摘要：為獲得同一時刻、不同頻率下的生物阻抗信息，設(shè)計了基于虛擬儀器的混頻生物阻抗測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件平臺由自主開發(fā)的信號源模塊和信號調(diào)理模塊以及NI公司的PCI-6111板卡組成.對混頻激勵下阻抗信息的提取方法進(jìn)行了研究。提出了基于虛參考點的數(shù)據(jù)采集方法，利用LabVIEW實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析處理、顯示和存儲等，大大提高了開發(fā)效率。通過與Agilent4294A阻抗分析儀進(jìn)行比對，證明該系統(tǒng)具有較高的測量精度和準(zhǔn)確性
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；生物阻抗測量;數(shù)字解調(diào)

    醫(yī)學(xué)研究表明，生物體各個組織(器官)具有不同的阻抗特性，而且一些病理現(xiàn)象和生物活動均會引起生物體組織阻抗的變化，因此生物組織阻抗攜帶著豐富的病理和生理信息。通過測量生物阻抗值，分析和研究生物體的病理和生理狀況，在臨床上具有很高的實用價值。
    虛擬儀器作為一種新型儀器，改變了傳統(tǒng)儀器的使用方式，它建立在有限的硬件基礎(chǔ)上，融合了計算機強大的硬件資源，通過軟件編程實現(xiàn)儀器的各種功能．具有靈活性、可擴展性、縮短開發(fā)時間和使系統(tǒng)集成簡單化等特點．本系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)，可以根據(jù)設(shè)計需要增減儀器的功能，提高了儀器性能，并便于各種算法的實現(xiàn)．

1 混頻激勵下生物阻抗測量原理
    生物阻抗測量技術(shù)通常是借助置于體表的激勵電極向被測對象施加微小的交變電流(或電壓)信號，同時通過測量電極檢測組織表面的電壓(或電流)信號，由所測信號計算出相應(yīng)的電阻抗及其變化量．因為電流源激勵模式受未知接觸阻抗的影響小且加到電極的電流幅值容易控制，不致引起安全問題，所以本系統(tǒng)采用電流激勵、電壓測量方式.
    早期，生物阻抗測量采用單頻率全身阻抗測量法，通過測量人體總阻抗，利用各種經(jīng)驗公式計算人體水分總含量(TBW)．但是根據(jù)人體的幾何形狀特性，在軀干中相同的質(zhì)量變化所產(chǎn)生的阻抗變化會遠(yuǎn)小于其在肢體中的變化，而且由于人體體形的個體差異，會產(chǎn)生較大的誤差．后來針對上述問題，采用單頻率分段測量法，但獲得信息較少，操作的可行性差．目前較理想的方案是多頻率生物阻抗分析．國內(nèi)外學(xué)者已開展了這方面的研究，如美國Alaba-ma大學(xué)的Sufia Islam等人利用阻抗分析儀將1Hz～1．348MHz頻率范圍內(nèi)的多頻率分析技術(shù)與HPLC和SP方法進(jìn)行了對比研究；英國的NI Pa-ton用該項技術(shù)分析了HIV病毒感染者的人體水分總含量(TBW)和細(xì)胞外液體積(ECW)，等等．第三軍醫(yī)大學(xué)的殷均斐等人研制了阻抗法人體成分測量裝置，設(shè)計了1～100 kHz之間5個頻點．
    根據(jù)生物組織頻率阻抗特性，在β頻散段內(nèi)(10 kHz～10 MHz)，細(xì)胞膜電容基本穩(wěn)定，隨著頻率的增加，膜電容的容抗減小，外加電流由低頻時繞過細(xì)胞膜流經(jīng)細(xì)胞外液到高頻時穿過細(xì)胞膜流經(jīng)細(xì)胞內(nèi)外液.當(dāng)前的多頻率阻抗測量的研究一般采用阻抗分析儀分別測量不同頻點的人體阻抗，然后進(jìn)行計算研究．由于生物體是動態(tài)的，不同時刻不同頻率下的阻抗值，并不能反映同一時刻的生物體特征，因此，本系統(tǒng)采用兩種不同頻率的混頻激勵方式，在高低不同頻段獲得同一時刻生物阻抗信息．
1．1 正交數(shù)字解調(diào)法
    為了同時獲得高頻和低頻信號激勵下人體復(fù)阻抗的值，將高頻和低頻信號混合后作為激勵信號，實現(xiàn)混頻激勵．混頻激勵下阻抗信息提取采用正交數(shù)字解調(diào)法.其原理如下：
    假設(shè)激威信號含有n個頻率成分，其幅值分別為Bi，頻率為ki×f(f為基準(zhǔn)頻率，即采樣頻率和信號所包含頻率的公約數(shù))(i=0，1，…，n-1)，將其施加到被測對象上，采樣頻率為f=N×f(N>2max(k0，k1，…，kn-1))，對不同頻率對應(yīng)信號均勻采樣qi個周期，則總采樣點數(shù)為M=(N／ki)×qi,可得序列

   
式中：｜Zi｜為對應(yīng)第i個頻率成分時阻抗的模值；ψi為對應(yīng)第i個頻率下阻抗的相角；j=0，1，…，M-1．構(gòu)造同相和正交參考信號序列

   
    由于N和Bi已知，由式(4)(5)可求出相應(yīng)頻率下復(fù)阻抗的模值和相角．
1．2 虛參考點法
    正交數(shù)字解調(diào)法只有在保證激勵電流與參考信號同相位的基礎(chǔ)上，才能夠得到復(fù)阻抗實部和虛部的精確值．而數(shù)字解調(diào)中的參考信號為構(gòu)造的三角函數(shù)，很難做到和激勵電流同相位，并且實際系統(tǒng)中,由于各種因素的影響激勵電流(通過導(dǎo)線,負(fù)載變化等)也會產(chǎn)生相移，造成系統(tǒng)誤差，而流經(jīng)被測電阻的電流信號又很難提�。�針對上述問題，提出了虛參考點方法．在人體被測電阻抗的回路中串聯(lián)一個已知阻抗特征的純阻性參考電阻，激勵電流的相移以及激勵電流和參考信號的相位差均可由參考電阻求得，從而消除了因此引入的誤差．圖1為虛參考點實現(xiàn)過程示意圖.
    圖1中Zx為被測電阻抗；Rr為參考電阻；AxAr，ax，ar分別為Vx和Vr的幅值和相角．
    設(shè)激勵電流為I,則

   

   

    利用這種虛參考點方法，實際系統(tǒng)中激勵電流信號I的相移以及激勵電流和參考信號之間的相位差可