表示高頻下皮膚阻抗響應的人體皮膚阻抗模型的製作方法
2023-10-09 17:54:44 1
專利名稱：表示高頻下皮膚阻抗響應的人體皮膚阻抗模型的製作方法
技術領域：
本發明涉及身體的構成分析，尤其涉及表示高頻段下皮膚阻抗響應的人體皮膚阻抗模型。
背景技術：
通過測量人體的身體電阻抗(以後稱為「阻抗」)，可以估計皮膚的狀況，可以測量身體的脂肪量，可以測量皮膚上的藥物滲透程度，或檢查皮膚對於刺激的反映。圖1是使用等效電路解釋活體細胞結構的示意圖。參考圖1，由於每個細胞的形狀和大小不同，可以看出當每個細胞表示為RC等效電路時，時間常數(RC)之間存在微小的差別。更具體地，第一細胞可以具有第一時間常數R1和C1，第二細胞可以具有第二時間常數R2和C2，等等。
圖2顯示了由Cole提出的現有的皮膚阻抗模型圖。圖3是顯示Cole阻抗模型表示在復阻抗軌跡上的活體阻抗軌跡圖。低頻時，該阻抗位於復阻抗平面上的R0，當角頻率(ω)增加時，阻抗形成半圓形軌跡。最後，在高頻下，阻抗收斂於R∞。
Cole阻抗模型使用一種稱為固定相元件(constant phase element，CPE)的裝置和電阻器。CPE為具有介於電阻器和電容器之間的特性的裝置，能夠用下面的方程式1表示ZCPE＝k(jω)-α......(1)其中k表示固定相元件(CPE)在角頻率ω＝1rad/s時的振幅，α表示介於電阻器特性和電容器特性之間的特性，例如在人體皮膚中為0.5-1。
用於包括CPE裝置的Cole模型的公式可以表示為下面的方程式2Z=R+R0-R1+(R0-R)(ZCPE)-1=R+R0-R1+R0-Rk(j)---(2)]]>方程式2用作活體阻抗的基本模型。
當用於Cole阻抗模型的合適參數設定之後，如果從1Hz到10KHz的阻抗值的模擬結果表示在復阻抗平面上，就能夠獲得如圖4所示的阻抗軌跡。
由於阻抗在10KHz或更高的頻率下收斂於R∞，因此很難將阻抗數據表示在復阻抗平面上。為了觀察高頻段下皮膚阻抗特性，例如數十KHz以上，數據可以表示在復導納平面上。如果從1Hz到10KHz的數據表示在復導納平面上，就能夠獲得如圖5所示的近似直線的圖形，其不會形成完整的半圓軌跡。
在使用Cole阻抗模型模擬達到2MHz後，如果皮膚阻抗表示在復阻抗平面上，就能夠得到如圖6所示的半圓軌跡。因此，為了觀察高頻區域的皮膚阻抗特性，測量的數據或模擬結果應當表示在復導納平面。
皮膚是活體的特定部分，在活體阻抗研究中，皮膚阻抗特性的研究也積極地進行。其中，由Kontturi提出的另一種現有皮膚阻抗模型如圖7所示，在該模型中皮膚阻抗模型化為電元件。圖7的皮膚阻抗模型能夠表示為下面的方程式3Zkontturi=kR1R2(j)-+kL(R1+R2)(j)1-R1R2+jL(R1+R2)+kR2j-+kL(j)1----(3)]]>如上所述，當測量的皮膚阻抗數據表示在復阻抗平面上時，低頻區域的軌跡不會形成完整的半圓，而是形成軌跡的一端部分開放的圓形軌跡。為了解決這個問題，Kontturi通過在現有的Cole阻抗模型上增加電阻和電感而增強了皮膚阻抗響應的特性。
因為用於Kontturi皮膚阻抗模型的測量頻率最大值是10KHz，因此不考慮更高頻率時的皮膚阻抗特性。
表示在復阻抗平面上的、使用Kontturi皮膚阻抗模型的模擬結果如圖8所示。圖8的圖形沒有顯示完整的軌跡，而是顯示了低頻區域部分開放的形狀。因此，Kontturi皮膚阻抗模型精確地表示了在低頻區域的皮膚阻抗響應。
然而，如果通過模擬獲得2MHz的響應，它表示在復阻抗平面上，如圖8一樣，那麼就不能識別高頻區域的特性。如果模擬結果表示在復導納平面，可以獲得如圖9所示的近似直線的圖形。
