基于單片機(jī)的生物電阻抗頻譜測量系統(tǒng)

0 引 言
長期以來，對生物組織電性質(zhì)的研究一直是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)。生物組織的電學(xué)性質(zhì)是人們認(rèn)識生命物質(zhì)的一個(gè)重要方面。
生命物質(zhì)電阻抗作為一個(gè)重要的電參數(shù)，在電性質(zhì)研究中占有很重要的地位，生物組織生理病理特性可以通過電阻抗來反映。許多研究表明，生物組織電特性的頻率依賴性很強(qiáng)，因此，對生物組織電特性的研究常采用多頻電阻抗法。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)通過研究生物組織的阻抗特性預(yù)測早期疾病、治療過程中的監(jiān)護(hù)、區(qū)分正常組織和病變組織等。在這些研究報(bào)道中發(fā)現(xiàn)，對相關(guān)生物組織的阻抗特性主要使用現(xiàn)成的阻抗分析儀測量，這些儀器均非針對生物組織而設(shè)計(jì)，因此存在對測量對象造成破壞、非實(shí)時(shí)、價(jià)格昂貴等問題。同時(shí)對生物組織頻譜測量系統(tǒng)的研究也在逐漸展開，并有少數(shù)的國外相關(guān)報(bào)道。因此，在這些研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)并設(shè)計(jì)一種先進(jìn)、優(yōu)化、方便快捷的生物電阻抗測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能全自動、在很短時(shí)間內(nèi)完成從1 Hz～10 MHz的逐頻掃描，并記錄和顯示各頻率點(diǎn)對應(yīng)的幅值和相位。同時(shí)，系統(tǒng)可以和PC機(jī)相關(guān)聯(lián)，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

1 測量原理
生物組織在不同的頻率下，具有不同的阻抗特性。對生物組織阻抗特性測量采用兩電極法，電路由電極和組織組成的電極系統(tǒng)Zx及無感容的標(biāo)準(zhǔn)純電阻Rs串聯(lián)組成。由于信號源產(chǎn)生的電壓只有毫伏，檢測到的Zx和Rs兩端電壓通過同比例放大后的電壓為UZ和UR。設(shè)信號源輸出電壓Ui=Umsin(ωt)。同時(shí)信號源Ui，UZ和UR之間的關(guān)系滿足平行四邊形法則，通過Zx和Rs的電流I，UZ和UR可表示為：

通過式(2)和式(3)，可以計(jì)算得式(4)：

因此，通過測量和計(jì)算就可以獲得生物組織的幅頻和相頻特性。

2 生物電阻抗頻譜測量系統(tǒng)
2．1 系統(tǒng)總體
生物阻抗頻譜測量系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括電源模塊、實(shí)驗(yàn)平臺、信號檢測、MCU、液晶顯示、鍵盤、SD卡存儲器、USB接口等。