专利名称：表示高频下皮肤阻抗响应的人体皮肤阻抗模型的制作方法
技术领域：
本发明涉及身体的构成分析，尤其涉及表示高频段下皮肤阻抗响应的人体皮肤阻抗模型。
背景技术：
通过测量人体的身体电阻抗(以后称为“阻抗”)，可以估计皮肤的状况，可以测量身体的脂肪量，可以测量皮肤上的药物渗透程度，或检查皮肤对于刺激的反映。图1是使用等效电路解释活体细胞结构的示意图。参考图1，由于每个细胞的形状和大小不同，可以看出当每个细胞表示为RC等效电路时，时间常数(RC)之间存在微小的差别。更具体地，第一细胞可以具有第一时间常数R1和C1，第二细胞可以具有第二时间常数R2和C2，等等。
图2显示了由Cole提出的现有的皮肤阻抗模型图。图3是显示Cole阻抗模型表示在复阻抗轨迹上的活体阻抗轨迹图。低频时，该阻抗位于复阻抗平面上的R0，当角频率(ω)增加时，阻抗形成半圆形轨迹。最后，在高频下，阻抗收敛于R∞。
Cole阻抗模型使用一种称为固定相元件(constant phase element，CPE)的装置和电阻器。CPE为具有介于电阻器和电容器之间的特性的装置，能够用下面的方程式1表示ZCPE＝k(jω)-α......(1)其中k表示固定相元件(CPE)在角频率ω＝1rad/s时的振幅，α表示介于电阻器特性和电容器特性之间的特性，例如在人体皮肤中为0.5-1。
用于包括CPE装置的Cole模型的公式可以表示为下面的方程式2Z=R∞+R0-R∞1+(R0-R∞)(ZCPE)-1=R∞+R0-R∞1+R0-R∞k(jω)α---(2)]]>方程式2用作活体阻抗的基本模型。
当用于Cole阻抗模型的合适参数设定之后，如果从1Hz到10KHz的阻抗值的模拟结果表示在复阻抗平面上，就能够获得如图4所示的阻抗轨迹。
由于阻抗在10KHz或更高的频率下收敛于R∞，因此很难将阻抗数据表示在复阻抗平面上。为了观察高频段下皮肤阻抗特性，例如数十KHz以上，数据可以表示在复导纳平面上。如果从1Hz到10KHz的数据表示在复导纳平面上，就能够获得如图5所示的近似直线的图形，其不会形成完整的半圆轨迹。
在使用Cole阻抗模型模拟达到2MHz后，如果皮肤阻抗表示在复阻抗平面上，就能够得到如图6所示的半圆轨迹。因此，为了观察高频区域的皮肤阻抗特性，测量的数据或模拟结果应当表示在复导纳平面。
皮肤是活体的特定部分，在活体阻抗研究中，皮肤阻抗特性的研究也积极地进行。其中，由Kontturi提出的另一种现有皮肤阻抗模型如图7所示，在该模型中皮肤阻抗模型化为电元件。图7的皮肤阻抗模型能够表示为下面的方程式3Zkontturi=kR1R2(jω)-α+kL(R1+R2)(jω)1-αR1R2+jωL(R1+R2)+kR2jω-α+kL(jω)1-α---(3)]]>如上所述，当测量的皮肤阻抗数据表示在复阻抗平面上时，低频区域的轨迹不会形成完整的半圆，而是形成轨迹的一端部分开放的圆形轨迹。为了解决这个问题，Kontturi通过在现有的Cole阻抗模型上增加电阻和电感而增强了皮肤阻抗响应的特性。
因为用于Kontturi皮肤阻抗模型的测量频率最大值是10KHz，因此不考虑更高频率时的皮肤阻抗特性。
表示在复阻抗平面上的、使用Kontturi皮肤阻抗模型的模拟结果如图8所示。图8的图形没有显示完整的轨迹，而是显示了低频区域部分开放的形状。因此，Kontturi皮肤阻抗模型精确地表示了在低频区域的皮肤阻抗响应。
然而，如果通过模拟获得2MHz的响应，它表示在复阻抗平面上，如图8一样，那么就不能识别高频区域的特性。如果模拟结果表示在复导纳平面，可以获得如图9所示的近似直线的图形。
实际上，如果为了识别皮肤的频率响应，可以测量达到2MHz的皮肤阻抗数据，并将其表示在复导纳平面上，如图10所示，导纳在数十MHz的高频段增加。
