CN102186414B - 阻抗测量电路和方法 - Google Patents

Abstract

一种阻抗测量电路，包括电流源装置、电压测量装置和处理器。所述电路能够用于两点测量模式和四点测量模式，所述处理器适于通过结合来自两点和四点测量模式的测量电压而导出所要测量的阻抗。这结合了两点测量技术和四点测量技术二者的结果，从而提供了提高的精确度。具体而言，两种结果使得电极电阻的影响被抵消。

Description

阻抗测量电路和方法

技术领域

本发明涉及阻抗的测量。本发明尤其但非唯一涉及采用表面接触电极测量阻抗。

背景技术

采用表面接触电极的阻抗测量有这样一个问题，即，存在多变的未知接触阻抗，这降低了测量的准确度。例如，在对皮肤组织的阻抗测量(所谓的生物阻抗测量)中就采用了接触电极阻抗测量，其中，能够将对皮肤组织的阻抗测量用于监测与监测装置的用户的身体或医疗状态相关的各种状况。

阻抗测量的最简单的设置(setup)是图1所示的所谓的两点设置。

测量仪器10具有电流源12，其用于向未知阻抗Z_X馈送已知电流I。采用电压测量装置14的电压测量确定了电压降，其被假定为与所述的未知阻抗成比例。

但是，电缆的阻抗Z_W也充分地导致所述电压降以及所测得的电压，从而扭曲了测量结果Z：

Z＝U/I＝I*(Z_W+Z_X+Z_W)/I＝Z_W+Z_X+Z_W＞Z_X

因此，测量结果Z高于实际的阻抗Z_X。为了避免两点阻抗测量设置的这一缺点，四点阻抗测量设置采用了额外的一对电极。

将参考图2解释四点测量技术。

通过两个馈送电极1、4(可以将其视为驱动端子)馈送电流，测量两个测量电极2、3(可以将其视为测量端子)之间的电压降。用于实现电压测量的仪器(例如高输入阻抗差分放大器)具有非常高的输入阻抗，这样几乎没有电流流经测量电极，即，其电缆和接触电阻在测量中几乎不起作用。

在这种装置中，采用一对电极驱动电流通过所要测量的阻抗，采用另一对电极进行测量，而不必使显著的电流通过连接部。

所测得的电压U几乎与未知阻抗Z_X处的电压降U_X相等。因而四点阻抗测量设置为很多应用提供了充分的精确度。但是，在测量结果中仍然存在误差，这是由流经测量电极2、3的电流导致的。

发明内容

根据本发明，提供了一种阻抗测量电路，其包括：

-电流源装置；

-电压测量装置；以及

-处理器，

其中，所述电路能够用于两点测量模式和四点测量模式，并且

其中，所述处理器适于通过将来自两点和四点测量模式的测量电压结合起来导出所要测量的阻抗。

因而，本发明综合了两点和四点测量技术的结果，以提供改善的准确度。具体而言，这两种结果使得电极电阻的影响被抵消掉了。

两点模式包括这样一种模式，其中，采用一对用来引导(route)电流往返于所要测量的阻抗的测量端子获得所要测量的阻抗两端的第一电压，四点模式包括这样一种模式，其中，采用所述一对测量端子以及另一对用来引导电流往返于所要测量的阻抗的端子来获得所要测量的阻抗两端的第二电压。

因而，这两种测量技术各个都是标准的，其中，将两点测量模式的两个电极用作了四点模式的测量电极。

优选提供切换装置，从而在第一对端子和第二对端子之间切换电流源的输出电流，所述第一对端子构成了两点阻抗测量端子，所述第一对和第二对测量端子一起构成了四点阻抗测量端子。

