基于单片机的生物电阻抗频谱测量系统

0 引 言
长期以来，对生物组织电性质的研究一直是生物医学工程学关注的热点。生物组织的电学性质是人们认识生命物质的一个重要方面。
生命物质电阻抗作为一个重要的电参数，在电性质研究中占有很重要的地位，生物组织生理病理特性可以通过电阻抗来反映。许多研究表明，生物组织电特性的频率依赖性很强，因此，对生物组织电特性的研究常采用多频电阻抗法。目前，国内外学者已经通过研究生物组织的阻抗特性预测早期疾病、治疗过程中的监护、区分正常组织和病变组织等。在这些研究报道中发现，对相关生物组织的阻抗特性主要使用现成的阻抗分析仪测量，这些仪器均非针对生物组织而设计，因此存在对测量对象造成破坏、非实时、价格昂贵等问题。同时对生物组织频谱测量系统的研究也在逐渐展开，并有少数的国外相关报道。因此，在这些研究的基础上，总结并设计一种先进、优化、方便快捷的生物电阻抗测量系统。该系统能全自动、在很短时间内完成从1 Hz～10 MHz的逐频扫描，并记录和显示各频率点对应的幅值和相位。同时，系统可以和PC机相关联，具有很强的可扩展性。

1 测量原理
生物组织在不同的频率下，具有不同的阻抗特性。对生物组织阻抗特性测量采用两电极法，电路由电极和组织组成的电极系统Zx及无感容的标准纯电阻Rs串联组成。由于信号源产生的电压只有毫伏，检测到的Zx和Rs两端电压通过同比例放大后的电压为UZ和UR。设信号源输出电压Ui=Umsin(ωt)。同时信号源Ui，UZ和UR之间的关系满足平行四边形法则，通过Zx和Rs的电流I，UZ和UR可表示为：

通过式(2)和式(3)，可以计算得式(4)：

因此，通过测量和计算就可以获得生物组织的幅频和相频特性。

2 生物电阻抗频谱测量系统
2．1 系统总体
生物阻抗频谱测量系统原理如图1所示。该系统主要包括电源模块、实验平台、信号检测、MCU、液晶显示、键盘、SD卡存储器、USB接口等。