作者：李江，董秀珍，秦明新，尤富生，史学涛，杨滨，李世俊
【关键词】 脉冲激励源
【Abstract】AIM： To study the mechanism and implementation of currentpulseexciting impedance measurement of biotissues. METHODS： An impedance measurement system was designed and implemented by timer， analog switch， sampleandhold amplifier and A/D board. RESULTS: The blood pulsation of head was measured successfully. CONCLUSION: Compared with the continuous sine wave exciting mode used in the measurement of impedance， currentpulseexciting mode can offer much lower current load to biotissues， higher signal to noise ratio and better penetrability.
【Keywords】 elertric impedance measurement; current pulse exciting source; analog switches
【摘 要】目的： 探讨脉冲电流激励模式下测量生物电阻抗的原理及其实现.方法： 通过定时器、模拟开关、采样保持放大器、A/D板等设计并实现脉冲激励阻抗测量系统.结果：系统成功测量到头部血流变化信号.结论：与正弦激励的阻抗测量方法相比，脉冲电流激励模式可以提供一种电流负荷小，信噪比高，穿透性好的阻抗测量方法.
【关键词】 电阻抗；脉冲激励源；模拟开关
0 引言
电阻抗体积描记法是测量生物体体积变化的有效方法，可以客观反映生物组织血流量的变化［1］.根据霍尔定律，阻抗测量可以采用恒流源作为激励，采集与阻抗成比例的电压信号；也可以采用恒压源为激励，采集与导纳成比例的电流信号.为减少皮肤电极接触阻抗、极化电势所引起的伪差，实际应用中多采用正弦波恒流源激励［2］.选择正弦波恒流源的幅度时，由于阻抗变化十分微弱，幅度一般＞1 mA，以提供较大的电压变化，提高信噪比；但为了生物组织的安全，幅度一般＜5 mA.我们探讨了低占空比脉冲恒流激励源模式下的电阻抗测量方法［3］，并实现了其对头部血流的测量.相对于正弦波恒流源激励模式，本方法对生物组织提供较小电流负荷的同时，能获得较高的信噪比及较强的穿透性.
1 原理
脉冲电流激励即对待测目标施加恒流脉冲信号，通过测量脉冲幅度获取阻抗值的方法.生物组织呈现阻容性，可以由Fig 1的阻抗模型近似表示.其中Cs代表组织电容，Rs代表组织电阻，ΔZ表示组织的电阻变化.
图1 生物阻抗模型（略）
Fig 1 Model of bioimpedance（略）
设脉冲激励电流的峰值幅度为Ip，则测量目标电阻变化导致的电压变化为：
ΔＶ＝ＩＰ・ΔＲ
即激励峰值电流的幅度与相应电压的幅度呈正比.因此通过提高激励电流，可以有效提高信噪比.
激励峰值电流通过阻抗模型的电压响应为：
V(t)=VR(t)+VC(t)=IP・(Rs+ΔR)+IP・t〖〗Cs
设激励脉冲峰值波宽为Tw，将t=0及t=Tw带入上式可以得到电压响应如Fig 2.
因此，在脉冲恒流激励方式下，阻抗测量转化为检测响应波形上升平台的幅度及其变化量大小.
图2 电压响应（略）
Fig 2 Voltage response（略）
2 设计与实现
采用定时器NE555产生10 kHz基准时钟信号，再经由单稳态触发器（monostable multivibrator， M.M.）生成脉冲宽度1 μs的脉冲控制信号.采用单刀双掷（singlepole/doublethrow， SPDT）模拟开关及集成恒流器件2 DH实现脉冲恒流源.响应信号的峰值由采样保持放大器（sampleandhold amplifier， SHA）获得，经放大后由NI 6024E型A/D板通过外触发方式同步采集入计算机［４］ .系统框图如Fig 3所示.
Fig 3 Blockdiagram of the system（略）
系统工作时产生窄脉冲恒流源激励信号并将其加载到待测目标上，同时采集响应信号并送入计算机进行处理，得到阻抗变化信息.
