一种人体阻抗检测方法技术领域
本申请涉及一种人体阻抗检测方法。
人体阻抗是人体重要的生理参数，它的检测在生物医学领域有着十分重要的意
义。比如，国内外学者很早便发现人体的阻抗变化与呼吸有着密切的关系。若把人体阻抗简
化成一个电阻，根据电阻公式R＝ρL/A，当人体呼吸的时候，胸廓在改变，体内的气体量和成
分也在改变，这相当于人体电阻率ρ和L/A都在改变，也就是人体电阻在改变。因此，利用电
路测出人体阻抗的改变也就间接反映了人体的呼吸情况。人体阻抗检测是人体呼吸信号检
测的重要手段之一，在心电监护仪中得到了广泛应用。
背景技术
人体阻抗包括电抗、感抗和容抗。人体的感抗十分微小，一般情况下可以忽略不
计。人体的容抗对于频率十分敏感，基于容抗公式XC＝1/2πfc可知，容抗与频率l/f成比例
关系，当频率增大时，容抗呈减小趋势。显然，人体的阻抗并非一个固定的值，与频率有关。
人体阻抗在测试时，电极与皮肤表面还必然存在一个接触阻抗，它的大小与皮肤状态、接触
面积等因素有关，也随着测试频率的增大而急剧下降。因此，为了方便人体阻抗数据的测试
分析，人体阻抗测试系统往往工作在较高的频率下，比如TI公司推出的用于人体阻抗测量
的芯片ADS1294R的工作基频为32kHz，此时，测得的人体阻抗可以近似看作是纯阻性的；经
实验，人体两肢间的阻抗值约为1500Ω左右。
一个典型的人体阻抗测试系统，包括恒压源VS、输出内阻ro、外部输出阻抗RO、被测
人体RB、电压记录处理与阻抗解调等模块等。同步记录和处理两路电压信号，这两路信号可
以是人体两测点的电压信号和已知外部输出阻抗RO上的电压信号，也可以是人体两测点的
电压信号和电源输出电压信号，也可以是已知外部输出阻抗RO上的电压信号和电源输出信
号，然后通过一定计算，可以解调出人体的复阻抗，这是所谓的四线阻抗测量法，如图2(a)
(b)(c)所示；对特别高的测试频率，被测人体阻抗RB可看成纯阻性的，此时，也可仅记录和
处理一路电压信号来测量人体阻抗值，称为两线阻抗测量法，如图3所示。
不管用的是什么样的人体阻抗测试系统，人体阻抗测试方法的基本步骤都是：(1)
搭建测试系统；(2)基于标准阻抗标定系统；(3)人体阻抗测试。为了方便起见，现有的做法
都是：第一步在搭建系统时，采用大的输出阻抗RO，将激励电源变为恒流源，使人体阻抗与
其两端的检测电压成线性关系，从而便于系统的定标，第二步只需要较少标准阻抗标定即
可。现有方法的不足是：输出阻抗太大，同样的激励电压，产生较小的工作电流，从而导致对
人体阻抗变化的灵敏度较低，不利于反映呼吸等导致人体阻抗变化的病理和生理信息。
参考文献：
[1]TI，ADS 1298R Datasheet，Texas Instruments Incorporated，2010.
[2]王建波，邓亲恺，郭劲松等.一种新型的阻抗式呼吸检测系统[J].中国医疗器
械杂志，2009，33(2).
[3]席涛，杨国胜，汤池等.呼吸信号检测技术的研究进展.医疗卫生装备，2004，
12：26-29.
[4]Prutchi，D.and M.Norris.(2004).Design and development of medical
electronic instrumentation：A practical perspective of the design，
construction，and test of medical devices.Hoboken，NJ：Wiley Interscience.
[5]Grenvik，A.，Ballou，S.，McGinly，E.，Cooley，W.L.，and P.Safar.(1972)
.Impedance pneumography：Comparison between chest impedance changes and
respiratory volumes in 11 healthy volunteers.Chest，vol 62，pp.439-443.
[6]Kelkar，S.P.，Khambete，N.D.，and S.S.Agashe.(2008).Development of
movement artefacts free breathing monitor.Journal of the Instrument Society
of India，vol.38，pp.34-43.
[7]戚建新，林原，卞正中.一种阻抗法呼吸信号检测电路的设计[J].中国医疗器
械杂志，1998，22(1)：9-11.
[8]邓亲恺.现代医学仪器设计原理[M].北京：科学出版社，2004.
