趙榮建, 王辰碩, 盧 飛, 杜利東 ,方 震, 趙 湛

(1.中國科學院電子學研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室,北京 100080;2.中國科學院大學,北京 100049)

0 引 言

傳統(tǒng)方法評估皮膚滲透能力需要花費的時間較長(>2 h)[1],阻抗測量無創(chuàng)實施可經(jīng)濟、有效地評估皮膚滲透能力。已有研究表明,皮膚阻抗與滲透率之間滿足一定的關(guān)系[2]。

但根據(jù)文獻[2]知,皮膚的滲透率與頻率有關(guān),但實際應(yīng)用是變頻率測量成本極其高,沒有實用價值。在低頻條件下(100～1 000 Hz),皮膚阻抗能更好地反映其滲透能力[2],皮膚阻抗越小,其滲透率越大,即滲透能力越強。因此,低頻范圍內(nèi)精準地測量皮膚阻抗可用于更精細地評估皮膚的滲透能力,對經(jīng)皮給藥、組織液目標物的提取等應(yīng)用提供指導(dǎo)。

本文設(shè)計了一種基于AD5933的無創(chuàng)皮膚阻抗測量系統(tǒng),利用二電極比例法,并采用時鐘頻率切換、量程自動切換和軟件校準補償?shù)燃夹g(shù),實現(xiàn)了對目標部位皮膚阻抗的高精度測量。

1 皮膚阻抗測量原理

設(shè)激勵信號U1=U1m×sinωt,I=U1×S,則響應(yīng)信號U2=-I×Rf=-U1m×Rf×S×sin(ωt+j),其中,j為被測電導(dǎo)的相位,S為被測電導(dǎo)幅值,Rf為參考電阻。只要將U2與U1做比較就可得到待測阻抗的信息,測量精度與電源電壓誤差無關(guān),只與參考電阻的精度有關(guān)。

圖1 基于AD5933的復(fù)阻抗的比例測量法原理

直接數(shù)字式頻率合成器(direct digital synthesizer,DDS)產(chǎn)生的信號激勵外部復(fù)阻抗,經(jīng)可編程增益放大器(programmable gain amplifier,PGA)對響應(yīng)信號進行放大,經(jīng)過低通濾波器后送12位ADC進行采樣后進行離散傅里葉變換(discret Fourier transform,DFT)處理,獲得實部(R)和虛部(I)數(shù)據(jù)[4]。激勵信號。利用公式(2)和式(3)計算阻抗的幅度A和相位θ[4]

(1)

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

圖2是由AD5933構(gòu)成的皮膚阻抗測量系統(tǒng)框圖,包括由DDS芯片(AD9833)組成數(shù)字頻率合成器電路,復(fù)阻抗芯片(AD5933)組成的復(fù)阻抗測量電路,CD4066組成的模擬開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。DDS用于產(chǎn)生復(fù)阻抗芯片需要的時鐘源,經(jīng)驅(qū)動電路送AD5933的CLK端作為外部時鐘。為了精確分析低頻阻抗,必須降低AD5933的時鐘頻率,從而降低ADC的采樣率,并使單點DFT滿足所需的1 024個采樣點。表1是AD5933的測量頻率和外部頻率的對應(yīng)關(guān)系。

圖2 基于AD5933的皮膚阻抗測量系統(tǒng)框圖

AD5933的測量頻率外部頻率AD5933的測量頻率外部頻率10～5kHz4MHz100～30Hz100kHz 5～300Hz2MHz30～20Hz50kHz300～200Hz1MHz20～10Hz25kHz200～100Hz250kHz

主控芯片通過I2C接口與AD5933進行通信,讀取各個頻率點對應(yīng)的實部和虛部。為了能夠在寬范圍內(nèi)測量皮膚的阻抗,需要接入不同的反饋電阻用于量程的切換[5]。模擬開關(guān)CD4046有4個通道用來切換不同的量程,選擇合適的反饋電阻,使測量范圍達到1 kΩ～10 MΩ,滿足皮膚阻抗的測量范圍要求。

如圖3所示，本系統(tǒng)所用的電極采用FPC生產(chǎn)流程制作,以聚酰亞胺作為基材,其厚度約為150 um,可任意彎曲。叉指電極位于基材正面,材料為金。在電極背面制作一層

