1、导言
在人体成分的研讨中，丈量人体生物电阻抗值可以得到水分、脂肪等与人体健康状况有关的信息，对人身体状况的监督、疾病的前期确诊有着重要的含义。
人体安排的电阻抗特性比一般物体要杂乱得多，最显着的特色是电阻抗的值会跟着丈量频率的改变而改变。这是因为人体细胞内液体安排不是简略的表现为电阻的特性，细胞内水分与细胞膜的效果更多是以电容的特性存在。
图1所示为人体皮肤电阻抗的等效电路模型 。其间R1为活性皮肤中的离子电阻；R2是依据角质层中离子迁移率的电阻；CPE是安稳相位角元件，RPOL、CPOL为其两个参数，用来描绘皮肤角质层中的介电弥散和损耗。
图1 人体皮肤的等效电路模型
该模型的总的导纳如（1）式所示：
Z=x-jy （1）
其间：
明显，CPE环节的存在，使得人体的生物电阻抗原则上无法用简略的R、C元件所组成的集总参数电路模型来描绘。
传统的人体生物电阻抗检测选用单频法，即只在一个固定频率下，运用正弦波信号进行丈量，一般只丈量电阻抗的模，所以完成简略，很适合在便携仪器上推行。可是，单频法无法将CPE的影响表现出来，丈量成果简单呈现较大的差错。为了可以更精确地得到人体生物电阻抗的信息，需求有一种可一起检测多个频率点电阻抗的办法。
脉冲式检测法是近几年发展起来的一种无损检测办法。运用脉冲信号中所含有的多谐波频率成分，可以比正弦波信号鼓励供给更多的信息，并具有更快的呼应速度。本文研发了一种以现场可编程门阵列（FPGA）为中心的脉冲式检测体系，运用该体系，对电阻抗的脉冲式检测办法的可行性进行了剖析研讨，在此基础上，对人体皮肤水分的脉冲式检测办法进行了试验剖析。
2、电阻抗的脉冲式丈量原理
方波脉冲信号作为电阻抗丈量的鼓励源，波形安稳，易于同数字电路结合完成，且具有较宽的频谱，在避免被测单元极化的一起，可以得到多频率点的信息。
图2 抱负方波和实践方波的时域波形
图3 抱负方波和实践方波的频谱图
图2、3中的细实线为抱负方波的时域波形及频谱，图2中的粗实线、图3中的虚线别离表明实践方波信号的时域波形及频谱。可以看到，与抱负状况比较，实践方波信号在时域上具有必定的上升时刻，且相应频率重量的幅值衰减得更快。以抱负方波的频谱为基准，实践波形中所含的频率重量越多，上升时刻就越短。因而，在对信号的采样中，就要收集尽可能多的频率成分，以减小高频幅值衰减对电阻抗丈量的影响。为此，本文采纳以下进程：①对灵敏电极施加频率为f0的脉冲信号，进行呼应信号的收集与剖析，得到被测目标的电阻抗谱；②实时调理方波鼓励信号的频率，使其添加为nf0，一起进行呼应信号的收集与剖析，得到该鼓励频率时的电阻抗谱。③对两次测得的电阻抗谱依照n倍频进行叠加。
图4 丈量原理简图
图4所示为本文选用的丈量原理简图。其间虚线框内的电路为人体皮肤电阻抗等效电路模型，Rref是参阅电阻。
电平转化电路将输入的脉冲信号Uin转化为丈量需求的脉冲鼓励信号Ui，Uresp为输出信号。每次丈量时要对Ui和Uresp进行一次同步采样，运用(2)式核算电阻抗值：
（2）
对采样成果进行FFT后，即可求得由直流量及鼓励脉冲信号基频开端的各次谐波处的Z值，然后制造出相应的电阻抗谱图。
本文运用软/硬件协同规划的办法研发了依据FPGA的脉冲式检测体系，运用FPGA丰厚的逻辑资源，完成对输入信号的操控、鼓励与输出信号的同步采样，而且具有必定的可重装备才能。
3、电阻抗谱丈量试验
3.1 Randles单元模型电路
为了验证脉冲式检测体系对电阻抗谱图的丈量才能，首要对图5所示的Randles单元模型电路的电阻抗谱进行了丈量。其间，R=8.11kΩ，C=2200 pF，参比电阻为Rref=8.08kΩ（悉数元件参数由HP 4282A LCR剖析仪实践丈量得到）。
图5 Randles单元模型示意图
