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（湖南師范大學　物理與信息科學學院，長沙　410000）

多頻率激勵生物電阻抗測量方法的研究

莊翠芳，陽波，?？?/p>

（湖南師范大學物理與信息科學學院，長沙410000）

生物電阻抗是生物組織的一個重要電參數，對生物電阻抗的測量與分析在生物醫(yī)學工程上有著重要的研究和應用價值；采用四電極測量法，設計了一種多頻激勵的生物電阻抗測量系統(tǒng)，利用AFE4300產生16-128 k Hz激勵信號源，并將此激勵信號施加于待測生物組織上，通過IQ解調，得出待測電阻抗的模值和相角；當激勵信號為128 k Hz時，系統(tǒng)模值測量誤差最大，最大測量誤差為2.07%，且隨著激勵頻率的增加，模值和相角的測量誤差呈逆向變化趨勢，在不同的應用場合，選擇不同的激勵頻率可以提高生物電阻抗的測量精度。

生物電阻抗；四電極；AFE4300；多頻率測量

0　引言

生物電阻抗測量，或簡稱阻抗技術，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、病理狀況相關的生物醫(yī)學信息的檢測技術［1］。生物電阻抗的測量與分析在生物醫(yī)學工程上有著重要的研究和應用價值，成為生物醫(yī)學領域的研究熱點。第四軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程系的董秀珍、付峰等研究了四電極法的生物電阻抗測量方法，用于分析生物組織的復阻抗頻率特性［2］；北京化工大學控制科學與工程系的宋鳳娟、金翠云利用微電極微尺寸的特性，跨越角質層達到表皮層，提高生物電阻抗的測量精度［3］；上海大學的毛光金、沈林勇等設計了圓柱硅膠電極，實現了對生物病變組織的實時在線測量與分析［4］。

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

1　四電極生物電阻抗測量原理

根據生物電阻抗測量系統(tǒng)中采用的電極數目的不同，可分為雙電極、四電極、六電極和八電極等測量系統(tǒng)［6］。雙電極測量系統(tǒng)中，這兩個電極既作為激勵電極又作為測量電極，極易產生待測生物組織與電極之間的未知可變的接觸電阻，造成系統(tǒng)的測量誤差；六電極和八電極測量系統(tǒng)中，雖然測量結果準確，但測量過程中電極的選擇比較復雜，一般不用于實驗測試；四電極測量系統(tǒng)中，兩個電極作為激勵電極，另外兩個電極為信號采集電極，測量時電極選擇簡單，且測量結果準確。本文選擇了四電極法測量生物電阻抗，其原理圖如圖1所示。細胞膜等效電容C與細胞內液等效電阻Ri串聯(lián)后再與細胞外液等效電阻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為激勵電流源，由激勵電極A、B施加于待測生物電阻抗；V為生物電阻抗兩端的電壓值，通過電壓采集電極C、D獲取。

設激勵信號的幅值為A，角頻率為ω0，則：將激勵信號施加于Zx，可得Zx兩端的電壓值為：

圖1　四電極法生物阻抗測量原理

圖2　IQ解調原理

設參考信號為：

乘法器輸出信號為：

選擇截止頻率遠小于2ω0的低通濾波器，獲得與相移成比例的直流分量為：

將參考信號相移90°，與輸入信號相乘可得：

經過低通濾波器后可得：

第三，降低投資者的可預見性以及政府的執(zhí)法透明性。《中國（重慶）自由貿易試驗區(qū)管理辦法》（以下簡稱《管理辦法》）中規(guī)定，自貿區(qū)管委會擁有管理自貿區(qū)事務、行政審批以及行政處罰的權利。雖然《管理辦法》中列舉了多項行政處罰權，但處罰標準、程序和內容均未作出具體規(guī)定。重慶自貿區(qū)的行政復議機制也存在相同的問題，其行政處罰的內容和程序規(guī)定的不明確、不具體，同時行政訴訟和行政復議的事項也不夠清晰。法律法規(guī)的相關規(guī)定不明確致使管委會在行使行政處罰權時無法可依，這也讓投資者進行投資時有所顧慮。

由（5）（7）可得

2　生物電阻抗測量系統(tǒng)設計

根據生物電阻抗測量原理，設計出一種生物電阻抗測量系統(tǒng)，主要由串口調試助手、單片機以及AFE4300三大部分組成。系統(tǒng)中選用STM32F103RBT6 單片機為主控器，AFE4300為生物電阻抗測量芯片，FT232RL為串行通信芯片，SSCOM3.2串口調試助手發(fā)送相關的中斷指令以及顯示最終獲取的電壓值。本系統(tǒng)的關鍵點為生物電阻抗測量芯片AFE4300，下面將結合AFE4300的工作原理，對本系統(tǒng)的測量過程進行詳細介紹。

