相關(guān)產(chǎn)品：MFLI   MFIA

背景介紹

生物電阻抗是表征生物組織對(duì)交流電流阻礙作用的物理量。在樣品上施加交流電流，通過(guò)測(cè)量電壓和電流（幅值和相位），利用伏安法可以得到生物的阻抗。人們發(fā)現(xiàn)不同的生物組織阻抗值不同，不同的身體組成和健康狀態(tài)也對(duì)生物阻抗值有影響，因此可以用生物阻抗測(cè)量來(lái)評(píng)估身體組成和健康狀況。例如可以用電阻抗去評(píng)估身體成分，對(duì)于脂肪，肌肉，水分等含量的測(cè)試。檢測(cè)身體病變組織，做疾病診斷。檢測(cè)身體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。具有無(wú)創(chuàng)，無(wú)痛，操作簡(jiǎn)單，快捷方便的特點(diǎn)。

圖1.呼吸檢測(cè)和皮膚電測(cè)試

生物電阻抗理論經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，理論體系不斷成熟完善。之前的科學(xué)家將生物組織的細(xì)胞以及細(xì)胞化學(xué)環(huán)境等效成電路上的電路圖。先后提出三元件理論。

圖2.三元件理論

將細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液等效成電阻和電容并聯(lián)的模式，并且指出細(xì)胞膜以容抗為主，而細(xì)胞液以電阻為主。因此呈現(xiàn)出低頻上，電流無(wú)法穿過(guò)細(xì)胞膜只能穿過(guò)細(xì)胞液的情況。而在高頻上，電流既可以穿過(guò)細(xì)胞膜也可以穿過(guò)細(xì)胞液，可以反映細(xì)胞內(nèi)部的情況。這也是有些微流控項(xiàng)目里做細(xì)胞分選時(shí)，如果要利用電學(xué)方法，檢測(cè)出細(xì)胞內(nèi)部的情況并作為分選條件，需要用到Mhz頻率的電學(xué)信號(hào)。

當(dāng)然生物組織并不是一個(gè)細(xì)胞，而是有無(wú)數(shù)的細(xì)胞和細(xì)胞外液等組成的一個(gè)復(fù)雜的膠體體系。因此為了配合這些實(shí)際情況，又發(fā)展出了Cole-Cole理論，Cole圓等描述生物阻抗的理論模型。Cole圓指出，如果用頻率變化的測(cè)試信號(hào)取測(cè)試動(dòng)物組織樣品，那么奈奎斯特圓應(yīng)該是第四現(xiàn)象的圓弧。

圖3.Cole圓

我們可以簡(jiǎn)單定性的分析一下，先說(shuō)明為什么在第四象限，我們知道虛軸為阻抗虛部，因?yàn)樯锝M織的電抗以容抗為主，而容抗在虛軸的負(fù)半軸。另外電阻一般都是正值，所以也就是第四現(xiàn)象的圓弧了。再說(shuō)明高頻和低頻，我們知道在低頻時(shí)，電流不通過(guò)細(xì)胞，所以阻抗等于細(xì)胞外液的電阻。在高頻時(shí)，細(xì)胞同時(shí)同時(shí)通過(guò)細(xì)胞外液和細(xì)胞，而細(xì)胞膜的容抗可以忽略，阻抗可以表達(dá)為細(xì)胞的電阻和細(xì)胞外液電阻的表達(dá)式。

生物電阻抗的檢測(cè)的方式也可以用電橋法和伏安法。但是電橋法操作復(fù)雜，需要調(diào)整已知橋臂的阻抗。伏安法不僅可以高精度測(cè)量，而且操作簡(jiǎn)便，主流的生物阻抗測(cè)試方法都是按照伏安法設(shè)計(jì)。了解生物阻抗發(fā)展的歷史，從一開(kāi)始的單頻率測(cè)量到之后的掃頻測(cè)量，再到最近的多頻同步測(cè)量，反應(yīng)的物理信息越來(lái)越多。隨著生物科技的不斷發(fā)展，電子測(cè)量的技術(shù)不斷發(fā)展，在未來(lái)通過(guò)電學(xué)方法檢測(cè)生物的狀態(tài)是一種不錯(cuò)的方式。

注水豬肉含水量實(shí)驗(yàn)

圖4.實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)中我們利用MFLI的阻抗測(cè)試功能，進(jìn)行了豬肉含水量的測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)裝置

蘇黎世MFLI鎖相放大器，四端子測(cè)試線，豬肉樣品，用來(lái)注水的注射器。

實(shí)驗(yàn)步驟

1.取整塊豬肉，將電極插入豬肉中，測(cè)試未注水前的電阻和電容。并且利用掃頻功能掃出Cole圓

2.用注射器將水均勻注射進(jìn)豬肉內(nèi)，等待電阻，電容示數(shù)穩(wěn)定。測(cè)試注水后的電阻和電容。并且利用掃頻功能掃出Cole圓。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖5.電阻，電容注水前后變化