實際上，如果為了識別皮膚的頻率響應，可以測量達到2MHz的皮膚阻抗數據，並將其表示在復導納平面上，如圖10所示，導納在數十MHz的高頻段增加。
對比圖9和10，可以看出Kontturi阻抗模型也不能精確地表示高頻段下皮膚的響應。
發明內容
本發明涉及一種表示高頻段下皮膚響應特性的皮膚阻抗模型，例如兆赫茲級(MHz)的頻段。
根據本發明的第一實施例，提供了活體預定部分的皮膚阻抗模型，該部分是將要測量的對象，其中皮膚阻抗模型通過在預定部分兩端之間通入預定電流和測量這兩端之間的電壓進行估計，該模型包括第一區域、第二區域和第三區域。第一區域具有並聯的第一電阻器和第一固定相元件(CPE)；第二區域具有並聯的第二電阻器和第二CPE，以及第三電阻器，其中第三電阻器串聯到第二電阻器和第二CPE的並聯線路上；第三區域具有並聯的第四電阻器和第三CPE。其中第二區域和第三區域並聯，並通過第五電阻器與第一區域串聯。
優選地，第一區域表示預定部分的表皮阻抗。優選地，第二區域表示預定部分皮膚的真皮組分中膜和細胞間液的阻抗。優選地，第三區域表示預定部分皮膚的真皮組分中細胞間液的阻抗。
根據本發明的第二實施例，提供了活體預定部分的皮膚阻抗模型，該部分是將要測量的對象，其中皮膚阻抗模型通過在預定部分兩端之間通入預定電流和測量這兩端之間的電壓進行估計，該模型包括第一區域、第二區域和第三區域。第一區域具有並聯的第一電阻器和第一固定相元件(CPE)；第二區域具有並聯的第二電阻器和第二CPE，以及第三電阻器，其中第三電阻器串聯到第二電阻器和第二CPE的並聯線路上；第三區域具有並聯的第四電阻器和第三CPE。其中第二區域和第三區域並聯，並與第一區域串聯。
根據本發明的第三實施例，提供了活體預定部分的皮膚阻抗模型，該部分是將要測量的對象，其中皮膚阻抗模型通過在預定部分兩端之間通入預定電流和測量這兩端之間的電壓進行估計，該模型包括第一區域、第二區域和第三區域。第一區域具有並聯的第一電阻器和第一固定相元件(CPE)；第二區域具有並聯的第二電阻器和第二CPE，以及第三電阻器，其中第三電阻器串聯到第二電阻器和第二CPE的並聯線路上；第三區域具有第三CPE。其中第二區域和第三區域並聯，並與第一區域串聯。
更一般地，本發明提供了活體預定部分的皮膚阻抗模型，該部分是將要測量的對象，其中皮膚阻抗模型通過在預定部分兩端之間通入預定電流和測量這兩端之間的電壓進行估計，該模型包括第一區域、第二區域和第三區域。第一區域表示預定部分的表皮阻抗；第二區域表示預定部分皮膚的真皮組分中的膜和細胞間液的阻抗；第三區域表示預定部分皮膚的真皮組分中的細胞間液阻抗。其中第二區域和第三區域並聯，並與第一區域串聯。
在本發明的第一實施例中，第一區域具有並聯的第一電阻器和第一固定相元件(CPE)；第二區域具有並聯的第二電阻器和第二CPE，以及第三電阻器，其中第三電阻器串聯到第二電阻器和第二CPE的並聯線路上；第三區域具有並聯的第四電阻器和第三CPE。其中第二區域和第三區域通過第五電阻器與第一區域串聯。
在本發明的第二實施例中，第一區域具有並聯的第一電阻器和第一固定相元件(CPE)；第二區域具有並聯的第二電阻器和第二CPE，以及第三電阻器，其中第三電阻器串聯到第二電阻器和第二CPE的並聯線路上；第三區域具有並聯的第四電阻器和第三CPE。
在本發明的第三實施例中，第一區域具有並聯的第一電阻器和第一固定相元件(CPE)；第二區域具有並聯的第二電阻器和第二CPE，以及第三電阻器，其中第三電阻器串聯到第二電阻器和第二CPE的並聯線路上；第三區域具有第三CPE。
在本發明的任何上述實施例中，皮膚阻抗模型可以從使用三電極法在預定部分中測量的數據獲得。而且，皮膚阻抗模型可以表示為Z=R1k1(j)-1R1+k1(j)-1+R2R3R4k2(j)-2+R2(R3+R4)k2k3(j)-(2++3)R2R3R4+(R2R3+R3R4)k2(j)-2+R2(R3+R4)k2k3(j)-3+(R2+R3+R4)k2k3(j)-(2+3)]]>