对比图9和10，可以看出Kontturi阻抗模型也不能精确地表示高频段下皮肤的响应。
发明内容
本发明涉及一种表示高频段下皮肤响应特性的皮肤阻抗模型，例如兆赫兹级(MHz)的频段。
根据本发明的第一实施例，提供了活体预定部分的皮肤阻抗模型，该部分是将要测量的对象，其中皮肤阻抗模型通过在预定部分两端之间通入预定电流和测量这两端之间的电压进行估计，该模型包括第一区域、第二区域和第三区域。第一区域具有并联的第一电阻器和第一固定相元件(CPE)；第二区域具有并联的第二电阻器和第二CPE，以及第三电阻器，其中第三电阻器串联到第二电阻器和第二CPE的并联线路上；第三区域具有并联的第四电阻器和第三CPE。其中第二区域和第三区域并联，并通过第五电阻器与第一区域串联。
优选地，第一区域表示预定部分的表皮阻抗。优选地，第二区域表示预定部分皮肤的真皮组分中膜和细胞间液的阻抗。优选地，第三区域表示预定部分皮肤的真皮组分中细胞间液的阻抗。
根据本发明的第二实施例，提供了活体预定部分的皮肤阻抗模型，该部分是将要测量的对象，其中皮肤阻抗模型通过在预定部分两端之间通入预定电流和测量这两端之间的电压进行估计，该模型包括第一区域、第二区域和第三区域。第一区域具有并联的第一电阻器和第一固定相元件(CPE)；第二区域具有并联的第二电阻器和第二CPE，以及第三电阻器，其中第三电阻器串联到第二电阻器和第二CPE的并联线路上；第三区域具有并联的第四电阻器和第三CPE。其中第二区域和第三区域并联，并与第一区域串联。
根据本发明的第三实施例，提供了活体预定部分的皮肤阻抗模型，该部分是将要测量的对象，其中皮肤阻抗模型通过在预定部分两端之间通入预定电流和测量这两端之间的电压进行估计，该模型包括第一区域、第二区域和第三区域。第一区域具有并联的第一电阻器和第一固定相元件(CPE)；第二区域具有并联的第二电阻器和第二CPE，以及第三电阻器，其中第三电阻器串联到第二电阻器和第二CPE的并联线路上；第三区域具有第三CPE。其中第二区域和第三区域并联，并与第一区域串联。
更一般地，本发明提供了活体预定部分的皮肤阻抗模型，该部分是将要测量的对象，其中皮肤阻抗模型通过在预定部分两端之间通入预定电流和测量这两端之间的电压进行估计，该模型包括第一区域、第二区域和第三区域。第一区域表示预定部分的表皮阻抗；第二区域表示预定部分皮肤的真皮组分中的膜和细胞间液的阻抗；第三区域表示预定部分皮肤的真皮组分中的细胞间液阻抗。其中第二区域和第三区域并联，并与第一区域串联。
在本发明的第一实施例中，第一区域具有并联的第一电阻器和第一固定相元件(CPE)；第二区域具有并联的第二电阻器和第二CPE，以及第三电阻器，其中第三电阻器串联到第二电阻器和第二CPE的并联线路上；第三区域具有并联的第四电阻器和第三CPE。其中第二区域和第三区域通过第五电阻器与第一区域串联。
在本发明的第二实施例中，第一区域具有并联的第一电阻器和第一固定相元件(CPE)；第二区域具有并联的第二电阻器和第二CPE，以及第三电阻器，其中第三电阻器串联到第二电阻器和第二CPE的并联线路上；第三区域具有并联的第四电阻器和第三CPE。
在本发明的第三实施例中，第一区域具有并联的第一电阻器和第一固定相元件(CPE)；第二区域具有并联的第二电阻器和第二CPE，以及第三电阻器，其中第三电阻器串联到第二电阻器和第二CPE的并联线路上；第三区域具有第三CPE。
在本发明的任何上述实施例中，皮肤阻抗模型可以从使用三电极法在预定部分中测量的数据获得。而且，皮肤阻抗模型可以表示为Z=R1k1(jω)-α1R1+k1(jω)-α1+R2R3R4k2(jω)-α2+R2(R3+R4)k2k3(jω)-(α2++α3)R2R3R4+(R2R3+R3R4)k2(jω)-α2+R2(R3+R4)k2k3(jω)-α3+(R2+R3+R4)k2k3(jω)-(α2+α3)]]>