圖6.Cole圓注水前后變化

在100Khz的頻率下，注水后豬肉的電阻降低，這是由于注水增加了細(xì)胞外液，擴(kuò)大了細(xì)胞間隙，增強(qiáng)了導(dǎo)電性的緣故。在3Mhz的頻率下，注水后電容增加這是由于注水破壞了細(xì)胞膜，使并聯(lián)的電容數(shù)量減少，總電容增加。注水前后Cole圖發(fā)生明顯變化，為后續(xù)的深入研究提供了有效的數(shù)據(jù)。

鎖相測(cè)量策略

圖7.測(cè)試裝置示意圖

生物電阻抗經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，從單一頻率測(cè)試，到掃頻測(cè)試，再到多頻同步測(cè)試。對(duì)于測(cè)試裝備的要求越來(lái)越高。阻抗測(cè)試裝置既可以是LCR表，也可以是鎖相放大器。LCR表通常可用于在一個(gè)或幾個(gè)固定頻率（通常介于10 Hz和100 kHz之間）下測(cè)量生物阻抗。但基于這樣有限的數(shù)據(jù)，我們無(wú)法確認(rèn)組織的等效電路模型。而蘇黎世MFLI鎖相放大器工作頻率從DC到5Mhz，并提供兩端子或者四端子測(cè)量，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)精度選擇合適的測(cè)量方式。在本次實(shí)驗(yàn)中我們采用四端子測(cè)量。并且蘇黎世鎖相恰好可以同時(shí)滿足三種測(cè)試方法的全部要求，因?yàn)樽鳛橐豢罨?/span>FPGA技術(shù)開(kāi)發(fā)的鎖相放大器，充分利用硬件資源。首先鎖相本身可以作為信號(hào)源，利用內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生特定頻率的信號(hào)。之后也可以直接當(dāng)作探測(cè)器，獲得我們的電壓，電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)比其他鎖相，蘇黎世擁有阻抗分析模塊，可以直接得到我們需要的阻抗信息，免去復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理過(guò)程。同時(shí)搭配掃頻功能，一臺(tái)機(jī)器實(shí)現(xiàn)我們的生物阻抗掃頻測(cè)試。如果安裝MF-MD選件，鎖相可以同時(shí)輸出和解調(diào)多個(gè)頻率，實(shí)現(xiàn)多頻同步測(cè)試。

圖8.掃頻和阻抗模塊參數(shù)設(shè)置示意圖

在此次實(shí)驗(yàn)中我們使用了MFLI的阻抗測(cè)試模塊和掃頻模塊。鎖相的配置如圖所示，選用默認(rèn)的300mV的交流電進(jìn)行測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)電阻的頻率為100Khz，檢測(cè)電容的頻率為3Mhz。測(cè)試Cole圓的時(shí)候我們使用掃頻模塊，頻率范圍是100Khz到3Mhz,掃描參數(shù)為振蕩器頻率。

相關(guān)產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

圖9.MFLI設(shè)備

• DC - 500KHz/5Mhz 16-bit 電流電壓輸入

• 高達(dá)4路PID和PLL鎖相環(huán) (需要MF-PID選件)

• 短時(shí)間常數(shù)：337ns到83s

• 支持 Python, MATLAB, LabVIEW, C, .NET，API 程序

圖10.MFIA設(shè)備

• 1 mHz 至 500 kHz，1 mΩ 至 1 TΩ

• 可選升級(jí)至5 MHz

• 0.05％ 基本精度

• 用于精確測(cè)量的智能補(bǔ)償和置信度指示器

• 完整的 MFLI 鎖相放大器功能

• LabOne?參數(shù)掃描儀，可用于掃描信號(hào)輸出頻率、輸出偏置電壓和輸出幅值

• 適用于 C、MATLAB?、LabVIEW?、Python 及.NET的LabOne API

選擇蘇黎世儀器的優(yōu)勢(shì)

• 在包含低頻段的寬頻范圍內(nèi)掃描阻抗，方便確定生物組織的等效電路模型。

• 高速跟蹤快速的阻抗和相位變化，同時(shí)保持高精度。僅需要LabOne繪圖儀或數(shù)據(jù)采集模塊，無(wú)需外接數(shù)字采集卡。

• 通過(guò)并行實(shí)驗(yàn)來(lái)節(jié)省時(shí)間。使用 MF-MD 或 HF2LI-MF 選件，可以同時(shí)探測(cè)多個(gè)頻率下的阻抗。

• 自動(dòng)化工作流程。您可以使用 LabOne的API，包括Python，C，MATLAB?，LabVIEW?和.NET。

參考文獻(xiàn)

Zurich Instruments官網(wǎng)資料整理

飛時(shí)科技(北京)有限公司整理

焦如意.基于NFC的貼片式皮膚生物阻抗監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).桂林電子科學(xué)大學(xué)碩士研究論文

張洪偉.基于生物電阻抗譜的注水肉檢測(cè)方法研究.湖南大學(xué)碩士研究論文