人体生物电阻抗的脉冲式检测方法及其应用
图4所示为本文采用的测量原理简图。其中虚线框内的电路为人体皮肤电阻抗等效电路模型,Rref是参考电阻。本文引用地址://m.amcfsurvey.com/article/195910.htm
电平转换电路将输入的脉冲信号Uin转换为测量需要的脉冲激励信号Ui,Uresp为输出信号。每次测量时要对Ui和Uresp进行一次同步采样,利用(2)式计算电阻抗值:(2)
对采样结果进行FFT后,即可求得由直流量及激励脉冲信号基频开始的各次谐波处的Z值,从而绘制出相应的电阻抗谱图。
本文利用软/硬件协同设计的方法研制了基于FPGA的脉冲式检测系统[5],利用FPGA丰富的逻辑资源,实现对输入信号的控制、激励与输出信号的同步采样,并且具有一定的可重配置能力。
3、电阻抗谱测量实验
3.1 Randles单元模型电路
为了验证脉冲式检测系统对电阻抗谱图的测量能力,首先对图5所示的Randles单元模型电路[6]的电阻抗谱进行了测量。其中,R=8.11kΩ,C=2200 pF,参比电阻为Rref=8.08kΩ(全部元件参数由HP 4282A LCR分析仪实际测量得到)。
图5 Randles单元模型示意图
设激励信号的频率为200Hz,由脉冲式检测系统以4.8MHz的采样频率对Randles单元模型电路的激励信号及输出采样信号进行采样及FFT处理,可得以200Hz为基频直至4.8MHz间各次倍频成分的频谱图。
绘出的电阻抗谱图如图6所示。图中实线部分为根据R、C及Rref参数计算所得的理论谱图,小圆点部分为用脉冲式检测系统测得电阻抗谱图(零频及1-299奇次倍频)。由图6可以看出,测得的Randles模型的电阻抗谱图与理论谱图吻合得很好,只有在高频段有些发散,这是由于随着谐波的倍频数增加,高频幅值衰减增加,其所携带能量急剧下降,结果受到扰动的机率也随之增大。
图6 Randles单元模型电阻抗谱图
通过上述对Randles模型电阻抗谱的测量可知,脉冲式检测系统能检测出RC等效电路模型的电阻抗谱,该系统用于电阻抗谱的测量是有效的。电路中分布电容引起虚阻抗相对较大的变化。
3.2 人体皮肤电阻抗的检测
在测量人体皮肤电阻抗谱的实验中,选择人的左手中指为测量对象。测量前先用酒精擦拭所测中指的皮肤表面,然后将制作在印刷电路板上的叉指电极放于被测部位,施加一定的压力,并在整个测量过程中保持所施加的压力恒定不变。
实验研究中所用的叉指形电极如图7所示,图中的尺寸单位为毫米。电极的材料为金,金具有电阻率小、接触电阻小、性质稳定、耐腐蚀等特点。电极采用叉指的排列形式,其细小的间距可以使被测对象保持在皮肤表面部分。电极上面没有绝缘层,即电极与被测皮肤表面直接电气相连,皮肤可以作为一种电解质材料以等效电阻抗、而不只是电容的形式连到测量电路里面。将不同频率的交流电压施加到电极上,将测得的电流与电压进行比较,就得出皮肤的阻抗。
图7 叉指型电极
作为对照,用HP4282A precision LCR meter对人手中指上的被测部位进行了测试。其输出信号电压为2V,频率范围为20Hz~1MHz。通过对测量结果的计算,可得到(1)式中的参数值如表1所示。
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