参考附图中优选实施例的具体描述，本领域技术人员将容易理解本发明的上述和其它特征，其中图1是使用等效电路图解释活体细胞结构的示图；图2显示了Cole提出的现有皮肤阻抗模型图；图3为显示Cole阻抗模型表示在复阻抗轨迹上的活体阻抗轨迹的图；图4为显示使用Cole阻抗模型将从1Hz到10KHz阻抗值的模拟结果表示在复阻抗平面的示图；图5为显示使用Cole阻抗模型将从1Hz到10KHz获得的数据表示在复导纳平面的示图；图6为显示达到2MHz的频段下使用Cole阻抗模型将模拟结果表示在复导纳平面的示图；图7为显示Kontturi提出的另一现有的皮肤阻抗模型的图；图8为显示使用Kontturi皮肤阻抗模型将模拟结果表示在复阻抗平面的示图；图9为显示使用Kontturi皮肤阻抗模型将从1Hz到2MHz模拟结果表示在复导纳平面的示图；图10是为了测试皮肤的频率响应，从1Hz到2MHz测量的皮肤阻抗数据表示在复导纳平面的示图；图11是显示根据本发明第一实施例的皮肤阻抗模型的图；图12是显示用于测量皮肤阻抗的三电极法的示图；图13是显示三电极法测量的皮肤阻抗数据的表；图14是显示根据本发明第二实施例的皮肤阻抗模型的图；和图15是显示根据本发明第三实施例的皮肤阻抗模型的图。
具体实施例方式
申请日为2003年11月17日、发明名称为“表示高频下皮肤阻抗的人体皮肤阻抗模型”的韩国专利申请2003-81101作为参考全部包含在本发明中。
从现在开始将参考附图更全面地描述本发明，其中本发明的优选实施例在附图中示出。然而本发明可以具有不同形式的实施例，不能解释为将本发明限定在这里提出的实施例中。而是提供这些实施例，能够使公开透彻和完整，能够对本领域技术人员充分地传达本发明的范围。相同的标号和字符在全文中表示相同的元件。
图11是显示根据本发明第一实施例的皮肤阻抗模型的图，通过分析使用如图12所示的三电极法测量的皮肤阻抗数据而得到该模型。在该三电极法中，通过在第一接线端1和第三接线端3之间提供预定的电流(1)，可以测量在第二接线端2和第三接线端3之间形成的电压(V)。图13是显示在1kHz到2MHz的频段下在三十六个(36)频率点上前臂部分的皮肤阻抗数据表。
图11中在第二和第三接线端2和3之间的皮肤阻抗模型110从图13的皮肤阻抗数据获得，该模型由第一区域A、第二区域B和第三区域C表示。第一区域A是表示表皮阻抗的部分，其中第一电阻器R1和第一CPE ZCPE1并联。第二区域B是表示皮肤的真皮组分中膜和细胞间液的部分，其中第二电阻器R2和第二CPE ZCPE2并联，然后串联到第三电阻器R3上。第三区域C是表示皮肤的真皮组分中细胞间液的部分，其中第四电阻器R4和第三CPE ZCPE3并联。第二区域B和第三区域C并联，然后通过第五电阻器R5串联到第一区域A。该皮肤阻抗模型110可以表示为下面的方程式4Z=R1k1(jω)-α1R1+k1(jω)-α1+R2R3R4k2(jω)-α2+R2(R3+R4)k2k3(jω)-(α2+α3)R2R3R4+(R2R3+R3R4)k2(jω)-α2+R2(R3+R4)k2k3(jω)-α3+(R2+R3+R4)k2k3(jω)-(α2+α3)---(4)]]>用于该皮肤阻抗模型110的参数和误差如表1所示表1
图14是解释本发明第二实施例的皮肤阻抗模型的示图。参考图14，皮肤阻抗模型140包括第一区域A、第二区域B和第三区域C。在第一区域A中第一电阻器R1与第一CPE ZCPE1并联，在第二区域B中第二电阻器R2和第二CPE ZCPE2并联，然后串联第三电阻器R3，在第三区域C中第四电阻器R4和第三CPE ZCPE3并联。第二区域B和第三区域C并联，然后串联到第一区域A。与第一实施例相比，本发明第二实施例的皮肤阻抗模型140是简化的模型，可以通过去除图11所示的第一实施例的皮肤阻抗模型110中的第五电阻器R5获得。