2.1 时序控制 时序控制电路为脉冲激励源，采样保持放大器以及A/D板外触发同步数据采集提供控制信号.在时钟信号的基础上，单稳触发器产生波宽100 ns至100 μs连续可调的脉冲信号控制模拟开关及A/D转换，同时产生波宽及波峰位置均可调的脉冲信号控制采样保持放大器.激励频率10 kHz，脉冲宽度1 μs，采样时间08 μs时，电路中4个单稳触发器输出信号的时序如Fig 4所示.
A: Control of excitement; B: Delay; C: Control of sample; D: Control of A/D.
图4 时序图 （略）
Fig 4 Timing diagram （略）
由于实际信号上升沿及下降沿附近存在振荡，因此采样控制信号上升沿在激励信号上升沿之后，下降沿在激励信号下降沿之前，可以提高采集精度.A/D转换信号下降沿有效，转换时刻在信号稳定之后，如Fig 4（D）的下降沿所示.
2.2 激励源 恒流脉冲激励源由激励控制信号，电源，模拟开关及两端口集成恒流器件构成.控制信号高电平时，待测目标与12 V直流电源连通，形成脉冲激励；控制信号低电平时，模拟开关断开.集成恒流器件串联在电源与待测目标的通路中保持电流的恒定.
2.3 数据采集 采样保持放大器的输出信号经过隔直、放大后，通过外触发方式由A/D板同步采集进入计算机.由于采集频率为10 kHz，而阻抗变化一般低于25 Hz，因此可以采用软件叠加平均的方法降低采样频率，同时可以有效降低系统随机噪声的影响，进一步提高信噪比.
3 结果
实验采用同心圆电极，置于面部前额眉弓上方，测量颞浅动脉血流的变化.电极外圈接激励信号地，内圈施加激励并进行测量.在频率10 kHz，脉冲宽度1 μs，峰值电流10 mA，增益67 dB条件下，测量结果如Fig 5所示.
由Fig 5看出，测量出的波形幅值稳定，切迹清楚.与传统正弦波激励模式下的阻抗血流测量结果相比，本方法能在较小的增益下获得稳定的阻抗变化波形，抗干扰能力较强，适用于对血流的连续监测.
图5 头部阻抗血流图 （略）
Fig 5 Impedance plethysmogram on the head（略）
4 讨论
采用脉冲恒流激励方式测量生物组织电阻抗有以下优点：① 通过生物组织的电负荷小.窄脉冲激励信号相对正弦波激励能量减小，更适用于长时间人体组织的阻抗血流检测.② 信噪比高.因为脉冲激励可以在小功率的条件下提供更高的峰值电流，从而相同阻抗变化量引起更大的电压变化，提高信噪比.③ 穿透性强.呈容性的表层生物组织阻抗随激励频率的升高而减小，因此频率成分较高的窄脉冲激励信号可以较易穿透表层，部分提高深层组织中的电流密度，从而减少传统阻抗血流测量方法中边缘效应的影响，更好地反映组织深层阻抗的变化.但是，脉冲恒流激励方式目前只能得到阻抗变化的幅度信息，还无法得到相位信息.
参考文献
［１］ Webster JG. Medical instrumentationapplication and design ［M］. 3rd ed. New York: John Willey && Sons Inc， 1996:359-361.
［２］ Shi XT， Dong XZ， Qin MX， You FS， Tang MX， Liu RG， Fu F， Wu XM. Comparative study on three types of VI converters for data acquisition system of electrical impedance parameter tomography ［J］. Disi Junyi Daxue Xuebao (J Fourth Mil Med Univ)， 2001; 22(1):72-74.
［３］ Santic A， Stritof T， Bilas V. Plethysmography measurements using short current pulses with lowduty cycle ［A］. In: Chang HK， Zhang YT. 20th annual international conference of the IEEE engineering in medicine and biology society ［C］. Hong Kong: ISBN 0780351649， 1998: 1889-1892.
［４］ You FS， Dong XZ， Qin MX， Shi XT， Fu F， Liu RG， Tang MX， Li J， Wu XM. Design of a programmable control system for driving and measurement mode in EIT ［J］. Disi Junyi Daxue Xuebao (J Fourth Mil Med Univ)， 2001; 22(3):273-274.