圖3 叉指微電極結(jié)構(gòu)示意圖與實物

銅屏蔽電極,屏蔽電極的面積大小要完全覆蓋叉指電極對應(yīng)的區(qū)域,以減少外界的干擾。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 阻抗計算

DFT變化得單個頻率點的實部和虛部,然后通過式(2)計算該頻點的幅值。為了將幅值轉(zhuǎn)換成阻抗,必須乘以增益(G)系數(shù)。

Z=1/AG

(3)

增益系數(shù)通過接入已知標準阻抗進行計算,表2列出了不同量程條件下,接入反饋電阻和校準電阻的對應(yīng)關(guān)系。將已知標準阻抗接入測試端,并選擇對應(yīng)的反饋電阻Rf,可得該頻點下的增益系數(shù)

(4)

表2 不同量程下所用的反饋電阻和校準電阻

為了保證阻抗補償?shù)臏蚀_性,必須結(jié)合表1和表2進行增益系數(shù)的計算,在不同的外部時鐘下,將頻率劃分成多個頻段,分別進行掃頻計算各個頻點的增益系數(shù),將其存儲在數(shù)組中。

2.2.2 相位計算

利用式(3)計算的響應(yīng)信號相位包含兩部分：系統(tǒng)相位和未知阻抗產(chǎn)生的相位。因此,對相位的計算需要用系統(tǒng)相位φsystem減去未知阻抗計算相位φunknown。

Zφ=φunknown-φsystem

(5)

容性阻抗的激勵信號超前響應(yīng)信號90°,因此，阻性系統(tǒng)相位與電容系統(tǒng)相位之間存在大約-90°的相位差。皮膚阻抗由多個RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,故其相位為-90°～0°。相位角度的符號由實部和虛部的符號確定。在復(fù)阻抗的測量中,根據(jù)實部和虛部的符號,將相位角轉(zhuǎn)換到對應(yīng)的區(qū)間。

2.2.3 軟件流程設(shè)計

系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示,在進行頻率掃描時,首先將掃描參數(shù)編程寫入相應(yīng)的寄存器,包括起始頻率、增量數(shù)、頻率增量,然后讀取并計算測量參數(shù),判斷是否符合量程范圍,將模擬電子開關(guān)切換到響應(yīng)的檔位,接著重新發(fā)送初始化命令,經(jīng)過一定時間后向控制寄存器發(fā)出啟動頻率掃描命令,輪詢狀態(tài)寄存器,檢測DFT完成與否,讀取相應(yīng)寄存器的值,結(jié)合阻抗系數(shù)和相位系數(shù)進行計算。

圖4 軟件流程

3 系統(tǒng)測試

3.1 幅頻和相頻掃描

將電阻R=4.7 KΩ,電容C=1nF串聯(lián)接在電極兩端,在10 Hz～10 kHz頻率條件下的幅頻、相頻特性曲線,如圖5所示。圖中容性阻抗隨頻率的增加而減小,相位在-90°～0°,表明系統(tǒng)能夠?qū)θ菪宰杩惯M行測量。

圖5 該系統(tǒng)測得的10 Hz～100 kHz容性負載阻抗和相位圖

3.2 皮膚幅頻和相頻掃描

人體皮膚低頻阻抗更能表現(xiàn)其滲透能力,常用的測量頻點為100 Hz和1 kHz[2]。本實驗采用的頻率為10 Hz～10 kHz,包含這兩個頻率點。在常溫32 ℃,濕度40 %RH條件下,使用電穿孔促滲法對皮膚進行促滲透,對比促滲透前后的變化。

圖6 促滲透作用前后皮膚阻抗和相位對比

從圖6中可以看出:皮膚經(jīng)過電穿孔促滲透作用后,其阻抗減小,且阻抗更呈現(xiàn)容性,表明皮膚的水溶性通道打開,滲透能力提高[6]。

4 結(jié) 論

使用該系統(tǒng)對電穿孔促進皮膚的滲透能力進行了測試,結(jié)果表明系統(tǒng)能夠用于評估皮膚的滲透能力。因此,該系統(tǒng)可應(yīng)用于不同個體皮膚滲透能力的區(qū)分,為人體組織液生理生化檢測相關(guān)的可穿戴設(shè)備參數(shù)調(diào)節(jié)提供依據(jù),從而在保證設(shè)備工作效率的同時減少個體皮膚過敏等傷害現(xiàn)象。