專利名稱：一種皮膚水分測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物電阻抗測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于測(cè)量人體皮膚水分含量的電阻抗測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
人體的皮膚主要由三個(gè)組織構(gòu)成皮下組織、真皮組織和上皮組織。上皮組織的最外圍是由二十多層外皮細(xì)胞緊密堆疊起來(lái)的角質(zhì)外層。雖然角質(zhì)外層大概只有20um厚，但這層蛋白質(zhì)膜覆蓋了人體的所有表面，對(duì)在外部環(huán)境中維持生命活動(dòng)具有重要作用。角質(zhì)外層是防御細(xì)菌和化學(xué)物質(zhì)的有效屏障，同時(shí)，它讓人體的水分揮發(fā)保持在一個(gè)很低的水平，只有0.2到0.5mg/h/cm2，這使人可以生活在極為干燥的環(huán)境。當(dāng)它處在健康狀態(tài)時(shí)，所含的水分要比不健康時(shí)多的多。只有包含多于10％的水分時(shí)，角質(zhì)外層才是柔韌的，否則，它會(huì)變硬而且脆弱。干燥的皮膚容易給人帶來(lái)疾病。因此，測(cè)量人體皮膚(主要是角質(zhì)外層)的水分含量可以作為評(píng)價(jià)皮膚的健康狀態(tài)的重要方法。
最常見(jiàn)的皮膚水分測(cè)量方法是通過(guò)測(cè)量皮膚的電類參數(shù)(電容值、交流電導(dǎo)率等)間接測(cè)量皮膚角質(zhì)層以及一部分表皮(共厚100μm)的含水量，其中比較常用的是測(cè)定皮膚的電容值。由于水的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)皮膚其他組成物如角蛋白和油脂，故水分的多少會(huì)影響皮膚的等效電容值，皮膚含水量越多，皮膚的介電常數(shù)越大。人體皮膚的水分含量難以通過(guò)測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量得到，在實(shí)際測(cè)量中，可以借助與水分含量大小相關(guān)的、容易被測(cè)量的輔助參數(shù)間接得到結(jié)果。一般的人體皮膚水分測(cè)量?jī)x器是測(cè)量與電極接觸的皮膚的等效電容，即建立皮膚的水分含量與其等效電容值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)電容的大小反映水分含量的大小。但因?yàn)榈刃щ娙莸臄?shù)值一般很小，測(cè)量?jī)x器在結(jié)構(gòu)上和電路上都有嚴(yán)格的要求。例如，電極與皮膚的接觸壓力會(huì)影響到等效電容的大小，所以需要為測(cè)量探頭設(shè)計(jì)一個(gè)保證接觸壓力恒定的機(jī)械裝置。測(cè)量的探頭形狀也很大的影響著測(cè)量效果，如叉指式還是同心圓式，不同的形式間差異很大，需要在探頭上投入的成本也更多。而且，電容式的測(cè)量方法使用的激勵(lì)信號(hào)的頻率很高，一般在100KHz到幾MHz，而激勵(lì)頻率的不同對(duì)應(yīng)著皮膚響應(yīng)深度的不同，即高頻率的測(cè)量不能保證測(cè)量的對(duì)象只有角質(zhì)外層，而涉及上皮組織甚至真皮組織是不利于測(cè)量的準(zhǔn)確性的。
測(cè)量皮膚的等效電阻是水分測(cè)量的另一種常用方法。一般需要一個(gè)正弦波作為激勵(lì)源，由于影響到測(cè)量精度的問(wèn)題，正弦波不能有太大的失真，而且要很好的穩(wěn)定性，這對(duì)器件有較高的要求。同樣的原因，電阻測(cè)量方法需要的鑒相器也有較高的要求。這就使得這個(gè)方法的成本比較高，不適宜使用在便攜的領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有技術(shù)中皮膚水分測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測(cè)量頻率高、成本高的問(wèn)題。本發(fā)明人通過(guò)分析人體皮膚的組織結(jié)構(gòu)，結(jié)合對(duì)不同膚質(zhì)人體皮膚的電學(xué)性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)如果將“電極——皮膚——電極”結(jié)構(gòu)等效為一個(gè)電阻/電容網(wǎng)絡(luò)，比起簡(jiǎn)單等效為一個(gè)單純的電容或電阻，更能準(zhǔn)確地反映人體皮膚的含水量。
