一种高精度生物电阻抗测量系统的设计

　　1　引　　言

　　脑组织缺血、出血时,将引起脑水肿、颅内压升高,严重时将引起颅内高压危象,甚至死亡。而各种继发性出血、缺血,若不能及时诊断,其危害更甚。

　　目前在临床上,主要是通过密切观察患者的意识状态和体征,由医生凭经验判断患者是否需要进行各种复查。虽然可以进行连续的颅内压监测,但是,可能会由此引起一些并发症。临床需要一种对颅内的病理变化进行无创、连续、行之有效的监测手段。

　　生物电阻抗技术是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。其基本测量方式是通过体表电极向检测对象施加安全的激励电流,并使用体表电极检测相应的电压变化,获取相关信息。该方法具有无创、无害、廉价的优点[1]。颅内血肿、水肿发生后,由于血液和颅内其他组织具有不同的电阻率,而且颅内组织水肿后其电阻率也将改变,这都将导致颅内电阻抗的变化。通过头皮电极将这一电阻抗变化检测出来,即可为评估颅内血肿、水肿的状况提供参考依据[2]。

　　由于颅骨的电阻率较高,颅内电阻抗变化时,通过头皮电极只能检测到微弱的电阻抗变化,这就需要电阻抗测量系统具有较高的测量精度和灵敏度。为此,本文设计了一套具有较高测量精度和灵敏度的生物电阻抗测量系统,用于测量头部的电阻抗。

　　2　系统原理与构成

　　2.1　测量原理

　　生物组织是由细胞和细胞间质共同组成,在不同的频率下,具有不同的阻抗特性。通常采用图1(a)所示的简化模型等效生物组织,其阻抗特性则用图1(b)的Cole-Cole圆图表述[3]。

　　图1(a)中,Ri、Re、Cm分别代表了生物组织的整体细胞内、外电阻和细胞膜电容。图1(b)中,Zr和Zi分别代表了阻抗的实部和虚部,Z和θ分别代表了阻抗的模值和相角。本系统采用电流激励、电压测量的四电极法测量方式,设置有1对激励电极,2对测量电极。系统采用直接数字频率合成(DDS)技术,生成频率可调的正弦激励信号,经过电压/电流转换器,变为正弦电流信号,通过激励电极施加于头部。2对测量电极分别拾取头部左右两侧的电压信号,两侧的电压差分别经过模拟信号调整、程控放大到合适的电压范围,然后同时采样,得到左右两侧的电压测量信号。采用正交序列数字解调法[4],从采样结果中解调出电阻抗的实部Zr和虚部Zi,从而提取出头部左右两侧的电阻抗信息。

　　2.2　系统的模块构成

　　本系统由2个模块构成:测量模块和人机界面模块[5]。其中测量模块实现阻抗信息的测量功能,人机界面模块实现阻抗信息的显示、存储功能。2个模块之间使用光电隔离的异步串行口(UART)传输命令、状态、以及阻抗信息。本系统的原理如图2所示。