人体生物电阻抗的检测方法及其应用

　　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。

　　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。