设鼓励信号的频率为200Hz，由脉冲式检测体系以4.8MHz的采样频率对Randles单元模型电路的鼓励信号及输出采样信号进行采样及FFT处理，可得以200Hz为基频直至4.8MHz间各次倍频成分的频谱图。
绘出的电阻抗谱图如图6所示。图中实线部分为依据R、C及Rref参数核算所得的理论谱图，小圆点部分为用脉冲式检测体系测得电阻抗谱图（零频及1-299奇次倍频）。由图6可以看出，测得的Randles模型的电阻抗谱图与理论谱图符合得很好，只要在高频段有些发散，这是因为跟着谐波的倍频数添加，高频幅值衰减添加，其所带着能量急剧下降，成果遭到扰动的机率也随之增大。
图6 Randles单元模型电阻抗谱图
经过上述对Randles模型电阻抗谱的丈量可知，脉冲式检测体系能检测出RC等效电路模型的电阻抗谱，该体系用于电阻抗谱的丈量是有用的。电路中分布电容引起虚阻抗相对较大的改变。
3.2 人体皮肤电阻抗的检测
在丈量人体皮肤电阻抗谱的试验中，挑选人的左手中指为丈量目标。丈量前先用酒精擦洗所测中指的皮肤外表，然后将制造在印刷电路板上的叉指电极放于被测部位，施加必定的压力，并在整个丈量进程中坚持所施加的压力安稳不变。
试验研讨中所用的叉指形电极如图7所示，图中的尺度单位为毫米。电极的资料为金，金具有电阻率小、触摸电阻小、性质安稳、耐腐蚀等特色。电极选用叉指的摆放办法，其细微的距离可以使被测目标坚持在皮肤外表部分。电极上面没有绝缘层，即电极与被测皮肤外表直接电气相连，皮肤可以作为一种电解质资料以等效电阻抗、而不只是电容的办法连到丈量电路里边。将不同频率的沟通电压施加到电极上，将测得的电流与电压进行比较，就得出皮肤的阻抗。
图7 叉指型电极
作为对照，用HP4282A precision LCR meter对人手中指上的被测部位进行了测验。其输出信号电压为2V，频率规模为20Hz1MHz。经过对丈量成果的核算，可得到(1)式中的参数值如表1所示。
表1 核算出的等效电路模型参数值
拟合的电阻抗谱图与实测的电阻抗谱图如图8所示，图中菱形点表明拟合的电阻抗谱图，圆点表明比对试验测得的人体皮肤电阻抗谱图，小星号线表明用脉冲式检测体系实测的人体皮肤电阻抗等效电路模型的电阻抗谱图。
图8 拟合的电阻抗谱图与实测的电阻抗谱图
从图8可以看出，实测的等效电路模型的电阻抗谱图与其它两个阻抗谱图在中频段符合得较好，而在低频和高频段存在必定的差错。原因是在低频段用电阻、电容模仿安稳相位元件形成差错，而高频段丈量电路中分布%&&&&&%引起虚阻抗相对较大的改变。
3.3 一种简化的皮肤水分丈量计划
前面的试验成果表明，选用脉冲鼓励办法，可得到人体生物电阻抗的信息。依据皮肤水分丈量对仪器在便携性方面的要求，规划了如图9所示的简化的脉冲检测电路。该简化计划运用单频脉冲信号鼓励，运用呼应电流的峰值作为检测参量，完成对人体皮肤水分含量的丈量
图9 单频方波丈量电路图
运用图7所示电极，得到不同皮肤部位的丈量成果如图10所示。
图10 不同部位皮肤丈量成果图
图中显现了在三个不同皮肤部位丈量的呼应曲线，丈量的皮肤部位别离是：手指、脸、手腕。可以看出，呼应电压不是立刻就可以抵达最大值，上升曲线的时刻大约为1秒，而在2.5秒左右抵达最终的安稳值。上升曲线的形状、快慢与电极触摸皮肤的进程有关，曲线的最终安稳的最大值关于同一个检测皮肤部位一般不变；可是依据不同的皮肤，不同的皮肤湿润程度，这个最大值会相应的发生改变。这使得咱们可以运用这个丈量得到的呼应曲线最大值作为被测皮肤的一个特征量作为研讨，在差错答应的规模内，可以作为皮肤水分的一个目标。
4、定论
本文对一种运用脉冲信号鼓励的电阻抗丈量办法进行了研讨剖析，研发了以现场可编程门阵列（FPGA）为中心的脉冲式检测体系，并对人体皮肤生物电阻抗进行了试验，成果表明该办法可以一起得到多个频率点的生物电阻抗信息，可有用用于人体皮肤电阻抗检测中。在此基础上提出一种运用单频方波的简化的皮肤水分丈量计划，可使丈量仪器简略化、便携化。