所述切换装置可以具有连接至电流源装置的相对的两侧的第一对输入端以及两对输出端，第一对输出端构成了两点阻抗测量端子，第二对输出端构成了四点测量驱动端子。

优选地，所述处理器适于通过计算下式导出所要测量的阻抗：

$Z=\frac{\mathrm{Zfourpoint}}{[1-\frac{\mathrm{Ztwopoint}}{\mathrm{Ri}}]}$

其中，Z_fourpoint是由四点测量电压导出的四点阻抗，Z_twopoint是由两点测量电压导出的两点阻抗，Ri是电压测量装置的内阻抗。

这一关系表明已经抵消了电极电阻的影响。

本发明还提供了一种用于测量皮肤阻抗的生物传感器，其包括：

用于与皮肤发生接触的一组四个接触电极；以及

根据本发明的阻抗测量电路。

本发明还提供了一种阻抗测量方法，其包括：

-通过两点测量模式获得电压测量结果；

-通过四点测量模式获得电压测量结果；

-通过将来自两点和四点测量模式的测量电压结合起来导出所要测量的阻抗。

可以将这一方法用于生物阻抗感测，其方式为，应用一组四个接触电极与皮肤发生接触，并将所述电极中的两个用于两点测量且将所有的四个电极用于四点测量，由此实施所述方法。

附图说明

现在将参考附图详细说明本发明的例子，其中：

图1用于解释已知的两点测量技术；

图2用于解释已知的四点测量技术；

图3用于推导由已知的四点测量技术引起的误差；

图4是图3的简化版本，其示出了与误差分析相关的部件；

图5用于解释本发明的测量技术；以及

图6示出了本发明的量测电路的实施的例子。

在不同的附图中采用了相同的附图标记表示相同的部件。在权利要求中采用附图标记的目的在于促进对权利要求的理解而不是构成限制。

具体实施方式

本发明通过结合两点和四点阻抗测量技术的结果来提供提高的准确度而提供了对两点和四点阻抗测量技术的改进。

本发明基于对四点阻抗测量过程中出现的误差的分析。图3用于解释其余的误差，其示出了准备好在未知对象上实施阻抗测量的四点设置。

在本范例中，采用了已知的人体组织细胞模型，以演示本发明对生物阻抗测量应用的适用性，但是一般说来，可以考虑任何一种未知的阻抗。

未知阻抗Z的模型为电阻器R_S与彼此并联的电阻器R_p和电容器C_p的组合串联。在低频上，这一模型表示细胞阻抗R_s+R_p，在较高频上，其被简化为仅有R_s。这一现象之所以发生是因为细胞膜起着电容器的作用，在此将其表示为电容器C_p。

每一电极接触1-4的模型为与电容器并联连接的电阻器。可以将所述电极看作是放在皮肤上的金属盘。所述电极和皮肤表面形成了电容器的两个板，但是它们当然不是相互隔离的，因此表现为具有损耗的电容器，其模型为与电容器并联的电阻器。

如图所示，分别以电阻器R₁₂和R₃₄作为电极1和2之间、3和4之间的组织的模型。从下文可以看出，这些部件不起作用，这也是将它们建模为简单的电阻器的原因。电流源将已知电流I馈送到端子1和4内。具有高输入阻抗R_i的电压测量仪器测量跨越未知阻抗Z的电压降。在下文中，从分析的角度计算所测得的电压U，以了解不必要的元素的影响。

所述的已知电流流经端子1和4处的电极以及电阻器R₁₂和R₃₄而不发生变化，这样图4所示的简化图解是适用的。基本上，现在有未知阻抗Z与网络40(具有合成阻抗Z_m)并联连接，网络40包括处于虚线内部的部件，并且可以将网络40描述为：

$Z_m=R_i+\frac{R_2}{1+{\mathrm{j\ω\τ}}_2}+\frac{R_3}{1+{\mathrm{j\ω\τ}}_3};$ τ₂＝R₂.C₂；τ₃＝R₃.C₃    (Eq1)

对于网络的总阻抗Z_total，即，Z_m与未知阻抗Z并联连接而言，可以计算下式。

$Z_{\mathrm{total}}=\frac{1}{\frac{1}{Z}+\frac{1}{Z_m}}=\frac{Z{\·Z}_m}{Z+Z_m}---\left(\mathrm{Eq}2\right)$

所测得的电压U只是这一总阻抗处的电压降的一部分，可以将其计算为：

$U=\frac{R_i}{Z_m}\·Z_{\mathrm{total}}\·I=\frac{R_i}{Z_m}\·\frac{{Z\·Z}_m}{Z+Z_m}\·I=\frac{Z\·R_i}{Z+Z_m}\·I=\frac{R_i\·Z}{R_i+Z+\frac{R_2}{1+\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_2}+\frac{R_3}{1+j{\mathrm{\ω\τ}}_3}}\·I---\left(\mathrm{Eq}3\right)$

分母中的最后两项，即带有R₂和R₃的项扭曲了结果。本发明基于这样一种认识，即，能够确定这些误差。一旦知道了它们，那么就可以更加精确地计算未知阻抗Z了，因为电阻器R_i是测量仪器的属性，因此可以假定其是已知的。

电极接触质量可能随着测量的不同而发生变化，因而上述方程中的带有R₂和R₃的项不仅是未知的还是可变的。对于很多应用而言，有可能忽略这些误差项。然而，对于需要高测量精度的应用而言，现有技术中已知的四点设置是不够的。

