翁劍楓，戴備軍，鐘海偉

（1.浙江科技學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，杭州310023；2.浙江省人民醫(yī)院 心胸外科，杭州310014）

生理電阻抗的研究始于19世紀(jì)末20世紀(jì)初。生物阻抗（bio-impedance）技術(shù)［1-4］指利用生物組織與器官的電阻抗特性及其變化提取相關(guān)生理或病理信息的一種檢測(cè)技術(shù)。研究表明，生物電阻抗對(duì)體液變化極為敏感。因此，生物阻抗技術(shù)被認(rèn)為在醫(yī)學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。它可用于人體心、肺、腦功能的評(píng)價(jià)，或從中提取人體組織和器官功能信息，已有的應(yīng)用如阻抗血流圖、阻抗成像技術(shù)等。

生物電阻抗技術(shù)的基本測(cè)量方式［4］通常是四電極測(cè)量系統(tǒng)，其中一對(duì)電極向被檢測(cè)生物組織施加安全的交流激勵(lì)電流（或電壓），另一對(duì)電極檢測(cè)被測(cè)組織的電阻抗或阻抗變化，根據(jù)不同的應(yīng)用目的，研究阻抗或阻抗變化情況，從而獲取相關(guān)的生理和病理信息。但由于生物組織的部位和成分各不相同，迄今仍未見(jiàn)測(cè)量生物阻抗的通用儀器面世，這對(duì)于想利用生物阻抗技術(shù)進(jìn)行醫(yī)學(xué)研究的醫(yī)生們來(lái)說(shuō)，無(wú)疑成為一大障礙。為克服這一障礙，筆者運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)給出了一種基于筆記本電腦的虛擬阻抗記錄儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)搭建便捷靈活，使用簡(jiǎn)單，配以簡(jiǎn)單的二線制電極，即可實(shí)時(shí)記錄生物心肌阻抗信號(hào)，因而可望用于心肌阻抗變化的病理相關(guān)性研究。

1 生物電阻抗特性及其測(cè)量

1.1 生物電阻抗特性

生物組織由細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞是有膜包圍的生物體基本單位，形狀多種多樣，主要由細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)構(gòu)成，表面有薄膜。細(xì)胞膜是防止細(xì)胞外物質(zhì)自由進(jìn)入細(xì)胞的屏障，保證了細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定，使各種生化反應(yīng)能夠有序運(yùn)行。由于細(xì)胞膜的存在，使得生物組織呈容性阻抗特性，即隨著激勵(lì)電流頻率的增加，生物組織的阻抗值由大變小，換言之，生物組織的低頻阻抗較大而高頻阻抗較小。

圖1（a）是生物組織的R-C三元件生物阻抗模型［5］。圖中，Ri、Re、Cm分別代表了生物組織的整體細(xì)胞內(nèi)、外電阻和細(xì)胞膜電容。

圖1 生物組織的三元件等效電路及其阻抗特性Fig.1 Equivalent electrical circuit model and bio-impedance response of tissue

根據(jù)圖1（a），得：

因此阻抗模和相角為：

式（4）所表達(dá)的是一種理想情況，在復(fù)平面上電阻抗隨頻率變化的軌跡是一個(gè)在第四象限的半圓，圓心在實(shí)軸上。但是，實(shí)際生物電阻抗的阻抗圓圖并非是一個(gè)半圓，而是第四象限的一段圓弧，如圖1（b）所示，圓心在第一象限中，Zr和Zi分別代表了阻抗的實(shí)部和虛部，Z和θ分別代表了阻抗的模值和相角。據(jù)美國(guó)學(xué)者Cole分析，實(shí)際生物組織存在著一個(gè)與頻率有關(guān)的散射系數(shù)，并非如圖1（a）所示的理想等效電路所能描述，并由此提出了Cole-Cole電阻抗特征方程［2-3］。實(shí)際應(yīng)用中，即在式（4）基礎(chǔ)上引入松弛因子α，以根據(jù)應(yīng)用需要決定圓心的位置：

式（5）中，α通常在0～1取值。

1.2 生物電阻抗測(cè)量技術(shù)

生物電阻抗測(cè)量技術(shù)主要有二電極法和四電極法［4，6］。電橋法是電阻抗測(cè)量的經(jīng)典方法，但因其精度不高且平衡調(diào)節(jié)困難等原因，現(xiàn)在生物阻抗測(cè)量應(yīng)用中已不多見(jiàn)。四電極法［5］是目前大都采用的方法，其原理如圖2所示。通過(guò)激勵(lì)電極向被測(cè)生物組織提供微小的交變電流（或電壓）信號(hào)（恒流源），生物組織的電壓（或電流）信號(hào)由測(cè)量電極檢測(cè)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得生物組織相應(yīng)的電阻抗及其變化。