因此，本發(fā)明提出了一種皮膚水分測(cè)量方法，其特征在于使用兩個(gè)無(wú)表面絕緣層覆蓋的金屬電極做為測(cè)量探頭，將所述測(cè)量探頭接觸待測(cè)皮膚表面，使得待測(cè)皮膚表面直接電氣連接到RC充放電回路中，測(cè)量對(duì)象是與所述測(cè)量探頭相接觸的皮膚角質(zhì)外層的等效電阻抗值；向所述測(cè)量探頭提供的激勵(lì)信號(hào)為頻率50KHz以下的方波信號(hào)；僅使用一個(gè)電路放大元件組成放大電路對(duì)所述測(cè)量探頭接收到的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大處理；通過(guò)AD轉(zhuǎn)換方法采集上述放大后的電壓值，存儲(chǔ)在單片機(jī)中，再根據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)中的電壓值與水分含量值的關(guān)系表，查找出相應(yīng)的水分含量值。
本發(fā)明采用的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)主要由4個(gè)部分和兩個(gè)電極組成，分別是方波發(fā)生器、電容、電阻、放大元件和探頭電極。測(cè)量的探頭是兩個(gè)無(wú)表面絕緣層覆蓋的金屬電極S和M，電極S作為輸出激勵(lì)信號(hào)的源電極，它與方波發(fā)生器直接相連，由方波發(fā)生器輸出一個(gè)頻率50KHz以下的方波信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)；電極M是測(cè)量電極，接收從皮膚反射回來(lái)的響應(yīng)信號(hào)，它與所述電容、所述電阻和地依次串聯(lián)。從電容、電阻的連線處引出來(lái)接到響應(yīng)信號(hào)的放大元件的負(fù)端輸入處，經(jīng)過(guò)放大元件放大后輸出電壓值，作為測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)在單片機(jī)中。
本發(fā)明的工作原理主要是利用RC回路的充/放電性質(zhì)實(shí)現(xiàn)的。由電阻、電容組成的基本充/放電電路，其特征參數(shù)是充/放電的時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)表征了電路的基本特性，即電路中電容上的電壓變化的快慢程度。時(shí)間常數(shù)大的電路，電路中電容的電壓變化相對(duì)緩慢，也就是需要的變化時(shí)間較長(zhǎng)；反之則相反。時(shí)間常數(shù)可以由組成電路的電阻、電容計(jì)算得到，計(jì)算式子是τ＝R×C。當(dāng)電路的電阻或者電容的值發(fā)生變化時(shí)，電路的充/放電常數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)觀察、測(cè)量時(shí)間常數(shù)τ的改變量，可以得知組成電路的元件參數(shù)的改變程度，這種改變量同時(shí)反映了電阻、電容的變化。當(dāng)被測(cè)目標(biāo)的屬性是電阻和電容的聯(lián)合體時(shí)，利用充/放電電路時(shí)間常數(shù)的特性，可以達(dá)到測(cè)量目標(biāo)的電阻抗屬性的目的。本發(fā)明人通過(guò)分析人體皮膚的組織結(jié)構(gòu)，結(jié)合對(duì)不同膚質(zhì)人體皮膚的電學(xué)性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)人體皮膚的結(jié)構(gòu)在電特性上可以等價(jià)為電阻、電容串并連組成的電阻抗網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出來(lái)的總體電阻抗特性隨著皮膚水分含量的不同會(huì)出現(xiàn)很大的差異。利用充/放電電路的時(shí)間常數(shù)的變化特點(diǎn)可以將這個(gè)電阻抗網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性測(cè)量出來(lái)。