參考附圖中優選實施例的具體描述，本領域技術人員將容易理解本發明的上述和其它特徵，其中圖1是使用等效電路圖解釋活體細胞結構的示圖；圖2顯示了Cole提出的現有皮膚阻抗模型圖；圖3為顯示Cole阻抗模型表示在復阻抗軌跡上的活體阻抗軌跡的圖；圖4為顯示使用Cole阻抗模型將從1Hz到10KHz阻抗值的模擬結果表示在復阻抗平面的示圖；圖5為顯示使用Cole阻抗模型將從1Hz到10KHz獲得的數據表示在復導納平面的示圖；圖6為顯示達到2MHz的頻段下使用Cole阻抗模型將模擬結果表示在復導納平面的示圖；圖7為顯示Kontturi提出的另一現有的皮膚阻抗模型的圖；圖8為顯示使用Kontturi皮膚阻抗模型將模擬結果表示在復阻抗平面的示圖；圖9為顯示使用Kontturi皮膚阻抗模型將從1Hz到2MHz模擬結果表示在復導納平面的示圖；圖10是為了測試皮膚的頻率響應，從1Hz到2MHz測量的皮膚阻抗數據表示在復導納平面的示圖；圖11是顯示根據本發明第一實施例的皮膚阻抗模型的圖；圖12是顯示用於測量皮膚阻抗的三電極法的示圖；圖13是顯示三電極法測量的皮膚阻抗數據的表；圖14是顯示根據本發明第二實施例的皮膚阻抗模型的圖；和圖15是顯示根據本發明第三實施例的皮膚阻抗模型的圖。
具體實施例方式
申請日為2003年11月17日、發明名稱為「表示高頻下皮膚阻抗的人體皮膚阻抗模型」的韓國專利申請2003-81101作為參考全部包含在本發明中。
從現在開始將參考附圖更全面地描述本發明，其中本發明的優選實施例在附圖中示出。然而本發明可以具有不同形式的實施例，不能解釋為將本發明限定在這裡提出的實施例中。而是提供這些實施例，能夠使公開透徹和完整，能夠對本領域技術人員充分地傳達本發明的範圍。相同的標號和字符在全文中表示相同的元件。
圖11是顯示根據本發明第一實施例的皮膚阻抗模型的圖，通過分析使用如圖12所示的三電極法測量的皮膚阻抗數據而得到該模型。在該三電極法中，通過在第一接線端1和第三接線端3之間提供預定的電流(1)，可以測量在第二接線端2和第三接線端3之間形成的電壓(V)。圖13是顯示在1kHz到2MHz的頻段下在三十六個(36)頻率點上前臂部分的皮膚阻抗數據表。
圖11中在第二和第三接線端2和3之間的皮膚阻抗模型110從圖13的皮膚阻抗數據獲得，該模型由第一區域A、第二區域B和第三區域C表示。第一區域A是表示表皮阻抗的部分，其中第一電阻器R1和第一CPE ZCPE1並聯。第二區域B是表示皮膚的真皮組分中膜和細胞間液的部分，其中第二電阻器R2和第二CPE ZCPE2並聯，然後串聯到第三電阻器R3上。第三區域C是表示皮膚的真皮組分中細胞間液的部分，其中第四電阻器R4和第三CPE ZCPE3並聯。第二區域B和第三區域C並聯，然後通過第五電阻器R5串聯到第一區域A。該皮膚阻抗模型110可以表示為下面的方程式4Z=R1k1(j)-1R1+k1(j)-1+R2R3R4k2(j)-2+R2(R3+R4)k2k3(j)-(2+3)R2R3R4+(R2R3+R3R4)k2(j)-2+R2(R3+R4)k2k3(j)-3+(R2+R3+R4)k2k3(j)-(2+3)---(4)]]>用於該皮膚阻抗模型110的參數和誤差如表1所示表1
圖14是解釋本發明第二實施例的皮膚阻抗模型的示圖。參考圖14，皮膚阻抗模型140包括第一區域A、第二區域B和第三區域C。在第一區域A中第一電阻器R1與第一CPE ZCPE1並聯，在第二區域B中第二電阻器R2和第二CPE ZCPE2並聯，然後串聯第三電阻器R3，在第三區域C中第四電阻器R4和第三CPE ZCPE3並聯。第二區域B和第三區域C並聯，然後串聯到第一區域A。與第一實施例相比，本發明第二實施例的皮膚阻抗模型140是簡化的模型，可以通過去除圖11所示的第一實施例的皮膚阻抗模型110中的第五電阻器R5獲得。
