多频率激励生物电阻抗测量方法的研究

庄翠芳，阳　波，牛俊泽

（湖南师范大学　物理与信息科学学院，长沙　410000）

多频率激励生物电阻抗测量方法的研究

庄翠芳，阳波，牛俊泽

（湖南师范大学物理与信息科学学院，长沙410000）

生物电阻抗是生物组织的一个重要电参数，对生物电阻抗的测量与分析在生物医学工程上有着重要的研究和应用价值；采用四电极测量法，设计了一种多频激励的生物电阻抗测量系统，利用AFE4300产生16-128 k Hz激励信号源，并将此激励信号施加于待测生物组织上，通过IQ解调，得出待测电阻抗的模值和相角；当激励信号为128 k Hz时，系统模值测量误差最大，最大测量误差为2.07%，且随着激励频率的增加，模值和相角的测量误差呈逆向变化趋势，在不同的应用场合，选择不同的激励频率可以提高生物电阻抗的测量精度。

生物电阻抗；四电极；AFE4300；多频率测量

0　引言

生物电阻抗测量，或简称阻抗技术，是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术［1］。生物电阻抗的测量与分析在生物医学工程上有着重要的研究和应用价值，成为生物医学领域的研究热点。第四军医大学生物医学工程系的董秀珍、付峰等研究了四电极法的生物电阻抗测量方法，用于分析生物组织的复阻抗频率特性［2］；北京化工大学控制科学与工程系的宋凤娟、金翠云利用微电极微尺寸的特性，跨越角质层达到表皮层，提高生物电阻抗的测量精度［3］；上海大学的毛光金、沈林勇等设计了圆柱硅胶电极，实现了对生物病变组织的实时在线测量与分析［4］。

尽管人们生物电阻抗测量技术和方法进行了大量的研究，但主要是采用单频率测量技术，缺乏相位检测［5］。基于此，设计了一种多频率的生物电阻抗测量系统，能同时测量出生物电阻抗的模值和相角。

1　四电极生物电阻抗测量原理

根据生物电阻抗测量系统中采用的电极数目的不同，可分为双电极、四电极、六电极和八电极等测量系统［6］。双电极测量系统中，这两个电极既作为激励电极又作为测量电极，极易产生待测生物组织与电极之间的未知可变的接触电阻，造成系统的测量误差；六电极和八电极测量系统中，虽然测量结果准确，但测量过程中电极的选择比较复杂，一般不用于实验测试；四电极测量系统中，两个电极作为激励电极，另外两个电极为信号采集电极，测量时电极选择简单，且测量结果准确。本文选择了四电极法测量生物电阻抗，其原理图如图1所示。细胞膜等效电容C与细胞内液等效电阻Ri串联后再与细胞外液等效电阻Re并联组成了Zx，Zx为生物电阻抗的三元件等效电路模型［7］，I为激励电流源，由激励电极A、B施加于待测生物电阻抗；V为生物电阻抗两端的电压值，通过电压采集电极C、D获取。

设激励信号的幅值为A，角频率为ω0，则：将激励信号施加于Zx，可得Zx两端的电压值为：

图1　四电极法生物阻抗测量原理

图2　IQ解调原理

设参考信号为：

乘法器输出信号为：

选择截止频率远小于2ω0的低通滤波器，获得与相移成比例的直流分量为：

将参考信号相移90°，与输入信号相乘可得：

经过低通滤波器后可得：

第三，降低投资者的可预见性以及政府的执法透明性。《中国（重庆）自由贸易试验区管理办法》（以下简称《管理办法》）中规定，自贸区管委会拥有管理自贸区事务、行政审批以及行政处罚的权利。虽然《管理办法》中列举了多项行政处罚权，但处罚标准、程序和内容均未作出具体规定。重庆自贸区的行政复议机制也存在相同的问题，其行政处罚的内容和程序规定的不明确、不具体，同时行政诉讼和行政复议的事项也不够清晰。法律法规的相关规定不明确致使管委会在行使行政处罚权时无法可依，这也让投资者进行投资时有所顾虑。