在本發(fā)明中，方波發(fā)生器、電極S、皮膚、電極M、電容、電阻和地順次串聯(lián)組成充/放電的RC回路。由方波發(fā)生器生成方波作為測(cè)量的激勵(lì)信號(hào)，由于方波的生成比較容易實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生出來(lái)的方波信號(hào)在波形上還是頻率上都可以簡(jiǎn)單而有效的控制，這就使本發(fā)明在應(yīng)用時(shí)不需要復(fù)雜的正弦波發(fā)生器作為激勵(lì)源。方波的頻率限制在50KHz以下，并且可以方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)更改，這樣能保證被測(cè)量的皮膚范圍限定在角質(zhì)外層。由于本發(fā)明的原理是把皮膚等效為電阻抗網(wǎng)絡(luò)，在測(cè)量時(shí)要把其電阻抗直接電氣連接到充/放電回路中，所以選用的測(cè)量探頭是兩個(gè)無(wú)表面絕緣層覆蓋的金屬電極。電極的放置形式可以因需要改變，可以平行放置，也可以同心圓式放置或叉指式放置；無(wú)論是哪種形式，測(cè)量時(shí)只要保證探頭電極與皮膚充分接觸即可，而不需要復(fù)雜的保持接觸壓力恒定的儀器結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)方波信號(hào)的激勵(lì)，在電容和電阻的連線處節(jié)點(diǎn)的電壓波形即是測(cè)量的響應(yīng)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)只要經(jīng)過(guò)一個(gè)放大元件的處理就能得到測(cè)量的結(jié)果。
由測(cè)量電路得到的電壓結(jié)果與皮膚的水分含量存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)儀器標(biāo)定的方法可以將這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系以數(shù)據(jù)圖表的形式存到儀器的寄存器里面，在實(shí)際使用時(shí)，由查表的方法找出測(cè)量到的電壓值對(duì)應(yīng)的水分含量值。標(biāo)定的方法是使用吸水的濾紙作為模擬人體皮膚，濾紙的水分含量一方面可以由本發(fā)明所述方法測(cè)量出電壓結(jié)果，另一方面可以通過(guò)烘干稱重的方法求出濾紙含水量絕對(duì)值。這兩個(gè)結(jié)果作比較，就可以求出本發(fā)明所述方法得到的電壓值與水分含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。標(biāo)定后通過(guò)其它成熟的皮膚水分測(cè)量?jī)x進(jìn)行實(shí)際的人體皮膚測(cè)量的評(píng)價(jià)，得到的結(jié)果令人滿意。


圖1為人體皮膚的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述方法的測(cè)量裝置示意圖。
圖3是電壓值與水分含量值的關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
圖1所示為人體皮膚的結(jié)構(gòu)圖，從表到里依次為角質(zhì)外層100(厚度5～10μm)、上皮組織200(厚度100～200μm)、真皮組織300(厚度2～4mm)和下皮組織400。其中對(duì)皮膚健康程度影響最大的是角質(zhì)外層100的水分含量，本發(fā)明所測(cè)量的對(duì)象就是角質(zhì)外層100的水分含量。
圖2為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述方法的測(cè)量裝置示意圖。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述方法的一種測(cè)量裝置，主要由4個(gè)部分和兩個(gè)電極組成，分別是方波發(fā)生器1、電容2、電阻3、放大元件4和探頭電極。由方波發(fā)生器1生成頻率50KHz以下的激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)由電極S將激勵(lì)信號(hào)輸入到被測(cè)皮膚區(qū)域5；由皮膚反射回來(lái)的響應(yīng)信號(hào)通過(guò)測(cè)量電極M接收。方波發(fā)生器1、電極S、被測(cè)皮膚區(qū)域5、電極M、電容2、電阻3和地順次串聯(lián)，組成一個(gè)RC的充/放電回路。被測(cè)皮膚的水分含量決定了回路的時(shí)間常數(shù)，這個(gè)時(shí)間常數(shù)由電容2和電阻3的連線節(jié)點(diǎn)電壓反映出來(lái)，將這個(gè)點(diǎn)的電壓信號(hào)由后續(xù)的放大元件4發(fā)大，得到大小合適的測(cè)量輸出電壓讓后面的AD轉(zhuǎn)換采集。