一个需要高精度并且电极接触质量一定会随着测量的不同而发生变化的示例应用是由本申请人开发出的心衰管理***。在药物治疗的帮助下，能够使心衰患者的状态保持相当的稳定。但是，经过一定的时间，需要调整药物疗法，如果没有及时做到这一点，患者将患上所谓的代谢失调，这意味着心脏将不再能够满足身体所需，而且会在四肢和肺部积液。在这种情况下，所产生的后果是费用高昂的住院治疗。

用于管理心衰患者的概念包括每天对患者胸部的生物阻抗测量，以便尽早检测到肺部积液，从而通过及时的药物疗法调整来避免住院治疗。为了实施每日测量，采用四点测量设置，并且为了实现设置的高的可重复性，将电极集成到像背心一样穿在身上的装备上。

尽管借助背心能够使电极在胸部上的位置对于每次测量而言都基本相同，但是接触压力却不可避免地随测量的不同而发生变化。如果在这些变化的条件下采用现有技术的四点测量，那么将产生能够破坏整个心衰管理的测量误差。本发明为这一问题提供了可靠的解决方案，但是更一般而言本发明当然存在宽广得多的针对精确阻抗测量的应用。

图5示出了根据本发明的改进的四点阻抗测量设置。可以看出，与最初的设置相比，提供了切换单元50，其允许将电流源12要么连接至端子1和4，以实现常规的四点测量设置，要么连接至端子2和3，从而仅采用四点设置中的两个测量电极2和3实施两点测量。

为了精确地确定未知阻抗Z，提供了一个包括两个步骤的流程。在第一步中，实施两点测量，其中通过切换单元50将电流源连接至端子2和3。这种情况下的测量电压U为：

$U_{\mathrm{twopoint}}=\frac{R_i\·[Z+\frac{R_2}{1+{j\mathrm{\ω}\mathrm{\τ}}_2}+\frac{R_3}{1+\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_3}]}{R_i+[Z+\frac{R_2}{1+j{\mathrm{\ω\τ}}_2}+\frac{R_3}{1+{\mathrm{j\ω\τ}}_3}]}\·I_{\mathrm{twopoint}}=\frac{R_i\·Z^{+}}{R_i+Z^{+}}\·I_{\mathrm{twopoint}}---(\mathrm{Eq}.4)$

上述方程中的Z⁺项描述了方程3中的未知误差项。针对Z⁺解方程4，得到：

$Z_{\mathrm{twopoint}}=\frac{U_{\mathrm{twopoint}}}{I_{\mathrm{twopoint}}}=\frac{R_i\·Z^{+}}{R_i+Z^{+}}\⇒Z^{+}=\frac{R_i\·Z_{\mathrm{twopoint}}}{R_i-Z_{\mathrm{twopoint}}}---(\mathrm{Eq}.5)$

将该表达式代入方程3：

$U_{\mathrm{fourpoint}}=\frac{R_i\·Z}{R_i+Z+\frac{R_2}{1+j{\mathrm{\ω\τ}}_2}+\frac{R_3}{1+j{\mathrm{\ω\τ}}_3}}\·I_{\mathrm{fourpoint}}=\frac{R_i\·Z}{R_i+Z^{+}}\·I_{\mathrm{fourpoint}}---(\mathrm{Eq}.6)$

通过代入方程5，得到下述结果：

$Z_{\mathrm{fourpoint}}=\frac{U_{\mathrm{fourpoint}}}{I_{\mathrm{fourpoint}}}=\frac{R_i\·Z}{R_i+Z^{+}}=\frac{R_i\·Z}{R_i+\frac{R_i\·Z_{\mathrm{twopoint}}}{R_i-Z_{\mathrm{twopoint}}}}=\frac{Z}{1+\frac{Z_{\mathrm{twopoint}}}{R_i-Z_{\mathrm{twopoint}}}}$

$Z_{\mathrm{fourpoint}}=\frac{Z\·(R_i-Z_{\mathrm{twopoint}})}{R_i-Z_{\mathrm{twopoint}}+Z_{\mathrm{twopoint}}}=Z\·[1-\frac{Z_{\mathrm{twopoint}}}{R_i}]\⇔Z=\frac{Z_{\mathrm{fourpoint}}}{[1-\frac{Z_{\mathrm{twopoint}}}{R_i}]}---(\mathrm{Eq}.7)$

这表明，如果电压测量电路的内阻R_i是已知的，那么可以利用方程7采用来自两点测量的结果校正四点测量的结果，从而获得未知阻抗Z的真实值。Ri可以是复数，而非纯粹的欧姆电阻器。

