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基于生物组织复阻抗模型的研究

作者:admin    发布时间:2009-10-08 来源:互联网
摘要:生物组织复阻抗模型的研究最早可以追溯到上世纪初。1928年Kenneth S. Cole和H. Fricke's等人提出了红血球细胞(red blood cell)的电学特性模型[1],Kenneth S. Cole和哈佛大学的Robert H. Cole在归纳大量生物实验测量数据的基础上[2][3],对原有模型进行了分析修正,提出了能在更广泛情况下描述生物组织的Cole-Cole阻抗模型[4]。
  根据生物组织阻抗特性,相应适用的参数提取方法可以分为两大种:一种是基于(1)式的复频域非线性曲线拟合,另一种则是基于图1的复平面圆方程参数解析。二者实质类似,都涉及到了对生物组织复阻抗或者组织阻抗中等效容抗的测量,这增加了测量系统和采集数据处理的复杂度,本文提出一种相对简便的生物阻抗参数测量提取方法。
等效电阻和等效容抗与生物阻抗参数的关系给出的提示是分别采用等效电阻R(ω)和等效容抗X(ω)进行阻抗参数提取,将能同采用复阻抗测量数据一样完整的提取出组织阻抗的参数。可以论证,等效电阻分量与等效容抗分量之间存在确定的非线性的谱变换关系[6],所以有可能直接通过等效电阻分量或等效容抗分量完整的提取出组织阻抗的参数。这对于实际测量系统设计而言,意味着减少测量数据量,数据解调方法也将会得到简化。
实验及结果分析
   我们采用多组实测的生物组织阻抗数据进行了分析,图2至图7给出了用其中等效电阻测量结果作为生物阻抗特性参数拟合数据与对应实测数据的对比情况。图8至图13给出了用同一测试单元的复阻抗测量结果作为生物阻抗特性参数拟合数据与对应实测数据的对比情况。拟合数据与实测数据图中的小圈代表实测数据,实线代表根据拟合参数计算得到的特性曲线,误差图中的小圈代表拟合误差,实折线连接各数据点。
  根据图4、图5、图10和图11可以看到,等效容抗本身数值较小,在同样的测量环境下,等效容抗的测试信号信噪比低于等效电阻和复阻抗的测试信号信噪比。等效电阻拟合的等效容抗误差与复阻抗数据拟合的等效容抗误差几乎没有区别。
  对比图3和图9以及图7和图13可以看到,等效电阻拟合的等效电阻误差以及等效电阻拟合的复阻抗特性误差均约在200kHz处开始略小于复阻抗拟合的等效电阻误差以及复阻抗拟合的复阻抗特性误差,这主要是因为随着测量频率的提高,各种杂散电容对复阻抗测量精度的影响大于对等效电阻测量精度的影响。因此,等效电阻和复阻抗的测试信号信噪比较高,加之杂散电容在较高频率时影响,采用等效电阻进行拟合的等效电阻和等效电阻精度略高。
  另外,还可以看到,在低频至100kHz频段,等效电阻拟合的等效电阻误差与拟合的等效容抗误差相当。这说明在此频段内,通过测量等效电阻的数据提取出的阻抗参数,其频率特性可以以同样的精度比较准确的描绘出等效容抗的特性和等效电阻的特性。
总结
   生物组织阻抗参数可以通过测量多个频率点的等效电阻进行提取。这一结论的意义在于,对于组织阻抗的频率特性和阻抗参数研究而言,等效电阻分量在低频段的特性蕴含了组织阻抗的大量信息,在理论研究和实际应用时值得深入研究。更多的关注等效电阻分量可以使问题得到一定程度的简化。对于以后硬件系统设计来说,从简化系统设计角度,无需组织等效容抗数据或者更高频率时的测量数据,多加关注等效电阻分量的低频数据即可以一定精度提取出生物阻抗模型参数。
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