基于multisim11仿真的生物医学工程课程设计：人体阻抗测量

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1、 课程设计报告 人体阻抗测量 引言 本课程设计探索了一种人体阻抗测量系统， 以及通过此系统分析人体阻抗特性。 本设计采用 由一对激励电极及一对敏感电极组成的四电极结构, 用文氏电桥振荡器产生 50 kH z 的正 弦波信号, 经过一定的削减， 施加在与人体皮肤接触的激励电极对上,通过测量敏感电极对的 电压, 实现人体生物阻抗的检测, 可望有效克服接触电阻抗以及空间电磁波的干扰。 multisim 软件仿真结果表明, 这种测量系统在测量结果的线性 、稳定性及准确性等方面的性能可满 足人体成分测量的要求。 Multisim 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以 Windows 为基础的仿真工具，

2、适用于板 级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输 入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复杂内容，这样工程师无 需懂得深入的 SPICE 技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电 子学教育。 通过 Multisim 和虚拟仪器技术， PCB 设计工程师和电子学教育工作者可以完成从 理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。Multisim 被 美国 NI 公司收购以后，其性能得到了极大的提升。最大的改变就是：Multisim 9 与 LABVIEW 8 的完美结合：

3、（1）可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器； （2）所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上; (3) 所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。 如此，学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并 且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极 性。真正的做到了变被动学习为主动学习。 1、 人体阻抗模型及其测量的意义： 人体的基本构造单位是细胞。 细胞被一层具有特殊结构和功能的半透性膜所包被， 称作细胞 膜或质膜，它允许某些物质有选择地通过，同时又严格地保持细胞内物质成分的稳定。由于 细胞膜的存在

4、，人体组织的阻抗特性可由图 1 所示的等效电路表示。其中 Re，Ri 和 Ci 分别 为细胞外液电阻，细胞内液电阻和细胞膜电容。 人体阻抗是包括人体皮肤、血液、肌肉、细胞组织及其结合部在内的含有电阻和电容的全阻 抗，如图 2 所示。皮肤表面 0.050.2mm 厚的角质层电阻值很高。在干燥和干净的状态下， 其电阻率可达 105 106m。但因其不是一张完整的薄膜，又很容易受到破坏，故计算人 体阻抗时一般不予以考虑。人体各部分阻抗大小对比如表 1 所示。遭受突然的生理刺激时， 人体阻抗可能明显降低。 便携式人体健康状况检测仪受到越来越多的重视, 该类仪器中人体成分检测占据极其重要 的地位, 例如

5、脂肪、水分检测仪等。 目前存在的测量人体成分的方法主要有生物电阻抗法、 水重法、 同位素稀释法以及双能量 X光吸收法等。 其中， 生物电阻抗分析法(BIA ： Bioelectrical impedanceanalysis)具有无创、简便、廉价、可靠的独特优点, 医生和病人都易于接受，并且 这种方法测量人体成分的可行性已经得到大量实验结果的验证。 生物阻抗技术的真正优势或 诱人之处在于利用生物阻抗所携带的丰富生理和病理信息， 进行人体组织与器官的无损伤功 能评价 。 2、 系统结构框图与完整电路图 3、 各模块实现 3.1、文氏电桥振荡器： 图 3 文氏电桥正弦振荡器 根据人体电阻抗谱图, 在

6、特征频率 f c 上, 人体电阻抗的虚部| X | 最大, 人体中 的脂肪和非脂肪成分同时得到最大的体现, 因此选 f c 作为测量频率。通常人体 特征频率为 50 kH z 。 电路的震荡频率 fosc = 1/2RC，理论与实际有出入，经多次调试，最终选定 R=10K 、C=205pF，使其输出较为准确的 50KHz 的正弦波。电路从起振到稳定输出需 要一定时间，所以开始仿真后要经过等待才能看到如下图所示的合格波形： 图 4 振荡器输出 50KHz 正弦波 3.2、V/I 变换 电流信号比电压信号抗干扰能力强， 所以微弱信号传递时常以电流形式进行。 下图就是我们 采用的 V/I 方案，把电压信号转变成电流信号。下方的电压跟随器起传导电压、隔离电流的 作用； 理论上，流经负载 Rx 的电流为 Iout = Vin*(R32/R30) /（Rs+R0+Rx）； 图 5 振荡器与 V/I 变换电路 所谓的 V/I 变换，其实是将输入电压放大一定倍数再加到负载上，从而得到电流的。只是负 载变化对电流的影响相对减小了一些。 图 6 V/I 电路的输入/输出 如上图，人