在所述流程的第二步中，所述切换单元将电流源连接至端子1和4，从而实现标准的四点测量。于是能够采用先前在所提出的流程的第一步中通过两点测量获得的结果根据方程7校正该四点测量的结果。当然，可以按照任一顺序执行两点和四点测量；之后将结果结合起来导出正确的阻抗测量结果。

可以由设备说明书获知阻抗Ri。但是，也可能采用同一电路测量这一值。在Ri未知时，可以将已知阻抗Z连接至所述设置，之后实施两点测量和四点测量。之后，可以采用方程7根据下式在来自两点和四点测量的结果的基础上计算R_i：

$Z=\frac{Z_{\mathrm{fourpoint}}}{[1-\frac{Z_{\mathrm{twopoint}}}{R_i}]}\⇔R_i=\frac{Z_{\mathrm{twopoint}}}{[1-\frac{Z_{\mathrm{fourpoint}}}{Z}]}---(\mathrm{Eq}.8)$

由于阻抗R_i是测量仪器的属性，需要只完成一次上述校准步骤，即，连接已知阻抗Z，实施两点和四点测量并计算其R_i。因而，R_i的确定可以是初始校准操作的一部分。

在接下来的测量中，只需执行上述两个测量步骤，即，在一个步骤中执行两点测量，将其结果与先前根据方程7确定的R_i一起使用，以校正从另一个步骤中的四点测量获得的结果。

应当快速接替地执行两点和四点测量，这样两点测量中包含的有关电极2和3的信息才对执行四点测量之时有效。

通过提供对两个测量步骤的自动化控制而确保这一要求，其中，切换单元50由触发测量的微控制器控制。

图6示出了提供***概况的方块图。

所述***包括切换装置50和电流源14。所述切换装置将电流源的相对的两侧连接至测量电极2、3(如图所示)，或者连接至额外的四点电极1、4。所述切换装置由微控制器60控制。由包括A/D转换的单元62执行电压测量。单元62处于切换装置50的电流源侧，因而其根据切换状态连接于测量电极2、3之间或四点电极1、4之间。

单元62将测量结果提供给微控制器60，微控制器60实施上文解释的算法计算。

图6示出了施用电极1-4的物体64，在上述例子中，该物体是用户的皮肤。

微控制器不仅控制切换单元，还控制电流源。微控制器能够通过这种方式改变电流源的参数，例如，馈送到未知阻抗的电流的频率。通过这种方式，有可能在不同的频率上实施整个系列的测量，由此，每一单个测量均包括上述两个步骤，即，实施两点测量以获得与端子2和3处的测量电极的电极接触相关的信息，并实施四点测量，采用由两点测量获得的结果校正所述四点测量的结果。

本发明的优点在于，除了切换单元不必向***内引入额外的部件。例如，所述切换单元可以是继电器，但也可以采用电子开关(MOSFET)。

本发明通过提高精确度改进了已知的四点阻抗测量。本发明的一个使用实例是面向针对心衰管理做出的测量的。但是，更一般而言，可以将本发明看作是对现有技术中的四点阻抗测量的升级。所述方案以所需要的最低数量的额外部件补偿了由于改变电极接触质量而引起的测量误差。

在电流源和端子之间示出了所述切换单元。然而，可以采用两个电流源(一起形成了“电流源装置”)实施本发明。因而，这样切换装置只需控制一个电流源在另一电流源断开时接通，或者通过控制仅将两个电流源中的一个连接到电路中。因而，可以看出有很多方式实现所述切换装置，一项重要的要求是，对所述电路做出调整，从而能够在不同的时候实施两点和四点测量。

上述例子涉及采用表面接触电极的阻抗测量。但是，更一般而言，本发明涉及阻抗测量，本发明提供了对已知两点和四点测量技术的改进。除了上述生物阻抗感测之外，本发明的潜在应用的例子分成很多种类，例如：

健康和保健应用

-体脂肪/身体成分测量

-脱水评估(例如，用于运动训练、膳食评定、老年人健康问题)

-电流皮肤响应/皮肤阻抗测量(用于压力测试或测谎)

-急救医学检查(例如，对胸部内出血的检测)

-在手术后的最初几天内监视和检测身体内的出血

工业应用

-为了检测例如煤气管内的金属锈蚀的阻抗测量。

还有很多其他的例子，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。

用于上文给出的具体的生物感测实例的电流源是交流电流源。那么，测量频率的典型范围是5kHz到1MHz。如关于“Medical electricalequipment”，IEC60601-1的相关标准中所述，最大电流是频率的函数，而且其还取决于医疗装置的类型。