所述方波發(fā)生器1可以選用一個(gè)單片機(jī)控制緩沖器來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，可以采用ATMEL公司的AVR單片機(jī)芯片，這種單片機(jī)的IO端口內(nèi)部帶了緩沖器，作為輸出端口時(shí)可以輸出較大的電流；在本發(fā)明中方波發(fā)生器1可以直接由AVR單片機(jī)的IO端口實(shí)現(xiàn)，即編程使單片機(jī)管腳輸出的電壓按照設(shè)定的頻率進(jìn)行高、低電平的變化，得到的輸出信號(hào)就是一個(gè)方波激勵(lì)信號(hào)。而且，AVR單片機(jī)一般內(nèi)置了AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以采集模擬電壓信號(hào)，這樣就可以直接接收由放大元件4輸出的測(cè)量信號(hào)，而無(wú)需外加AD轉(zhuǎn)換芯片。通過(guò)單片機(jī)程序的設(shè)置，可以方便的實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)處于50KHz以下的頻率，而且可以通過(guò)改變具體的頻率值來(lái)試驗(yàn)調(diào)試頻率與測(cè)量皮膚區(qū)域范圍的關(guān)系。
測(cè)量探頭的兩個(gè)電極S和M，在使用時(shí)只要保證將被測(cè)皮膚區(qū)域有效的電氣連接到測(cè)量電路即可。所以只要使用無(wú)表面絕緣層覆蓋的不易磨損氧化的金屬材料，而不需要嚴(yán)格的電極排列方式。使用時(shí)，兩個(gè)電極可以采用平行放置方式，電極的形狀可以為矩形，極板大小為1mm×2mm，電極的材料可以選用金Au。
放大元件為模擬比較器，采用低頻放大工作方式，對(duì)所述測(cè)量探頭接收到的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大處理，如采用模擬比較器LM393就可以有效地達(dá)到本發(fā)明的要求，具體的電路實(shí)施方式可以查閱LM393的使用文檔。電壓放大為0～3V的范圍，這個(gè)電壓由AVR單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換通道采集。
圖3是電壓值與水分含量值的關(guān)系示意圖。圖中Vo是由測(cè)量電路得到的經(jīng)放大的電壓值，其數(shù)值大小與具體儀器的放大倍數(shù)等參數(shù)有關(guān)；M是水分含量值。圖中的點(diǎn)是通過(guò)標(biāo)定找到的，對(duì)吸水濾紙樣品運(yùn)用本發(fā)明方法測(cè)量得到測(cè)量電壓Vo、運(yùn)用烘干稱重的方法得到對(duì)應(yīng)的水分含量值，由此可以畫出圖中的標(biāo)定點(diǎn)。在此圖中將電壓值與水分含量值的關(guān)系用直線進(jìn)行擬合，將這個(gè)線性關(guān)系以圖表形式存儲(chǔ)到AVR單片機(jī)的EEPROM中。
下面描述一個(gè)采用上述裝置進(jìn)行皮膚水分測(cè)量的實(shí)例。
首先，將上述電極S和M平行放置，接觸待測(cè)皮膚表面，使得待測(cè)皮膚表面直接電氣連接到RC充放電回路中，以檢測(cè)角質(zhì)外層的等效電阻抗值；利用AVR單片機(jī)向電極S和M提供的激勵(lì)信號(hào)為頻率30KHz的方波信號(hào)；使用模擬比較器LM393對(duì)電極S和M接收到的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大處理；通過(guò)AD轉(zhuǎn)換方法采集上述放大后的電壓值“200mV”，存儲(chǔ)在AVR單片機(jī)中。根據(jù)圖3的電壓值與水分含量值的對(duì)應(yīng)關(guān)系查找得到電壓值“200mV”對(duì)應(yīng)的水分含量值“37％”，這就是測(cè)量需要得到的最后結(jié)果，之后可以通過(guò)LCD顯示出來(lái)。
