測(cè)量的相對(duì)誤差最大，最大相對(duì)誤差為0.59%，相角測(cè)量的絕對(duì)誤差最小，最小絕對(duì)誤差為0.03°；當(dāng)激勵(lì)頻率為128 k Hz時(shí)，模值測(cè)量的相對(duì)誤差最小，最小相對(duì)誤差為0.11%，相角測(cè)量的絕對(duì)誤差最大，最大絕對(duì)誤差為0.29°，且由圖4可知，隨著激勵(lì)電流源頻率的增加，模值測(cè)量誤差逐漸減減小，相角測(cè)量的誤差逐漸增加。因此，在對(duì)同一個(gè)生物電阻抗模型進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)選擇不同的激勵(lì)頻率，分別對(duì)模值和相角進(jìn)行測(cè)量，使生物電阻抗的模值測(cè)量誤差和相角測(cè)量誤差分別達(dá)到最小，提高生物電阻抗測(cè)量精度。

5　結(jié)論

準(zhǔn)確測(cè)量生物電阻抗的值是生物電阻抗臨床應(yīng)用的基礎(chǔ)，本文設(shè)計(jì)了一套多頻率生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)，采用IQ解調(diào)方法，分別采用四組頻率對(duì)1個(gè)純阻模型和1個(gè)容阻模型進(jìn)行測(cè)量。純電阻實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)激勵(lì)頻率為128 k Hz時(shí)，系統(tǒng)的模值測(cè)量誤差最大，最大誤差為2.02%，說(shuō)明本系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度。阻容實(shí)驗(yàn)表明：在對(duì)同一個(gè)生物電阻抗模型進(jìn)行測(cè)量時(shí)，若要求模值測(cè)量誤差最小，應(yīng)選則128 k Hz激勵(lì)電流源；若要求相角測(cè)量誤差最小，應(yīng)選擇16 k Hz激勵(lì)電流源；若要求模值和相角的測(cè)量誤差同時(shí)較小，則應(yīng)選擇64 k Hz激勵(lì)電流源。

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Research of a Bio_electrical Impedance Measurement Based on Multi-Frequency Technology

Zhuang Cuifang，Yang Bo，Niu Junze
（Institute of Physics and Information Technology，Hunan Normal University，Changsha410000 China）

Bio_electrical impedance is an important electrical parameter of biology tissue，bio_electrical impedance measurement and analysis has important research and application value on the bio_medical engineering。Using four electrode method，designing a multi-frequency excitation bio_electrical impedance measurement system，making use of AFE4300 produce 16-128 k Hz adjustable excitation signal source，putting the current electrodes on the test of biological tissue，through the IQ demodulation，can calculate the measured impedance modulus value and angle.When the excitation signal is 128 k Hz，the system has the maximum error，the error is 2.07%.And with the increase of excitation frequency，modulus and phase Angle measurement error reverse the trend so that in different applications，choose different excitation frequency can improve the measurement precision of the system.

bio-electrical impedance；four electrode；AFE4300；multiple frequency measurement

1671-4598（2016）05-0071-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.021

TP11

A

2015-11-22；

2015-12-22。

湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015JJ203）。

莊翠芳（1990-），女，湖北荊州人，碩士研究生，主要從事生物信號(hào)檢測(cè)方向的研究。

陽(yáng)波（1976-），男，湖南婁底人，博士，副教授，主要從事生物傳感器與系統(tǒng)方向的研究。