由（5）（7）可得

2　生物电阻抗测量系统设计

根据生物电阻抗测量原理，设计出一种生物电阻抗测量系统，主要由串口调试助手、单片机以及AFE4300三大部分组成。系统中选用STM32F103RBT6 单片机为主控器，AFE4300为生物电阻抗测量芯片，FT232RL为串行通信芯片，SSCOM3.2串口调试助手发送相关的中断指令以及显示最终获取的电压值。本系统的关键点为生物电阻抗测量芯片AFE4300，下面将结合AFE4300的工作原理，对本系统的测量过程进行详细介绍。

AFE4300芯片是由德州仪器（TI）推出的全面集成型模拟前端，集成了两个单独的信号链，一个针对重量测量，另一个针对生物电阻抗测量，二者之间采用16位860 sps模数转换器（ADC）进行多路复用。本系统中AFE4300芯片仅用于生物电阻测量，在该功能下，AFE4300的工作原理图如图3所示。

图3　AFE4300工作原理

系统选用2.048 MHz的外部晶振作为AFE4300的系统主时钟CLK，可获得频率为整数的激励电流源。系统工作时，对寄存器DAC_FR写入不同的值后，经过信号调理电路后，可分别得到频率为16k Hz、32k Hz、64k Hz、128k Hz的激励电流信号。激励电流信号通过电流电极施加于待测生物电阻抗Zx两端，由电压电极采集Zx两端的电压值，将所采集的电压值进行IQ解调，分离出待测生物电阻抗的实部与虚部信息。进行IQ解调时，首先需要对寄存器IQ_CLK_DIV进行设置。由AFE4300数据手册可知，IQ解调时的时钟频率IQ_ CLK、激励电流源频率BCM以及CLK满足下列关系：

根据已经确定的激励电流源频率BCM的值，可以对寄存器IQ_CLK_DIV进行设置，得到IQ解调时钟频率IQ_ CLK，IQ_CLK与BCM由同一晶振产生，使激励信号和解调时的参考信号同相，减小系统对相角测量的误差。其次，需要通过串口调试助手发送不同的中断指令来控制寄存器IQ选择。如发送‘1'时，选择I模式；发送‘2'时，选择Q模式，由IQ解调原理可知，将I模式下的参考信号Vr进行90°相移之后，系统就工作在Q模式下了。解调后的信号经过低通滤波处理后，得到与相移成比例的直流分量，将该信号进行ADC处理后保存在相应的寄存器中，并通过串口通信，在串口调试助手中显示最后的结果Vout。

3　生物电阻抗的计算

为了获得输出电压Vout与待测生物电阻抗Zx之间的关系，以及对系统的激励电流源进行校准，需要在AFE4300的外部接入校准电阻。设校准电阻的阻值分别为Rb1、Rb2，生物电阻抗的计算过程可描述为：

②更改IQ选择寄存器的值，使测量系统工作在Q模式，分别测量Rb1、Rb2，得到的电压值分别为VQ1、VQ2；

③设待测生物电阻抗R与采集电压V之间的线性关系为：

R=M×V+O（11）

其中：M为斜率，O为偏移量；

④由生物电阻抗测量原理可知：

由（12）（13）可得

4　实验与分析

为了验证本系统测量精度，利用高精度的电阻与电容，设计了两组实验。

1）纯电阻实验：

选取5个阻值不同的电阻作为待测电阻，利用高精度数字万用表Fluke F187对5个电阻进行测量，将Fluke F187测量的值作为待测电阻的理论值，然后利用本系统，在16 k Hz、32 k Hz、64 k Hz、128 k Hz四种不同的激励频率下，分别测量5个待测电阻的阻值，并将测量值与理论值进行比较，结果如表1所示。

表1　系统测量值与理论值的比较

由表1可知，本系统能够精确测量出生物电阻抗的模值，系统模值的测量误差小于2.1%，在标准范围内［11］。当激励频率为16-64k Hz，系统的测量误差小于0.53%，当频率增大到128k Hz时，系统的最大测量误差为2.07%，明显增大，因此在高频纯电阻测量时，系统的硬件电路还有待改善。