用于皮肤阻抗模型140的参数和误差如表2所示
表2
图15是解释本发明第三实施例的皮肤阻抗模型的示图。参考图15，皮肤阻抗模型150包括第一区域A、第二区域B和第三区域C′。在第一区域A中第一电阻器R1与第一CPE ZCPE1并联，在第二区域B中第二电阻器R2和第二CPE ZCPE2并联，然后串联第三电阻器R3，第三区域C′具有第三CPE ZCPE3。第二区域B和第三区域C′并联，然后串联到第一区域A。与第一和第二实施例相比，本发明的第三实施例的皮肤阻抗模型150是最简化的模型，通过在图14所示的本发明第二实施例的皮肤阻抗模型140的第二电阻器R2和第三电阻器R3中包含第四电阻器R4的特性而得到上述模型。
用于皮肤阻抗模型150的参数和误差如表3所示
表3
因此，应该可以看出在本发明实施例的皮肤阻抗模型中，产生大约4E-6的小x2误差，因此能精确地表示图13中测量的皮肤阻抗数据。
本发明公开了优选的实施例，尽管使用了特定的术语，但它们只是以一般和描述的方式进行说明，而不是为了限定。因此，本领域技术人员应当可以理解，任何形式和细节的变化都不超出权利要求所体现的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种活体预定部分的皮肤阻抗模型，该部分是将要测量的对象，其中皮肤阻抗模型通过在预定部分两端之间通入预定电流和测量这两端之间的电压进行估计，该模型包括第一区域，其具有并联的第一电阻器和第一固定相元件(CPE)；第二区域，其具有并联的第二电阻器和第二CPE，以及第三电阻器，其中第三电阻器串联到第二电阻器和第二CPE的并联线路上；和第三区域，其具有并联的第四电阻器和第三CPE，其中第二区域和第三区域并联，并通过第五电阻器与第一区域串联。
2.如权利要求1所述的皮肤阻抗模型，其特征在于第一区域表示预定部分的表皮阻抗。
3.如权利要求1所述的皮肤阻抗模型，其特征在于第二区域表示预定部分皮肤的真皮组分中膜和细胞间液的阻抗。
4.如权利要求1所述的皮肤阻抗模型，其特征在于第三区域表示预定部分的真皮组分中细胞间液的阻抗。
5.如权利要求1所述的皮肤阻抗模型，其特征在于皮肤阻抗模型从使用三电极法在预定部分中测量的数据获得。
6.如权利要求1所述的皮肤阻抗模型，其中皮肤阻抗模型表示为Z=R1k1(jω)-α1R1+k1(jω)-α1+R2R3R4k2(jω)-α2+R2(R3+R4)k2k3(jω)-(α2+α3)R2R3R4+(R2R3+R3R4)k2(jω)-α2+R2(R3+R4)k2k3(jω)-α3+(R2+R3+R4)k2k3(jω)-(α2+α3)]]>
7.一种活体预定部分的皮肤阻抗模型，该部分是将要测量的对象，其中皮肤阻抗模型通过在预定部分两端之间通入预定电流和测量这两端之间的电压进行估计，该模型包括第一区域，其具有并联的第一电阻器和第一固定相元件(CPE)；第二区域，其具有并联的第二电阻器和第二CPE，以及第三电阻器，其中第三电阻器串联到第二电阻器和第二CPE的并联线路上；和第三区域，其具有并联的第四电阻器和第三CPE，其中第二区域和第三区域并联，并与第一区域串联。
8.如权利要求7所述的皮肤阻抗模型，其特征在于皮肤阻抗模型从使用三电极法在预定部分中测量的数据获得。
9.如权利要求7所述的皮肤阻抗模型，其中皮肤阻抗模型表示为Z=R1k1(jω)-α1R1+k1(jω)-α1+R2R3R4k2(jω)-α2+R2(R3+R4)k2k3(jω)-(α2+α3)R2R3R4+(R2R3+R3R4)k2(jω)-α2+R2(R3+R4)k2k3(jω)-α3+(R2+R3+R4)k2k3(jω)-(α2+α3)]]>
