基于生物電阻抗原理人體成分分析儀的設(shè)計與研究

肖曉明，何為，賀玉成

重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院，重慶 400030

基于生物電阻抗原理人體成分分析儀的設(shè)計與研究

肖曉明，何為，賀玉成

重慶大學(xué) 電氣工程學(xué)院，重慶 400030

本文設(shè)計了一種基于電阻抗原理人體成分分析儀。該分析儀包括上位機(jī)、微型打印機(jī)、體重測量電路、電極和阻抗測量電路5個部分。通過檢測體重和阻抗參數(shù)，運(yùn)用相敏檢波的計算原理設(shè)計分析儀的軟硬件系統(tǒng)。實驗評估證實，該分析儀具有較高的測量精度，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，可以廣泛運(yùn)用于人體健康檢測。

生物電阻抗；人體成分分析儀；相敏檢波；人體成分

人體成分分析是當(dāng)今醫(yī)療健康檢測領(lǐng)域不可缺少的重要手段。通過對人體的正常成分范圍監(jiān)控，一方面能預(yù)防和檢測肝臟疾病、糖尿病、腎衰竭等疾病，另一方面能對科學(xué)鍛煉，合理健身和減肥，以及康復(fù)治療做出有效地指導(dǎo)。青少年在身體發(fā)育階段特別重要，通過人體成分監(jiān)控可以很好的指導(dǎo)青少年的生長發(fā)育。而基于生物電阻抗原理的人體成分分析是建立在不同生物組織和器官具有不同電特性這一基本原理基礎(chǔ)之上，通過向人體注入和測量電信號的手段來得到人體相應(yīng)部位阻抗和相位信息，從而分析出人體相應(yīng)部位的成分信息[1]。生物電阻抗原理的人體成分分析法也因其無創(chuàng)、無輻射、設(shè)備比較簡單、成本低廉、可連續(xù)使用、不要求特殊的使用環(huán)境等鮮明的特點(diǎn)而備受到當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)界的廣泛關(guān)注。

人體成分檢測的準(zhǔn)確程度，一方面來自于儀器的測量精度，另一方面來自于算法的計算。本文針對算法不做探討，而針對儀器設(shè)計上，目前電阻抗原理測量人體成分的儀器，大多來自于韓、德、美等國家，國內(nèi)制作的人體成分分析儀與外國的儀器還存在一定差距，為了進(jìn)一步促進(jìn)國內(nèi)人體成分分析儀的發(fā)展。本文針對人體成分分析儀的設(shè)計，提出了一種高精度、低成本的設(shè)計方法和思路，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。

1 測量原理

1.1 人體成分分析方法

生物電阻分析法[2]（Bioelectrical Impedance Analysis，BIA）是當(dāng)今基于電阻抗原理的人體成分分析儀用得最多，且技術(shù)最為成熟的方法。本文設(shè)計的人體成分分析儀就是建立在生物電阻抗分析法的基礎(chǔ)之上的。

生物電阻抗的基本原理指出：生物組織中包含有許多的細(xì)胞，而細(xì)胞間還有許多的液體，這些液體可以被看作電解質(zhì)。當(dāng)施加低頻或直流電流通過生物組織時，電流將繞過細(xì)胞組織，從細(xì)胞外液流過；當(dāng)流過生物組織的電流頻率變高時，由于細(xì)胞膜等效的電容容抗值變小，所以一部分電流會穿進(jìn)細(xì)胞膜流過細(xì)胞內(nèi)液。生物組織在頻率較低時阻抗較大，這時候測量的阻抗值主要是細(xì)胞外液的電阻；隨著注入信號頻率的增高，當(dāng)達(dá)到某一值時（頻率＞200kHz）電流可以部分地穿過細(xì)胞膜，這時候可以同時測量到細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)液的電阻[3]。

根據(jù)上述原理，BIA法以統(tǒng)計學(xué)為工具，通過研究人體相應(yīng)部位的不同頻率的阻抗值與一些人體成分參數(shù)的相關(guān)性，結(jié)合人體體重、年齡、性別等基本參數(shù)，建立相應(yīng)阻抗與相應(yīng)人體成分的經(jīng)驗公式，并通過已知人體成分推算未知人體成分[4]。

