010-58237058
首页 > 解决方案 > 阻抗测量 > 解决方案详情
<
>
生物电阻抗谱
简介:

生物电阻抗是表征生物组织对交流电流阻碍作用的物理量。在样品上施加交流电流,通过测量电压和电流(幅值和相位),利用伏安法可以得到生物的阻抗。人们发现不同的生物组织阻抗值不同,不同的身体组成和健康状态也对生物阻抗值有影响,因此可以用生物阻抗测量来评估身体组成和健康状况。

应用说明 注水猪肉实验 锁相测量策略 相关产品优势 相关推荐产品
应用说明


相关产品:MFLI   MFIA



背景介绍

生物电阻抗是表征生物组织对交流电流阻碍作用的物理量。在样品上施加交流电流,通过测量电压和电流(幅值和相位),利用伏安法可以得到生物的阻抗。人们发现不同的生物组织阻抗值不同,不同的身体组成和健康状态也对生物阻抗值有影响,因此可以用生物阻抗测量来评估身体组成和健康状况。例如可以用电阻抗去评估身体成分,对于脂肪,肌肉,水分等含量的测试。检测身体病变组织,做疾病诊断。检测身体运动状态。具有无创,无痛,操作简单,快捷方便的特点。

 图1.jpg

1.呼吸检测和皮肤电测试

生物电阻抗理论经过多年发展,理论体系不断成熟完善。之前的科学家将生物组织的细胞以及细胞化学环境等效成电路上的电路图。先后提出三元件理论。

图2.png 

2.三元件理论

将细胞膜和细胞内液和细胞外液等效成电阻和电容并联的模式,并且指出细胞膜以容抗为主,而细胞液以电阻为主。因此呈现出低频上,电流无法穿过细胞膜只能穿过细胞液的情况。而在高频上,电流既可以穿过细胞膜也可以穿过细胞液,可以反映细胞内部的情况。这也是有些微流控项目里做细胞分选时,如果要利用电学方法,检测出细胞内部的情况并作为分选条件,需要用到Mhz频率的电学信号。

当然生物组织并不是一个细胞,而是有无数的细胞和细胞外液等组成的一个复杂的胶体体系。因此为了配合这些实际情况,又发展出了Cole-Cole理论,Cole圆等描述生物阻抗的理论模型。Cole圆指出,如果用频率变化的测试信号取测试动物组织样品,那么奈奎斯特圆应该是第四现象的圆弧。

 

图3.png

3.Cole

我们可以简单定性的分析一下,先说明为什么在第四象限,我们知道虚轴为阻抗虚部,因为生物组织的电抗以容抗为主,而容抗在虚轴的负半轴。另外电阻一般都是正值,所以也就是第四现象的圆弧了。再说明高频和低频,我们知道在低频时,电流不通过细胞,所以阻抗等于细胞外液的电阻。在高频时,细胞同时同时通过细胞外液和细胞,而细胞膜的容抗可以忽略,阻抗可以表达为细胞的电阻和细胞外液电阻的表达式。

生物电阻抗的检测的方式也可以用电桥法和伏安法。但是电桥法操作复杂,需要调整已知桥臂的阻抗。伏安法不仅可以高精度测量,而且操作简便,主流的生物阻抗测试方法都是按照伏安法设计。了解生物阻抗发展的历史,从一开始的单频率测量到之后的扫频测量,再到最近的多频同步测量,反应的物理信息越来越多。随着生物科技的不断发展,电子测量的技术不断发展,在未来通过电学方法检测生物的状态是一种不错的方式。