2）阻容测量实验：

根据生物电阻抗的三元件等效模型，如图1中的Zx所示，选取2个高精度电阻和1个高精度电容，组成待测电路。首先用Fluke F187数字万用表对选取的每个元器件进行10次测量，并将最后测量结果取平均值，得到相应的元件值为：Re =751Ω，Ri=466Ω，Cm=109 n F；然后将该值作为标称值代入MATLAB进行相应的计算，得出在不同频率激励下的模值和幅值，并将MATLAB计算的结果作为计算值；最后利用本系统，在16 k Hz、32 k Hz、64 k Hz、128 k Hz四种不同的激励频率下进行测量，并将测量值与计算值进行比较，结果如表2所示。

表2　系统测量值与　　MATLAB计算的理论值比较

对生物电阻抗模值测量的相对误差与相角测量的绝对误差的进行最小二乘拟合可得拟合图如图4所示。

图4　生物电阻抗测量误差

由表2可得，当激励频率为16 k Hz时，本系统的模值测量的相对误差最大，最大相对误差为0.59%，相角测量的绝对误差最小，最小绝对误差为0.03°；当激励频率为128 k Hz时，模值测量的相对误差最小，最小相对误差为0.11%，相角测量的绝对误差最大，最大绝对误差为0.29°，且由图4可知，随着激励电流源频率的增加，模值测量误差逐渐减减小，相角测量的误差逐渐增加。因此，在对同一个生物电阻抗模型进行测量时，应选择不同的激励频率，分别对模值和相角进行测量，使生物电阻抗的模值测量误差和相角测量误差分别达到最小，提高生物电阻抗测量精度。

5　结论

准确测量生物电阻抗的值是生物电阻抗临床应用的基础，本文设计了一套多频率生物电阻抗测量系统，采用IQ解调方法，分别采用四组频率对1个纯阻模型和1个容阻模型进行测量。纯电阻实验表明：当激励频率为128 k Hz时，系统的模值测量误差最大，最大误差为2.02%，说明本系统具有较高的测量精度。阻容实验表明：在对同一个生物电阻抗模型进行测量时，若要求模值测量误差最小，应选则128 k Hz激励电流源；若要求相角测量误差最小，应选择16 k Hz激励电流源；若要求模值和相角的测量误差同时较小，则应选择64 k Hz激励电流源。

［1］任世超.生物阻抗测量技术［J］.中国医疗器械信息，2004，10（1）：22-25.

［2］付峰，臧益民，董秀珍，等.部分离体动物组织幅电阻抗频率特性测量系统及初步测量结果［J］.第四军医大学学报，1999，20（3）：220-222.

［3］宋凤娟.微创式生物电阻抗电磁场模型仿真分析及实验研究［D］.北京：北京化工大学，2010.

［4］毛金光，沈林勇，张煜辉，等.生物电阻抗测量实验设计与研究［J］.工业控制计算机，2014，27（1）：57-60.

［5］高秀娥，唐佳，陈波.多频多段人体生物电阻抗测量系统［J］.测控技术，2012，31（4）：122-125.

［6］苌飞霸，尹军，颜乐先，等基于生物电阻抗法的人体成分测量系统的研究与评价［J］.中国医学杂志，2014，31 （2）：4833-4838.

［7］Liu H，Liu W D.Low-power and portable design of bioelectrical impedance measurement system［A］.Proceeding of 2010 WASE International Conference on Information Enginerring［C］.2010：38-41.

［8］王超.医学电阻抗成像的研究［D］.天津：天津大学，2001.

［9］班东坡.人体电阻抗测量系统［D］.天津：天津大学，2004.

［10］王化祥，南国芳.用于人体阻抗成像的数据采集系统［J］.仪器仪表学报，2001，22（4）：416418.

［11］王冬艳.基于嵌入式的人体电阻抗检测系统的设计与实现 ［J］.计算机测量与控制，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。

湖南省自然科学基金项目（2015JJ203）。

庄翠芳（1990-），女，湖北荆州人，硕士研究生，主要从事生物信号检测方向的研究。

阳波（1976-），男，湖南娄底人，博士，副教授，主要从事生物传感器与系统方向的研究。