1.2 測量方法

在實現(xiàn)用BIA法測量人體成分當(dāng)中，首先要實現(xiàn)相應(yīng)人體部位的不同頻率下的阻抗的測量，其次是通過測量的阻抗值建立人體成分的經(jīng)驗計算公式，并通過臨床實驗測量，對建立的經(jīng)驗公式系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。本文對BIA法經(jīng)驗公式的建立和校準(zhǔn)不進(jìn)行討論。而針對人體阻抗的測量，早期的BIA法是將人體看作一個圓柱形的導(dǎo)通進(jìn)行測量[5]，然而這種測量方法并不能很好的反映軀干的成分，誤差較大，人體測量模型逐步地發(fā)展為現(xiàn)在常用的分段阻抗測量法，而本文所用的測量方法也是分段阻抗測量法[6]。

分段阻抗測量法中將人體分為左上肢、右上肢、左下肢、右下肢和軀干五個身體部分，見圖1。其中的每個部分都可以看作是理想的圓柱體，測量電極采用的是8個電極。檢測時，在每個手和腳處都有激勵電極和測量電極，不同四肢之間的激勵電極施加各種頻率的交流電信號，然后使測量電極進(jìn)行電壓采集測量，分析計算出身體每個段的等效阻抗值，為后續(xù)的人體成分分析計算做好準(zhǔn)備工作。

圖1 人體分段阻抗測量示意圖

人體分為5段的阻抗模型。測量時在手和腳分別通過注入相應(yīng)頻率的電流，同時測量電壓，得到左手和右手間的阻抗值Z12，左手和左腳間的阻抗值Z13，左手和右腳的間的阻抗值Z14，右手和左腳間的阻抗值Z23，右手和右腳間的阻抗值Z24，左腳和右腳間的阻抗值Z34。

可知上述測量得到的阻抗值與人體各部分的阻抗值之間的關(guān)系為：

最終計算出人體各部分的阻抗值為：

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的人體成分分析儀系統(tǒng)設(shè)計，見圖2。該系統(tǒng)包括上位機(jī)、微型打印機(jī)、體重測量電路、電極和阻抗測量電路5個部分。體重測量電路完成被測者體重的測量；阻抗測量電路通過給電極施加安全電流作用在人體上，然后又通過電極檢測人體相應(yīng)部位的電壓，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、計算得到人體相應(yīng)阻抗值，然后傳給上位機(jī)完成人體成分計算。阻抗測量電路包括單片機(jī)和現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）兩個控制芯片，F(xiàn)PGA完成將采集的電壓電流信號計算成阻值信息值，單片機(jī)則控制恒流源的產(chǎn)生，開關(guān)陣列的導(dǎo)通，F(xiàn)PGA的啟動停止，并與上位機(jī)、FPGA和體重測量電路進(jìn)行通訊。上位機(jī)則負(fù)責(zé)應(yīng)用軟件的運(yùn)行，進(jìn)行人機(jī)交互，控制單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并完成人體成分分析運(yùn)算，最終顯示給用戶。如果用戶有打印需求，上位機(jī)則控制微型打印機(jī)完成打印功能。

圖2 人體成分分析儀系統(tǒng)設(shè)計

2.2 關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

2.2.1 體重測量電路

體重測量電路主要是通過體重傳感器和數(shù)據(jù)采集電路組成。本文的體重傳感器采用的是電阻式應(yīng)變傳感器，體重傳感器安裝于腳踏板底部正中間位置。數(shù)據(jù)采集電路是將電阻式應(yīng)變傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器后傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理，它主要是由ADI公司生產(chǎn)的AD7799模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片構(gòu)成的。

2.2.2 恒流源模塊

人體阻抗信息的測量需要向人體通入電流來實現(xiàn)，而進(jìn)入人體的安全電流有著嚴(yán)格的限制，一般不過超過5mA。本文設(shè)計的恒流源模塊主要是實現(xiàn)輸出頻率為1kHz～1MHz，幅值在100 μA～5mA可調(diào)的恒定電流（圖3）。正弦波形的輸出是通過ADI公司生產(chǎn)的直接數(shù)字頻率合成器集成芯片AD9833得到的，其中AD9833由單片機(jī)控制其輸出和正弦波形頻率的改變，AD9833輸出的正弦波形為電壓信號，為了得到可控的恒流源，AD9833輸出的信號經(jīng)過放大和電壓控制電流源便得到想要的輸出電流。其中恒流源的輸出阻抗直接關(guān)系著輸出恒流源信號的穩(wěn)定情況，補(bǔ)償電路應(yīng)用于恒流源的輸出端來提高恒流源的輸出穩(wěn)定性[7]。

