生物电阻抗测量系统功能抽象与设计

　　1　引　　言

　　医学研究结果表明,人体各组织(器官)具有不同的阻抗特性,而且一些病理现象和生理活动均会引起人体组织的阻抗变化。因此,研究生物组织阻抗携带的丰富的病理和生理信息,对其进行全信息的测量分析,将为临床提供有力的监护手段和治疗效果的评价方法[1]。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[2]。

　　功能抽象即将一个系统抽象为几个独立的能实现特定功能的模块,各个模块之间既相互独立,又存在相互的联系[3]。在实际应用中,将功能抽象所得到的不同模块进行组合,从而实现了系统的构建,使得系统的开发更加具有层次性、结构性、功能性和灵活性,节约了二次开发的时间和投资。但在传统的功能抽象与设计中[4-5],仅仅是将一个系统简单地分解成几个独立模块,各模块之间没有通用的接口,不具有通用性、互用性和可移植性,限制了模块对不同系统的再用性。

　　本文在对生物电阻抗测量系统分析的基础上,将它们的通用功能抽象化,模块可在不同系统开发中重复利用,从而真正实现了通用性、互用性和可移植性的功能抽象与设计。

　　2　生物电阻抗测量原理

　　在生物电阻抗测量中,由于电流源激励模式受未知接触阻抗的影响小且加到电极的电流的幅值容易控制,不致引起安全问题,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I( t),其值为I0sin(ωt),通过选通置于人体不同部位的测量电极,检测出组织表面的微弱电压信号为Vc(t)=I(t)Z=|Z|I0×sin(ωt+ Φ)=Vzsin(ωt+ Φ)(Z为激励电极和测量电极间生物组织的阻抗),将该微弱信号进行放大等一系列的预处理,选用合适的解调方法,计算出相应的电阻抗及其变化。

　　解调方法主要有开关解调、乘法解调和数字解调。目前,乘法解调方法在生物电阻抗测量中被广泛采用,其原理[6]如图1所示。

　　设输入信号Vi(t)为:

　　如果选择截止频率远小于2ω的低通滤波器,则可获得与相移成比例的直流分量:

　　若希望获取虚部信息,只需将参考信号相移90°,相乘后滤波即可,如下式所示。乘法器输出信号为:

　　上述原理不仅针对生物电阻抗测量,对医学电阻抗断层成像,以及过程成像中的电容层析成像技术(ECT)、电阻层析成像技术(ERT)和电磁层析成像技术(EMT)同样适用。根据上述原理,有学者对各系统进行功能抽象,但由于抽象所得到的各模块的接口电路和协议等不通用,一般只能在本系统中使用,即使同一个人设计的不同系统,各系统的抽象模块也很难互用,限制了开发的效率,因此有必要对系统重新进行功能抽象与设计。