從生物體安全要求出發(fā)，需對(duì)注入電流的安全范圍加以控制。為此，激勵(lì)方式采用幅值可控的電流源激勵(lì)方式，這種方式可使信號(hào)源受被測(cè)生物組織阻抗的影響最小，因而也保證了注入電流的幅值恒定。從測(cè)量方式看，由于電壓測(cè)量比電流測(cè)量更為容易，故采用電壓測(cè)量。

生物組織的阻抗由電阻和容抗兩部分構(gòu)成。當(dāng)通電頻率足夠高時(shí)，容抗很小，可以忽略不計(jì)，此時(shí)，可以把生物組織阻抗看成只由純電阻構(gòu)成。圖2的測(cè)量系統(tǒng)正是根據(jù)這一原理，把生物組織視為了電阻。選擇適當(dāng)頻率和強(qiáng)度（50～100kHz，0.5～4mA）的恒定交變電流通過(guò)被測(cè)組織，拾取這段組織的電阻變化信號(hào)，即可表征出該組織的阻抗變化。阻抗值大小與電流特點(diǎn)有關(guān)，也與組織特性有關(guān)。在圖2中，R1為限流電阻，C1為隔直流電容，RL為檢測(cè)部位等效電阻。設(shè)電極通過(guò)的電流為Ia，則檢測(cè)部位阻抗RL兩端的電壓U01＝Ia·RL（6）這樣就可以通過(guò)檢測(cè)電極兩端的電壓來(lái)檢測(cè)出生物阻抗，從而間接反映生物體如人體的生理或病理參數(shù)［6-10］。

圖2 四電極法生物電阻抗測(cè)量技術(shù)Fig.2 Four-wire circuit of bioelectrical impedance technique

2 生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

根據(jù)項(xiàng)目要求，本系統(tǒng)用于醫(yī)生利用生物阻抗技術(shù)研究心臟移植的排異性，故系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)考慮與常規(guī)阻抗記錄儀不同。在這一研究過(guò)程中，研究者關(guān)注的是心肌電阻抗變化情況與心臟排異性的關(guān)聯(lián)度，因而相對(duì)于心肌電阻抗的確切數(shù)值而言，系統(tǒng)中的心肌電阻抗的相應(yīng)變化測(cè)量具有更重要的意義。換言之，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)注的是被測(cè)生物阻抗變化的測(cè)量精度和長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)的穩(wěn)定性。

此外，鑒于本系統(tǒng)的用戶是醫(yī)生這一特定的群體，設(shè)計(jì)中必須考慮系統(tǒng)搭建時(shí)的便捷性及操作時(shí)的便利性，同時(shí)還需保證數(shù)據(jù)記錄觀察的直觀性，以符合臨床醫(yī)生的常規(guī)診斷習(xí)慣。

綜合上述各種因素，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了虛擬儀器技術(shù)，以筆記本電腦作為主體系統(tǒng)架構(gòu)平臺(tái)，軟件系統(tǒng)采用美國(guó)NI公司圖形化編程軟件LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench），而硬件系統(tǒng)中的主要部件也直接采用美國(guó)NI公司提供的數(shù)據(jù)采集與信號(hào)調(diào)理等標(biāo)準(zhǔn)組件，以此保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性與測(cè)量精度。在本系統(tǒng)中，使用的主要部件為NI-DAQ 6062E數(shù)據(jù)采集卡和NI連接器BNC-2120。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)（圖3）硬件構(gòu)成如下：系統(tǒng)的主要設(shè)備是采用帶PCMCIA插槽的筆記本電腦，由其承擔(dān)虛擬儀器的主要職責(zé)，而數(shù)據(jù)采集則由NI-DAQ 6062E數(shù)據(jù)采集卡承擔(dān)。NI-DAQ 6062E有8路差分模擬輸入，可獲得分辨率為12位而采樣率合計(jì)高達(dá)500 kS／s的輸出，由于在本系統(tǒng)中僅需使用其中一對(duì)差分輸入端口，因此完全可以保證滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣率要求。