10.一种活体预定部分的皮肤阻抗模型，该部分是将要测量的对象，其中皮肤阻抗模型通过在预定部分两端之间通入预定电流和测量这两端之间的电压进行估计，该模型包括第一区域，其具有并联的第一电阻器和第一固定相元件(CPE)；第二区域，其具有并联的第二电阻器和第二CPE，以及第三电阻器，其中第三电阻器串联到第二电阻器和第二CPE的并联线路上；和第三区域，其具有第三CPE，其中第二区域和第三区域并联，并与第一区域串联。
11.如权利要求10所述的皮肤阻抗模型，其特征在于皮肤阻抗模型从使用三电极法在预定部分中测量的数据获得。
12.如权利要求10所述的皮肤阻抗模型，其中皮肤阻抗模型表示为Z=R1k1(jω)-α1R1+k1(jω)-α1+R2R3R4k2(jω)-α2+R2(R3+R4)k2k3(jω)-(α2+α3)R2R3R4+(R2R3+R3R4)k2(jω)-α2+R2(R3+R4)k2k3(jω)-α3+(R2+R3+R4)k2k3(jω)-(α2+α3)]]>
13.一种活体预定部分的皮肤阻抗模型，该部分是将要测量的对象，其中皮肤阻抗模型通过在预定部分两端之间通入预定电流和测量这两端之间的电压进行估计，该模型包括第一区域，其表示预定部分的表皮阻抗；第二区域，其表示预定部分皮肤的真皮组分中膜和细胞间液的阻抗；和第三区域，其表示预定部分的真皮组分中细胞间液的阻抗；其中第二区域和第三区域并联，并与第一区域串联。
14.如权利要求13所述的皮肤阻抗模型，其特征在于第一区域具有并联的第一电阻器和第一固定相元件(CPE)；第二区域具有并联的第二电阻器和第二CPE，以及第三电阻器，其中第三电阻器串联到第二电阻器和第二CPE的并联线路上；第三区域具有并联的第四电阻器和第三CPE；其中第二区域和第三区域通过第五电阻器与第一区域串联。
15.如权利要求13所述的皮肤阻抗模型，其特征在于第一区域具有并联的第一电阻器和第一固定相元件(CPE)；第二区域具有并联的第二电阻器和第二CPE，以及第三电阻器，其中第三电阻器串联到第二电阻器和第二CPE的并联线路上；第三区域具有并联的第四电阻器和第三CPE。
16.如权利要求13所述的皮肤阻抗模型，其特征在于第一区域具有并联的第一电阻器和第一固定相元件(CPE)；第二区域具有并联的第二电阻器和第二CPE，以及第三电阻器，其中第三电阻器串联到第二电阻器和第二CPE的并联线路上；第三区域具有第三CPE。
17.如权利要求13所述的皮肤阻抗模型，其特征在于皮肤阻抗模型从使用三电极法在预定部分中测量的数据获得。
18.如权利要求13所述的皮肤阻抗模型，其中皮肤阻抗模型表示为Z=R1k1(jω)-α1R1+k1(jω)-α1+R2R3R4k2(jω)-α2+R2(R3+R4)k2k3(jω)-(α2+α3)R2R3R4+(R2R3+R3R4)k2(jω)-α2+R2(R3+R4)k2k3(jω)-α3+(R2+R3+R4)k2k3(jω)-(α2+α3)]]>
全文摘要
一种活体预定部分的皮肤阻抗模型，该部分是将要测量的对象，其中皮肤阻抗模型通过在预定部分两端之间通入预定电流和测量这两端之间的电压进行估计，该模型包括第一区域，其具有并联的第一电阻器和第一固定相元件(CPE)；第二区域，其具有并联的第二电阻器和第二CPE，以及第三电阻器，其中第三电阻器串联到第二电阻器和第二CPE的并联线路上；和第三区域，其具有并联的第四电阻器和第三CPE；其中第二区域和第三区域并联，并通过第五电阻器与第一区域串联。
文档编号A61B5/053GK1618397SQ20041010382
公开日2005年5月25日 申请日期2004年11月17日 优先权日2003年11月17日
发明者张佑荣, 曹辰镐, 申尚勋, 李政佑 申请人:三星电子株式会社