用於皮膚阻抗模型140的參數和誤差如表2所示
表2
圖15是解釋本發明第三實施例的皮膚阻抗模型的示圖。參考圖15，皮膚阻抗模型150包括第一區域A、第二區域B和第三區域C′。在第一區域A中第一電阻器R1與第一CPE ZCPE1並聯，在第二區域B中第二電阻器R2和第二CPE ZCPE2並聯，然後串聯第三電阻器R3，第三區域C′具有第三CPE ZCPE3。第二區域B和第三區域C′並聯，然後串聯到第一區域A。與第一和第二實施例相比，本發明的第三實施例的皮膚阻抗模型150是最簡化的模型，通過在圖14所示的本發明第二實施例的皮膚阻抗模型140的第二電阻器R2和第三電阻器R3中包含第四電阻器R4的特性而得到上述模型。
用於皮膚阻抗模型150的參數和誤差如表3所示
表3
因此，應該可以看出在本發明實施例的皮膚阻抗模型中，產生大約4E-6的小x2誤差，因此能精確地表示圖13中測量的皮膚阻抗數據。
本發明公開了優選的實施例，儘管使用了特定的術語，但它們只是以一般和描述的方式進行說明，而不是為了限定。因此，本領域技術人員應當可以理解，任何形式和細節的變化都不超出權利要求所體現的本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種活體預定部分的皮膚阻抗模型，該部分是將要測量的對象，其中皮膚阻抗模型通過在預定部分兩端之間通入預定電流和測量這兩端之間的電壓進行估計，該模型包括第一區域，其具有並聯的第一電阻器和第一固定相元件(CPE)；第二區域，其具有並聯的第二電阻器和第二CPE，以及第三電阻器，其中第三電阻器串聯到第二電阻器和第二CPE的並聯線路上；和第三區域，其具有並聯的第四電阻器和第三CPE，其中第二區域和第三區域並聯，並通過第五電阻器與第一區域串聯。
2.如權利要求1所述的皮膚阻抗模型，其特徵在於第一區域表示預定部分的表皮阻抗。
3.如權利要求1所述的皮膚阻抗模型，其特徵在於第二區域表示預定部分皮膚的真皮組分中膜和細胞間液的阻抗。
4.如權利要求1所述的皮膚阻抗模型，其特徵在於第三區域表示預定部分的真皮組分中細胞間液的阻抗。
5.如權利要求1所述的皮膚阻抗模型，其特徵在於皮膚阻抗模型從使用三電極法在預定部分中測量的數據獲得。
6.如權利要求1所述的皮膚阻抗模型，其中皮膚阻抗模型表示為Z=R1k1(j)-1R1+k1(j)-1+R2R3R4k2(j)-2+R2(R3+R4)k2k3(j)-(2+3)R2R3R4+(R2R3+R3R4)k2(j)-2+R2(R3+R4)k2k3(j)-3+(R2+R3+R4)k2k3(j)-(2+3)]]>
7.一種活體預定部分的皮膚阻抗模型，該部分是將要測量的對象，其中皮膚阻抗模型通過在預定部分兩端之間通入預定電流和測量這兩端之間的電壓進行估計，該模型包括第一區域，其具有並聯的第一電阻器和第一固定相元件(CPE)；第二區域，其具有並聯的第二電阻器和第二CPE，以及第三電阻器，其中第三電阻器串聯到第二電阻器和第二CPE的並聯線路上；和第三區域，其具有並聯的第四電阻器和第三CPE，其中第二區域和第三區域並聯，並與第一區域串聯。
8.如權利要求7所述的皮膚阻抗模型，其特徵在於皮膚阻抗模型從使用三電極法在預定部分中測量的數據獲得。
9.如權利要求7所述的皮膚阻抗模型，其中皮膚阻抗模型表示為Z=R1k1(j)-1R1+k1(j)-1+R2R3R4k2(j)-2+R2(R3+R4)k2k3(j)-(2+3)R2R3R4+(R2R3+R3R4)k2(j)-2+R2(R3+R4)k2k3(j)-3+(R2+R3+R4)k2k3(j)-(2+3)]]>