除了數(shù)據(jù)采集卡NI-DAQ 6062E外，系統(tǒng)的另一主要部件是NI連接器BNC-2120。它提供了8個(gè)模擬輸入（AI）通道以將測(cè)量得到的信號(hào)連接到NI-DAQ設(shè)備，本系統(tǒng)使用了其中的2個(gè)，采用浮接方式分別用于標(biāo)準(zhǔn)電阻與被測(cè)心肌阻抗的電壓信號(hào)測(cè)量。NI連接器BNC-2120還提供了2個(gè)模擬輸出（AO）信號(hào)，本系統(tǒng)用其中一個(gè)生成了標(biāo)準(zhǔn)電阻上設(shè)定頻率的恒定幅度正弦激勵(lì)信號(hào)。使用時(shí)選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)電阻阻值與電壓幅度值，以使激勵(lì)電流符合要求。

2.3 關(guān)鍵模塊說(shuō)明

2.3.1 激勵(lì)信號(hào)頻率及其幅值大小選擇

激勵(lì)電流頻率及其大小對(duì)活體生物組織的安全影響非常重要，電流的頻率范圍內(nèi)及其峰值大小限制都是必須考慮的因素。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，活體生物組織如人體對(duì)于電極注入的電流的感知極限隨著頻率的增高，會(huì)有3種明顯的感知反應(yīng)［11］。頻率低于0.1Hz，電流強(qiáng)度達(dá)到100μA時(shí)，人體會(huì)感到周期性的刺痛；頻率超過(guò)10Hz時(shí)，神經(jīng)刺激成為主要的生物學(xué)反應(yīng)；人體感知的臨界電流強(qiáng)度隨著頻率的增高而增大，當(dāng)頻率高于10kHz時(shí)，組織發(fā)熱成為主要的生物學(xué)反應(yīng)，人體感受電流的刺激性變小。因此，在進(jìn)行生物電阻抗測(cè)量時(shí)，如果頻率太低，容易產(chǎn)生刺激和激化作用；如果頻率太高，又容易使體內(nèi)產(chǎn)生較多的熱量而造成肌體灼傷。此外，較高的頻率會(huì)使系統(tǒng)硬件中分布電容的影響很明顯，直接導(dǎo)致對(duì)放大電路要求很高，并影響測(cè)量精度。因此，多數(shù)研究小組把頻率選在50kHz，或50～100kHz范圍內(nèi)，在這一頻率段內(nèi)被測(cè)活體一般都能持續(xù)地耐受較長(zhǎng)時(shí)間的檢測(cè)。

激勵(lì)電流的幅值應(yīng)選擇對(duì)人體安全的范圍內(nèi)，中國(guó)規(guī)定一般正常、干燥的環(huán)境中的安全電壓為36V（潮濕環(huán)境中為12V），安全電流即人體允許電流一般為30mA［12］。

本系統(tǒng)的應(yīng)用活體對(duì)象為小動(dòng)物，故采用的交流電流激勵(lì)信號(hào)的幅值減少到1mA、頻率為50kHz。

圖3 基于虛擬儀器技術(shù)的阻抗記錄儀系統(tǒng)Fig.3 Impedance recording instrument based on virtual instrument

2.3.2 激勵(lì)信號(hào)電壓電流轉(zhuǎn)換

基于虛擬儀器技術(shù)的阻抗記錄系統(tǒng)框圖如圖3所示，系統(tǒng)采用的阻抗測(cè)量原理與圖2所示的四電極法原理有所不同。圖3系統(tǒng)中，筆記本電腦是測(cè)量、分析處理并顯示測(cè)量結(jié)果的核心平臺(tái)，而LabVIEW編程控制數(shù)據(jù)采集卡（DAQcard 6062E）通過(guò)BNC-2010的AO輸出一個(gè)恒定電壓幅值的交流信號(hào)（50kHz）饋送給標(biāo)準(zhǔn)電阻。由于該標(biāo)準(zhǔn)電阻與被測(cè)生物組織串接，因此這一激勵(lì)電壓作用于標(biāo)準(zhǔn)電阻后即可轉(zhuǎn)換成為峰值幅度為1mA的激勵(lì)電流注入被測(cè)生物組織（如被測(cè)動(dòng)物心?。?，實(shí)現(xiàn)電壓-電流的轉(zhuǎn)換。實(shí)際測(cè)量中，系統(tǒng)中2個(gè)精密差分放大器A1、A2分別實(shí)時(shí)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻的端電壓 UA1和被測(cè)生物組織的端電壓 UA2，計(jì)算機(jī)利用標(biāo)準(zhǔn)電阻上測(cè)得電壓值（模）UA1除以標(biāo)準(zhǔn)電阻值R標(biāo)準(zhǔn)得到實(shí)際流過(guò)被測(cè)生物組織的電流值I （模），再由測(cè)得的 UA2計(jì)算被測(cè)生物阻抗的模，記之為MEI，則有