從上述實(shí)例可以看出，與一般的電容式或電阻式的皮膚水分測(cè)量方法相比，本發(fā)明使用的測(cè)量探頭不需要保持恒定壓力等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器的要求較低，后續(xù)測(cè)量信號(hào)的放大部分只需要一個(gè)放大元件就可以實(shí)現(xiàn)，而且50KHz以下的測(cè)量頻率可以保證測(cè)量的皮膚區(qū)域在角質(zhì)外層區(qū)域。所以，本發(fā)明在測(cè)量原理、器件結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)成本上優(yōu)于一般的皮膚水分測(cè)量方法。
權(quán)利要求
1.一種皮膚水分測(cè)量方法，其特征在于使用兩個(gè)無(wú)表面絕緣層覆蓋的金屬電極做為測(cè)量探頭，將所述測(cè)量探頭接觸待測(cè)皮膚表面，使得待測(cè)皮膚表面直接電氣連接到RC充放電回路中，測(cè)量對(duì)象是與所述測(cè)量探頭相接觸的皮膚角質(zhì)外層的等效電阻抗值；向所述測(cè)量探頭提供的激勵(lì)信號(hào)為頻率50KHz以下的方波信號(hào)；僅使用一個(gè)電路放大元件組成放大電路對(duì)所述測(cè)量探頭接收到的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大處理；通過(guò)AD轉(zhuǎn)換方法采集上述放大后的電壓值，存儲(chǔ)在單片機(jī)中，再根據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)中的電壓值與水分含量值的關(guān)系表，查找出相應(yīng)的水分含量值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的皮膚水分測(cè)量方法，其特征在于所述放大電路采用模擬比較器的低頻放大工作方式，對(duì)所述測(cè)量探頭接收到的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的皮膚水分測(cè)量方法，其特征在于所述激勵(lì)信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生和控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的皮膚水分測(cè)量方法，其特征在于所述的兩個(gè)金屬電極平行放置、同心圓式放置或叉指式放置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的皮膚水分測(cè)量方法，其特征在于所述的兩個(gè)金屬電極是矩形的。
全文摘要
一種皮膚水分測(cè)量方法，屬于生物電阻抗測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中皮膚水分測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測(cè)量頻率高、成本高的問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種皮膚水分測(cè)量方法，其特征在于使用兩個(gè)無(wú)表面絕緣層覆蓋的金屬電極做為測(cè)量探頭，將探頭接觸待測(cè)皮膚表面以測(cè)量角質(zhì)外層的等效電阻抗值；向探頭提供的頻率50KHz以下的方波信號(hào)；僅使用一個(gè)電路放大元件組成放大電路對(duì)所述測(cè)量探頭接收到的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大處理；通過(guò)AD轉(zhuǎn)換方法采集上述放大后的電壓值，存儲(chǔ)在單片機(jī)中，再根據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)中的電壓值與水分含量值的關(guān)系表，查找出相應(yīng)的水分含量值。本發(fā)明在測(cè)量原理、器件結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)成本上明顯優(yōu)于一般的皮膚水分測(cè)量方法。
文檔編號(hào)A61B5/05GK1686048SQ20051001187
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月6日
發(fā)明者董永貴, 周國(guó)麟, 呂文爾 申請(qǐng)人:清華大學(xué)