例如，对于被分类为“BF”的具有诸如电极的与患者的导电接触的装置而言，该标准指示了下述最大值：

低于1kHz：最大电流值为0.1mA。

高于1kHz：最大电流为0.1mA乘以以kHz为单位的频率值(例如，10kHz的频率引起1mA的最大电流)

可以采用比最大值低的电流值。但是，较高的电流值给出了最好的信噪比。

文中没有详细描述电路元件。所述切换装置、电流源和电压测量电路以及处理器均为标准部件，本领域技术人员实施本发明将不存在困难。

对于本领域技术人员而言，各种变化是显而易见的。

Claims (8)

1.一种阻抗测量电路，包括：

-电流源装置（12）；

-电压测量装置（14）；以及

-处理器（60），

其中，所述阻抗测量电路能够用于两点测量模式和四点测量模式，并且

其中，所述处理器适于通过根据下式组合来自所述两点测量模式和所述四点测量模式的测量电压来导出所要测量的阻抗Z：

$Z=\frac{\mathrm{Zfourpoint}}{[1-\frac{\mathrm{Ztwopoint}}{\mathrm{Ri}}]}$

其中，Zfourpoint是由四点测量电压导出的四点阻抗，Ztwopoint是由两点测量电压导出的两点阻抗，Ri是所述电压测量装置的内阻抗，

其中：

-所述两点测量模式包括这样一种模式，其中，采用用来引导电流往返于所要测量的阻抗的第一对测量端子（2，3）获得所要测量的阻抗两端的第一电压；并且

-所述四点测量模式包括这样一种模式，其中，采用所述第一对测量端子（2，3）以及用于引导电流往返于所要测量的阻抗Z的第二对测量端子（1，4）来获得所要测量的阻抗两端的第二电压。

2.根据权利要求1所述的阻抗测量电路，包括用于使电流源装置（12）的电流输出在所述第一对测量端子（2，3）和所述第二对测量端子（1，4）之间切换的切换装置（50），所述第一对测量端子（2，3）构成了两点阻抗测量端子，所述第一对测量端子和所述第二对测量端子（1，2，3，4）一起构成了四点阻抗测量端子。

3.根据权利要求2所述的阻抗测量电路，其中，所述切换装置具有连接至所述电流源装置的相对两侧的第一对输入端，并且所述切换装置具有两对输出端，所述两对输出端中的第一对输出端构成了两点阻抗测量驱动端子，而所述两对输出端中的第二对输出端构成了四点阻抗测量驱动端子。

4.一种用于测量皮肤阻抗的生物传感器，包括：

-用于与皮肤接触的一组四个接触电极；以及

-根据前述任一权利要求所述的阻抗测量电路。

5.一种阻抗测量方法，包括：

-获得两点测量模式下的电压测量结果；

-获得四点测量模式下的电压测量结果；

-通过根据下式组合来自所述两点测量模式和所述四点测量模式的测量电压来导出所要测量的阻抗Z：

$Z=\frac{\mathrm{Zfourpoint}}{[1-\frac{\mathrm{Ztwopoint}}{\mathrm{Ri}}]}$

其中，Zfourpoint是由四点测量电压导出的四点阻抗，Ztwopoint是由两点测量电压导出的两点阻抗，Ri是电压测量装置的内阻抗，并且

其中：

-所述两点测量模式包括采用用来引导电流往返于所要测量的阻抗的第一对测量端子（2，3）获得所要测量的阻抗两端的第一电压；并且

-所述四点测量模式包括采用所述第一对测量端子（2，3）并采用用于引导电流往返于所要测量的阻抗Z的第二对测量端子（1，4）来获得所要测量的阻抗两端的第二电压。

6.根据权利要求5所述的阻抗测量方法，包括使电流源装置（12）在所述第一对测量端子（2，3）和所述第二对测量端子（1，4）之间切换，所述第一对测量端子（2，3）构成了两点阻抗测量端子，所述第一对测量端子和所述第二对测量端子（1，2，3，4）一起构成了四点阻抗测量端子。

7.根据权利要求5所述的阻抗测量方法，其中，所述内阻抗Ri是通过采用所要测量的已知参考阻抗来执行所述阻抗测量方法而得到的。

8.一种皮肤阻抗测量方法，包括：

-应用一组四个接触电极以接触皮肤；以及

-执行根据权利要求5到6中的任何一项所述的阻抗测量方法，其中，使用所述电极中的两个来进行两点测量，而使用所有的四个电极来进行四点测量。

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