AFE4300芯片是由德州儀器（TI）推出的全面集成型模擬前端，集成了兩個單獨的信號鏈，一個針對重量測量，另一個針對生物電阻抗測量，二者之間采用16位860 sps模數轉換器（ADC）進行多路復用。本系統(tǒng)中AFE4300芯片僅用于生物電阻測量，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)主時鐘CLK，可獲得頻率為整數的激勵電流源。系統(tǒng)工作時，對寄存器DAC_FR寫入不同的值后，經過信號調理電路后，可分別得到頻率為16k Hz、32k Hz、64k Hz、128k Hz的激勵電流信號。激勵電流信號通過電流電極施加于待測生物電阻抗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行IQ解調，分離出待測生物電阻抗的實部與虛部信息。進行IQ解調時，首先需要對寄存器IQ_CLK_DIV進行設置。由AFE4300數據手冊可知，IQ解調時的時鐘頻率IQ_ CLK、激勵電流源頻率BCM以及CLK滿足下列關系：

根據已經確定的激勵電流源頻率BCM的值，可以對寄存器IQ_CLK_DIV進行設置，得到IQ解調時鐘頻率IQ_ CLK，IQ_CLK與BCM由同一晶振產生，使激勵信號和解調時的參考信號同相，減小系統(tǒng)對相角測量的誤差。其次，需要通過串口調試助手發(fā)送不同的中斷指令來控制寄存器IQ選擇。如發(fā)送‘1'時，選擇I模式；發(fā)送‘2'時，選擇Q模式，由IQ解調原理可知，將I模式下的參考信號Vr進行90°相移之后，系統(tǒng)就工作在Q模式下了。解調后的信號經過低通濾波處理后，得到與相移成比例的直流分量，將該信號進行ADC處理后保存在相應的寄存器中，并通過串口通信，在串口調試助手中顯示最后的結果Vout。

3　生物電阻抗的計算

為了獲得輸出電壓Vout與待測生物電阻抗Zx之間的關系，以及對系統(tǒng)的激勵電流源進行校準，需要在AFE4300的外部接入校準電阻。設校準電阻的阻值分別為Rb1、Rb2，生物電阻抗的計算過程可描述為：

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

③設待測生物電阻抗R與采集電壓V之間的線性關系為：

R=M×V+O（11）

其中：M為斜率，O為偏移量；

④由生物電阻抗測量原理可知：

由（12）（13）可得

4　實驗與分析

為了驗證本系統(tǒng)測量精度，利用高精度的電阻與電容，設計了兩組實驗。

1）純電阻實驗：

選取5個阻值不同的電阻作為待測電阻，利用高精度數字萬用表Fluke F187對5個電阻進行測量，將Fluke F187測量的值作為待測電阻的理論值，然后利用本系統(tǒng)，在16 k Hz、32 k Hz、64 k Hz、128 k Hz四種不同的激勵頻率下，分別測量5個待測電阻的阻值，并將測量值與理論值進行比較，結果如表1所示。

表1　系統(tǒng)測量值與理論值的比較

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

2）阻容測量實驗：

根據生物電阻抗的三元件等效模型，如圖1中的Zx所示，選取2個高精度電阻和1個高精度電容，組成待測電路。首先用Fluke F187數字萬用表對選取的每個元器件進行10次測量，并將最后測量結果取平均值，得到相應的元件值為：Re =751Ω，Ri=466Ω，Cm=109 n F；然后將該值作為標稱值代入MATLAB進行相應的計算，得出在不同頻率激勵下的模值和幅值，并將MATLAB計算的結果作為計算值；最后利用本系統(tǒng)，在16 k Hz、32 k Hz、64 k Hz、128 k Hz四種不同的激勵頻率下進行測量，并將測量值與計算值進行比較，結果如表2所示。

表2　系統(tǒng)測量值與　　MATLAB計算的理論值比較

對生物電阻抗模值測量的相對誤差與相角測量的絕對誤差的進行最小二乘擬合可得擬合圖如圖4所示。

圖4　生物電阻抗測量誤差

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

5　結論

準確測量生物電阻抗的值是生物電阻抗臨床應用的基礎，本文設計了一套多頻率生物電阻抗測量系統(tǒng)，采用IQ解調方法，分別采用四組頻率對1個純阻模型和1個容阻模型進行測量。純電阻實驗表明：當激勵頻率為128 k Hz時，系統(tǒng)的模值測量誤差最大，最大誤差為2.02%，說明本系統(tǒng)具有較高的測量精度。阻容實驗表明：在對同一個生物電阻抗模型進行測量時，若要求模值測量誤差最小，應選則128 k Hz激勵電流源；若要求相角測量誤差最小，應選擇16 k Hz激勵電流源；若要求模值和相角的測量誤差同時較小，則應選擇64 k Hz激勵電流源。

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［11］王冬艷.基于嵌入式的人體電阻抗檢測系統(tǒng)的設計與實現 ［J］.計算機測量與控制，2103，21（3）：604607.

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。

湖南省自然科學基金項目（2015JJ203）。

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

陽波（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。