生物电阻抗测量仪

摘要 生物电阻抗测量技术是近年来发展起来的一门新兴技术，由于该技术具有廉价、安全、无毒无害等特点，是一种具有广泛应用前景的无损伤检测技术，已作为生物医学工程领域的重大研究课题，受到国内外临床医学和生物医学工程学界的广泛重视。本次设计的电阻抗测量仪是基于AT89C51单片机技术开发的一款高性能低功耗测量仪表仪器。 本次设计的生物电阻抗测量仪的控制核心是AT89C51单片机，为提高测量仪的测量精度，在对生物组织进行供电时采用的是可控交流恒流源供电方式，采用键盘可以更改恒流源的输出电流值。在对生物组织进行电阻检测完毕后，采用一个单相不可控整理电路对检测的交流电压进行整流。在电路中，为了防止检测端的大干扰对整个控制系统造成影响，在信号处理电路中加入了一个光电隔离。 关键字：生物电阻抗，测量仪，单片机，交流恒流源 课题的研究背景 生物电阻抗测量技术是利用生物组织与器官的电特性及其变化，提取与人体生理、病理相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术[1]。它通常是借助 置于体表的激励电极向被测对象施加微小的交变电流信号，同时通过测量电极检测组织表面的电压信号，由所测信号计算出相应的电阻抗及其变化，根据不同的应用目的，获取相关的生理和病理信息。该技术具有廉价、安全、无毒无害、操作简便等特点，具有广泛的应用前景。 随着社会的进步和生活水平的提高，人们越来越注重自身的健康状况。大量实验数据表明，人体的电阻抗特性与人体健康之间存在紧密的统计关系。生物组织的电学性质是人们认识生命物质的一个重要方面，长期以来，对生物组织电性质的研究一直是生物医学工程学关注的热点。生命物质电阻抗作为一个重要的电参数，在电性质研究中占有很重要的地位，生物组织生理病理特性可以通过电阻抗来反映。目前，国内外学者已经通过研究生物组织的阻抗特性预测早期疾病、治疗过程中的监护、区分正常组织和病变组织等[2]。在这些研究报道中发现，对相关生物组织的阻抗特性主要使用现成的阻抗分析仪测量，这些仪器均非针对生物组织而设计，因此存在对测量对象造成破坏、非实时、价格昂贵等问题。因此，在这些研究的基础上，总结并设计一种无创、廉价、安全、无毒无害、操作简单和信息丰富的生物电阻抗测量系统是现代电子科学和生物医学等多门学科发展的必然需要，具有广泛的应用前景[3]。 1.2 生物电阻抗测量仪的发展现状及研究意义 人类很早就了解到生物的电阻特性，也给出了生物体产生电阻的原因：它是当细胞内外液中电解质离子在电场中移动时，黏滞介质和狭小管道对离子运动的阻碍作用所致。近些年来，国内外对生物阻抗测量系统开发的公司和学校逐渐增多，已有的各种生物阻抗测量系统在信号发生部分、采集精度、性价比、软件、便携性等特性方面都各有特色。 国外最早用电桥法测量生物组织电阻抗，由于调节电桥平衡比较困难，精度也不高，因此在实际应用中，此方法已不多见[4]。Geddes L. A又提出了一种双电极测量技术，由于存在很多的弊端，在精确测量生物组织电阻抗时已逐步被四电极法所代替。Warsaw理工大学的T. Palko以及F. Bialokoz等学者自行研制出一套多频率生物电阻抗测量系统以提取生物电阻抗的幅值。印度Panjab大学生物物理所和Panjab大学物理高级研究中心的K. S. Kohli，D. V. Rai，P. kumar，V. K. Jindal以及N. Goyal进行了山羊眼睛晶状体电阻抗的测量与建模，将眼部晶状体物质在不同刺激频率下的阻抗圆图描绘出来，其展现出完美的半圆弧图形，并测出中心位于横坐标下方35度角处，R0-Rx之间的半角为55度[5]。 国内也相继开展了生物电阻抗分析法的研究。第四军医大学生物医学工程系的付峰、董秀珍等建立了一种四电极法的离体生物组织复阻抗测量系统，用以测量分析生物组织的复阻抗频率特性。清华大学电机系生物医学工程研究所的吴润泽、高小榕等建立了一套多路独立人体阻抗测量系统，采用奇异值分解方法分解胸部阻抗信号。中国医学科学院、中国协和医科大学生物医学工程研究所的任超世、王慧艳根据血液的电阻抗一频率特性和典型的三元件血液模型，提出了一种研究血液电特性的新方法一多频率电阻抗法。北京军区军事医学研究所的李清亚等人研制了人体脂肪分析仪，并在此基础上，对部队士兵、老年农民和中年干部人体成分进行了测定。第三军医大学的殷均斐等人研制了阻抗法人体成分测量装置，设计了IHKZ至100KHZ五个频点。近十几年来，国内外学者对基于生物电阻抗法的人体成分分析开展了大量的理论与实验研究，虽已取得了一定的成果，但仍存在一些问题[6]。例如，几乎所有的研究工作均使用100KHZ以下的激励信号和单频率测量方法。近年来，国外的研究者对多频率测量进行了研究，但一般采用阻抗分析仪分别测量不同频点的人体阻抗，然后进行计算研究，但是人体是动态的，该方法不能分析同一生命活动在不同激励频率下的反应；信号处理采用模拟电路方式，虽然实现简单，但由于检出信号非常微弱，抗干扰能力差，造成测量重复性较差。更重要的是，大部分对生物电阻抗测量分析由于获取信息单一，因此研究多集中在单一应用方向，事实上，生物电阻抗蕴含大量生命信息，充分的提取将为指导治疗的监护过程提供更为丰富的信息。 1.3本文的主要工作 针对国内外生物阻抗测量系统所存在的问题，本课题提出了一种新的基于51单片机的生物电阻抗测量仪的设计方案。本文的内容安排如下： 第一章前言。概述本课题的研究目的、研究意义和目前国内外的研究现状。 第二章生物电阻抗测量仪的总体方案设计。 第三章系统的硬件构架。 第四章系统的软件实施平台及具体的软件设计方案。 第五章展望，对于现已设计的生物电阻抗测量仪的阻抗进行总结，并对所设计系统的不足之处进行分析展望。