发明内容
发明目的。
提出一种高灵敏度人体阻抗检测方法。
技术方案。
一种人体阻抗的检测方法，步骤包括，(1)搭建测试系统，(2)基于标准阻抗标定系
统，(3)进行人体阻抗测试，其特征是：在第(1)步搭建系统时，采用尽量小的外部输出阻抗
RO，近似于采用恒压源激励，以保证尽量大的工作电流；在第(2)步系统定标时，在测量范围
内，利用足够多标准阻抗样本对系统进行标定，即对每个标准阻抗样本，测量其在给定激励
下的对应电压值，最后拟合建立阻抗与测试电压间的一一对应关系。有了这样的一一对应
关系，第(3)步实际检测时，虽直接测到的是电压值，但可以换算出相应的人体阻抗值。
以上人体阻抗检测方法提高灵敏度的原理可做进一步阐述。以两线阻抗测量法为
例，如图3所示，假设激励恒压源为VS、输出内阻为ro、外部输出阻抗为RO，被测人体阻抗RB此
时为纯阻性，则有人体阻抗的检测灵敏度为：
当RO＞＞RB并且RO＞＞ro，可以将激励看成恒流源激励，那么流入人体的工作电流
I近似为：
令人体的阻抗变化为ΔR，那么检测到的电压变化ΔV为：
ΔV＝I*ΔR (3)
由上述推导，我们不难发现，在传统的恒流源方案中由于外部输出阻抗RO很大，大
大限制了工作电流，从而使得整个电路对阻抗的变化不敏感，同时由于实际测量环境中的
各类噪声的影响，检查效果会很差。
本方案，近似恒压源激励，即大大减小了电路的输出阻抗RO，可简单地取外部输出
阻抗RO为0，此时，有工作电流：
比较公式(2)和公式(4)可知，我们很容易发现由于去掉了外部输出阻抗RO，所以
此时流进人体的工作电流I1要远远大于I。这样在相同的阻抗变化下，本方案搭建的系统将
比传统的恒流源方案搭建的系统具有更高的灵敏度。
有益效果。
按照图3所示的两线阻抗测量法，分别搭建传统的恒流源方案下的电路与本方案
下的电路，利用标准电阻来检测两种方案下系统的灵敏度。共选取了8个不同阻值的高精度
电阻模拟人体阻抗进行测试。表1是本方案与恒流源方案对不同标准电阻值实测的其两端
电压值情况。
表1本方案与恒流源方案测得的不同阻值对应的实测电压值
我们要评价系统的灵敏度，则要比较电阻每变化相同的阻值，电压的变化大小。通
过上述数据，我们可以知道上述8个不同的电阻值将910Ω到2700Ω分成了7段，令每一段对
应的电阻变化为ΔR，每一段对应的电压变化分别记为本方案的ΔV1和恒流源方案的ΔV2，
这样我们便可以分别求出和的两组值，每组有7个值。表2是两种方案下不同阻值
段电阻每变化1欧姆引起的电压变化值。所得到的值越大，表明在该阶段系统的灵敏性越
好。
表2两种方案下不同阻值段电阻每变化1欧姆引起的电压变化值
由上表可知，本方案在910Ω到2700Ω中每一阶段的变化值都不一样，并且呈上升
趋势。而传统恒流源方案的变化值却大致围绕在26μV左右。通过对比，我们发现电阻值无论
在哪一个阻值段里，本方案的灵敏度都要优于传统的恒流源方案，这与前文的推导结果相
一致。
附图说明
图1，人体阻抗检测方法的基本步骤框图。
图2，典型的四线法人体阻抗测试系统示意图。
图3，两线法人体阻抗测试系统示意图。
图4，实施例中人体阻抗检测系统示意图。
图5，实施例中本方案定标建立的电阻电压关系拟合结果示意图。
图6，实施例中实测人体阻抗数据变化图。
实施例
搭建人体阻抗检测系统如图4，并用于人体阻抗实际检测。该系统包括采集模块，
控制模块和上位机处理模块以及电源电路。采集模块采用的是TI公司生产的ADS1294R芯
片。通过配置，可以使芯片产生2.4V，32KHz的方波信号用于电路的激励，此激励电压存在一
定的输出内阻ro，由于测试频率高，属两线制测量模式。此外该芯片内部集成了24位ADC以
及调制解调模块。控制部分采用的是C8051F320单片机，该单片机内部集成了USB模块以及
支持SPI通信协议，可以将上位机的信息传送给ADS1294R，同时将采集到的信号打包好发送
给上位机处理。上位机部分采用的是NI公司的图形化编程语言LabVIEW，将采集到的数据实
时显示及保存。电源电路则为整个系统供电，保证系统正常运行。
在进行人体阻抗实际测量前先对整个系统进行标定。我们选取大量阻值分布在
910Ω-3000Ω的标准电阻，实测出它们各自对应的电压值，并将电阻与电压的关系拟合出
来如图5所示。当然拟合的方式有很多种，比如插值法、最小二乘法等等。通过拟合，我们便
可以知道在一定范围内某电阻对应的电压值或者某电压对应的电阻值。
接下来将系统用于人体实验，先用酒精和医用棉签对手臂进行简单的清洁处理。
按照数据手册的要求配置ADS1294R，将电极贴贴于人体两端的手臂处，运行上位机，静坐，
测量并记录20s的电压数据，如图6(a)所示。假定某一电压为100032μV，通过查找之前标定
所建立的对照表，可以查出，1600Ω对应的电压为99122μV，1700Ω对应的电压为106378μV，
我们现在假定在这范围内因为电阻变化而引起的电压变化是线性的，所以经计算得出此时
对应的人体阻抗值为1612.54Ω。采用上述方法，我们可以得出这20s内，人体的阻抗变化情
况，如图6(b)所示。