30、生物电阻抗建模与异常步态分析研究

生物电阻抗建模与异常步态分析研究

1. 细胞悬浮液生物电阻抗的状态空间建模方法

1.1 研究背景与意义

生物电阻抗建模在组织阻抗光谱学、阻抗断层扫描以及人体和多组分环境的结构分析中具有广泛应用。通过创建不同频率范围的等效电流模型，可以模拟生物组织的电学特性，进而用于神经支配过程的建模和电刺激器的测试。此外，生物电阻抗分析还可用于快速估计血液的生物物理特性，如血细胞比容水平。

1.2 理论基础

• 频率特性与等效电路 ：生物电阻抗的频率特性在不同频率范围内表现出不同的特点。在不超过 100 kHz 的频率范围内，生物组织阻抗的有源或电容性成分占主导。有源成分描述了电解质中的电流传输，与电荷转移有关；电容性成分则由极化电流和电荷分离引起。由于生物电阻抗的成分在频域中表现为非线性，因此可以用等效电路的频率特性来近似生物电阻抗的频率特性，常用的方法包括极零法和频率响应法。
• 状态空间方法 ：该方法基于生物对象的功能识别，通过确定传递函数来实现。对测试对象施加不同类型的冲击（如正弦波、单位阶跃、噪声等），处理测试冲击的响应可以确定生物对象的生物电阻抗频率特性及其传递函数。状态空间方法将生物电阻抗的传递函数转换为一阶微分方程组，从而实现对生物组织电学特性的描述。

1.3 建模步骤

1. 施加单位阶跃电流 ：通过测试电流发生器向悬浮液施加单位阶跃电流，测量作为响应的瞬态函数 z(t)。
2. 计算频率特性