10.一種活體預定部分的皮膚阻抗模型，該部分是將要測量的對象，其中皮膚阻抗模型通過在預定部分兩端之間通入預定電流和測量這兩端之間的電壓進行估計，該模型包括第一區域，其具有並聯的第一電阻器和第一固定相元件(CPE)；第二區域，其具有並聯的第二電阻器和第二CPE，以及第三電阻器，其中第三電阻器串聯到第二電阻器和第二CPE的並聯線路上；和第三區域，其具有第三CPE，其中第二區域和第三區域並聯，並與第一區域串聯。
11.如權利要求10所述的皮膚阻抗模型，其特徵在於皮膚阻抗模型從使用三電極法在預定部分中測量的數據獲得。
12.如權利要求10所述的皮膚阻抗模型，其中皮膚阻抗模型表示為Z=R1k1(j)-1R1+k1(j)-1+R2R3R4k2(j)-2+R2(R3+R4)k2k3(j)-(2+3)R2R3R4+(R2R3+R3R4)k2(j)-2+R2(R3+R4)k2k3(j)-3+(R2+R3+R4)k2k3(j)-(2+3)]]>
13.一種活體預定部分的皮膚阻抗模型，該部分是將要測量的對象，其中皮膚阻抗模型通過在預定部分兩端之間通入預定電流和測量這兩端之間的電壓進行估計，該模型包括第一區域，其表示預定部分的表皮阻抗；第二區域，其表示預定部分皮膚的真皮組分中膜和細胞間液的阻抗；和第三區域，其表示預定部分的真皮組分中細胞間液的阻抗；其中第二區域和第三區域並聯，並與第一區域串聯。
14.如權利要求13所述的皮膚阻抗模型，其特徵在於第一區域具有並聯的第一電阻器和第一固定相元件(CPE)；第二區域具有並聯的第二電阻器和第二CPE，以及第三電阻器，其中第三電阻器串聯到第二電阻器和第二CPE的並聯線路上；第三區域具有並聯的第四電阻器和第三CPE；其中第二區域和第三區域通過第五電阻器與第一區域串聯。
15.如權利要求13所述的皮膚阻抗模型，其特徵在於第一區域具有並聯的第一電阻器和第一固定相元件(CPE)；第二區域具有並聯的第二電阻器和第二CPE，以及第三電阻器，其中第三電阻器串聯到第二電阻器和第二CPE的並聯線路上；第三區域具有並聯的第四電阻器和第三CPE。
16.如權利要求13所述的皮膚阻抗模型，其特徵在於第一區域具有並聯的第一電阻器和第一固定相元件(CPE)；第二區域具有並聯的第二電阻器和第二CPE，以及第三電阻器，其中第三電阻器串聯到第二電阻器和第二CPE的並聯線路上；第三區域具有第三CPE。
17.如權利要求13所述的皮膚阻抗模型，其特徵在於皮膚阻抗模型從使用三電極法在預定部分中測量的數據獲得。
18.如權利要求13所述的皮膚阻抗模型，其中皮膚阻抗模型表示為Z=R1k1(j)-1R1+k1(j)-1+R2R3R4k2(j)-2+R2(R3+R4)k2k3(j)-(2+3)R2R3R4+(R2R3+R3R4)k2(j)-2+R2(R3+R4)k2k3(j)-3+(R2+R3+R4)k2k3(j)-(2+3)]]>
全文摘要
一種活體預定部分的皮膚阻抗模型，該部分是將要測量的對象，其中皮膚阻抗模型通過在預定部分兩端之間通入預定電流和測量這兩端之間的電壓進行估計，該模型包括第一區域，其具有並聯的第一電阻器和第一固定相元件(CPE)；第二區域，其具有並聯的第二電阻器和第二CPE，以及第三電阻器，其中第三電阻器串聯到第二電阻器和第二CPE的並聯線路上；和第三區域，其具有並聯的第四電阻器和第三CPE；其中第二區域和第三區域並聯，並通過第五電阻器與第一區域串聯。
文檔編號A61B5/053GK1618397SQ20041010382
公開日2005年5月25日 申請日期2004年11月17日 優先權日2003年11月17日
發明者張佑榮, 曹辰鎬, 申尚勳, 李政佑 申請人:三星電子株式會社