注水猪肉实验

注水猪肉含水量实验

 图4.png

4.实验装置

本次实验中我们利用MFLI的阻抗测试功能,进行了猪肉含水量的测试。

实验装置

苏黎世MFLI锁相放大器,四端子测试线,猪肉样品,用来注水的注射器。

实验步骤

1.取整块猪肉,将电极插入猪肉中,测试未注水前的电阻和电容。并且利用扫频功能扫出Cole

2.用注射器将水均匀注射进猪肉内,等待电阻,电容示数稳定。测试注水后的电阻和电容。并且利用扫频功能扫出Cole圆。

实验现象

 图5.png

5.电阻,电容注水前后变化

 图6.png

6.Cole圆注水前后变化

100Khz的频率下,注水后猪肉的电阻降低,这是由于注水增加了细胞外液,扩大了细胞间隙,增强了导电性的缘故。在3Mhz的频率下,注水后电容增加这是由于注水破坏了细胞膜,使并联的电容数量减少,总电容增加。注水前后Cole图发生明显变化,为后续的深入研究提供了有效的数据。


锁相测量策略

锁相测量策略

图7.png 

7.测试装置示意图

生物电阻抗经过多年的发展,从单一频率测试,到扫频测试,再到多频同步测试。对于测试装备的要求越来越高。阻抗测试装置既可以是LCR表,也可以是锁相放大器。LCR表通常可用于在一个或几个固定频率(通常介于10 Hz100 kHz之间)下测量生物阻抗。但基于这样有限的数据,我们无法确认组织的等效电路模型。而苏黎世MFLI锁相放大器工作频率从DC5Mhz,并提供两端子或者四端子测量,可以根据实验精度选择合适的测量方式。在本次实验中我们采用四端子测量。并且苏黎世锁相恰好可以同时满足三种测试方法的全部要求,因为作为一款基于FPGA技术开发的锁相放大器,充分利用硬件资源。首先锁相本身可以作为信号源,利用内部振荡器产生特定频率的信号。之后也可以直接当作探测器,获得我们的电压,电流实验数据。对比其他锁相,苏黎世拥有阻抗分析模块,可以直接得到我们需要的阻抗信息,免去复杂的数据处理过程。同时搭配扫频功能,一台机器实现我们的生物阻抗扫频测试。如果安装MF-MD选件,锁相可以同时输出和解调多个频率,实现多频同步测试。

 图8.png

8.扫频和阻抗模块参数设置示意图

在此次实验中我们使用了MFLI的阻抗测试模块和扫频模块。锁相的配置如图所示,选用默认的300mV的交流电进行测试,本实验中检测电阻的频率为100Khz,检测电容的频率为3Mhz。测试Cole圆的时候我们使用扫频模块,频率范围是100Khz3Mhz,扫描参数为振荡器频率。


相关产品优势

相关产品优势

 图9.png

9.MFLI设备

  • DC - 500KHz/5Mhz 16-bit 电流电压输入

  • 高达4PIDPLL锁相环 (需要MF-PID选件)

  • 短时间常数:337ns83s

  • 支持 Python, MATLAB, LabVIEW, C, .NETAPI 程序

 图10.png

10.MFIA设备

  • 1 mHz 500 kHz1 mΩ 1 TΩ

  • 可选升级至5 MHz

  • 0.05% 基本精度

  • 用于精确测量的智能补偿和置信度指示器

  • 完整的 MFLI 锁相放大器功能

  • LabOne®参数扫描仪,可用于扫描信号输出频率、输出偏置电压和输出幅值

  • 适用于 CMATLAB®LabVIEW™Python .NETLabOne API


选择苏黎世仪器的优势


  • 在包含低频段的宽频范围内扫描阻抗,方便确定生物组织的等效电路模型。

  • 高速跟踪快速的阻抗和相位变化,同时保持高精度。仅需要LabOne绘图仪或数据采集模块,无需外接数字采集卡。

  • 通过并行实验来节省时间。使用 MF-MD  HF2LI-MF 选件,可以同时探测多个频率下的阻抗。

  • 自动化工作流程。您可以使用 LabOneAPI,包括PythonCMATLAB®LabVIEW™.NET


参考文献


Zurich Instruments官网资料整理

飞时科技(北京)有限公司整理

焦如意.基于NFC的贴片式皮肤生物阻抗监测仪的设计与实现.桂林电子科学大学硕士研究论文

张洪伟.基于生物电阻抗谱的注水肉检测方法研究.湖南大学硕士研究论文


相关推荐产品
在线留言
*
*
*
*为必填项