此模值MEI的變化即體現(xiàn)了被測(cè)生物阻抗的變化。

在得到式（7）所示的生物阻抗模值MEI后，先通過(guò)一個(gè)低通濾波器濾除其中的50kHz高頻分量，然后再經(jīng)重采樣即可得到可供實(shí)時(shí)觀察及離線處理的生物阻抗變化記錄。

由于激勵(lì)信號(hào)是由LabVIEW編程控制數(shù)據(jù)采集卡（DAQcard 6062E）通過(guò)BNC-2010的AO端口輸出的一個(gè)恒定電壓幅值的交流信號(hào)（50kHz）饋送給標(biāo)準(zhǔn)電阻所得到，因此，只需選用高質(zhì)量的精密電阻作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻，就可保證被測(cè)生物阻抗變化的精度及工作穩(wěn)定度。

2.4 LabVIEW 編程

軟件系統(tǒng)采用了美國(guó)NI公司的圖形化編程軟件LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)。使用LabVIEW編制的程序稱為虛擬儀器（virtual instrument，VI）。事實(shí)上，虛擬儀器是指在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)和定義，具有虛擬的操作面板，測(cè)試功能由軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。

虛擬儀器的界面具有與常規(guī)儀器相似的旋鈕、開(kāi)關(guān)、指示燈等圖形化控制部件，使用者通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板，即可完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、分析、存儲(chǔ)、顯示及輸出等操作。虛擬儀器編程分前面板和程序框圖2個(gè)部分。前面板對(duì)應(yīng)了一臺(tái)實(shí)際儀器的面板，用于對(duì)心肌阻抗信號(hào)進(jìn)行測(cè)量記錄的激勵(lì)和顯示表達(dá)，包含激勵(lì)源頻率、幅度、被測(cè)阻抗、采樣率、啟動(dòng)和停止按鈕等操作，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示采集得到的被測(cè)心肌阻抗模的變化情況。而程序框圖則是程序的圖形化源代碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換及信號(hào)的計(jì)算、處理和顯示功能。

硬件連接和控制是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件關(guān)鍵，也即對(duì)I／O接口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)是虛擬儀器實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)物理信號(hào)采集的基礎(chǔ)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)后，由軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理進(jìn)而求取測(cè)量結(jié)果。LabVIEW的優(yōu)越之處是這個(gè)軟件平臺(tái)提供了各種圖形化驅(qū)動(dòng)程序，使用者不必熟悉諸如PCI總線、GPIB總線、VXI總線等概念，而只需利用NI的測(cè)量與自動(dòng)化瀏覽器（measurement ＆automation explorer，MAX）即可完成上述總線的數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

3 生物阻抗記錄儀的使用情況

該虛擬生物阻抗記錄儀分別在浙江省人民醫(yī)院心胸外科醫(yī)生的2次動(dòng)物試驗(yàn)中得到了成功的應(yīng)用。圖4是從麻醉中兔子的活體心肌阻抗測(cè)試記錄所截取的一段數(shù)據(jù)，圖5則是對(duì)羊施行異位心臟移植后的心肌阻抗監(jiān)測(cè)記錄中的一段數(shù)據(jù)。由于兔與羊的正常心率范圍不同，重采樣時(shí)，圖4和圖5中的數(shù)據(jù)記錄使用了不同的采樣率。

試驗(yàn)表明，該阻抗記錄儀可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與動(dòng)物生理或病理信息相聯(lián)系的阻抗變化，即阻抗信號(hào)或波形，而記錄儀所采集保存的數(shù)據(jù)還可作為以后進(jìn)一步的離線定量分析處理所用。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文給出了采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的一個(gè)便攜式阻抗記錄儀系統(tǒng)，其主要硬件平臺(tái)由計(jì)算機(jī)和I／O接口設(shè)備兩部分組成，系統(tǒng)搭建便捷靈活，操作便利，使用簡(jiǎn)單，配以簡(jiǎn)單的二線制電極，即可實(shí)時(shí)記錄動(dòng)物心肌阻抗信號(hào)。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)浙江省人民醫(yī)院心胸外科動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際使用，系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下，長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定，評(píng)價(jià)效果良好；記錄數(shù)據(jù)并可在隨后作進(jìn)一步的離線分析處理，從而可對(duì)心肌阻抗變化與病理特征的相關(guān)性進(jìn)行細(xì)致的定量分析考察。

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