圖3 恒流源電路結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 開關(guān)陣列

本文采用8個電極進(jìn)行人體阻抗測量，其中4個用于恒定電流的輸出，4個用于電壓檢測。而恒流源模塊和電壓電流采集模塊都只有一個通道，于是四選一的開關(guān)電路便應(yīng)用于電流的輸出，電流的檢測和電壓的檢測。本文采用的四選一開關(guān)電路芯片為MAX4051，其良好的導(dǎo)通性能可以滿足本文的設(shè)計要求。

2.2.4 電壓采集模塊

電壓采集電路主要實現(xiàn)電壓信號的采集。電壓信息的計算是通過電壓采集模塊將電壓信息送入FPGA中，進(jìn)行數(shù)字相敏檢波運(yùn)算分離出阻抗的幅值和相位信息[8]。電極檢測的電壓信號經(jīng)過AD8065組成的緩沖電路增大輸入阻抗，經(jīng)過四選一的開關(guān)電路之后，由AD8130將差分信號轉(zhuǎn)化為單端信號，同時AD8130還能提供20dB的信號放大（圖4）。由于有效信號頻率范圍為1kHz～1MHz，經(jīng)過1kHz～1MHz的帶通濾波電路后，再由AD8331進(jìn)行信號放大，進(jìn)入由FPGA控制的AD9238將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后送入FPGA進(jìn)行相敏檢波運(yùn)算。其中AD8331為可控增益放大器，使得整個電壓采集模塊的增益能在27.5～75.5dB之間可調(diào)。

圖4 電壓采集模塊示意圖

2.2.5 電流采集模塊

恒流源輸出的恒定電流幅值雖然能通過恒流源模塊調(diào)節(jié)為已知的固定值，但實際中開關(guān)電路和印制電路板布線等影響，恒定電流的輸出并不是理想的值，同時為了得到人體阻抗信息的相位值，實際恒流源輸出的電流信息就必須要進(jìn)行采集（圖5）。本文通過在恒流源輸出端并聯(lián)一個10Ω左右的電阻將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號進(jìn)行采集。轉(zhuǎn)化的電壓信號其采集通道和電壓采集模塊一致，采集得到的信號最終送入FPGA中進(jìn)行相敏檢波運(yùn)算[9]。

圖5 電流采集模塊示意圖

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

人體成分分析儀的控制部分包括上位機(jī)、單片機(jī)和FPGA。上位機(jī)是整個人體成分分析儀的核心，它負(fù)責(zé)實現(xiàn)人機(jī)交互，同時控制單片機(jī)和FPGA實現(xiàn)阻抗和體重測量，并分析人體成分顯示給用戶。

本文的上位機(jī)硬件為由ARM開發(fā)板構(gòu)成，上位機(jī)軟件是由VC語言實現(xiàn)（圖6）。整個應(yīng)用分析軟件包括數(shù)據(jù)分析、時間管理、網(wǎng)絡(luò)管理、觸屏管理、儲存管理5個部分。數(shù)據(jù)池直接對單片機(jī)進(jìn)行控制，通過單片機(jī)控制FPGA實現(xiàn)阻抗和體重信息的采集，并在檢測參數(shù)中實現(xiàn)人體成分的計算。

圖6 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)池也是數(shù)據(jù)分析部分的核心，它直接控制著單片機(jī)的運(yùn)行。單片機(jī)為連接上位機(jī)與檢測電路的橋梁，它控制恒定電流的頻率和輸出，控制開關(guān)陣列的導(dǎo)通，控制體重測量電路的采集，控制FPGA的運(yùn)行和數(shù)據(jù)的接受，并將匯總的信息發(fā)送給上位機(jī)（圖7）。而FPGA實現(xiàn)接受電流電壓信號，完成阻抗的相敏檢波運(yùn)算，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，由單片機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。其整個系統(tǒng)上位機(jī)、單片機(jī)、FPGA層層控制，實現(xiàn)人體成分分析儀的運(yùn)行。

圖7 數(shù)據(jù)池結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)性能評估

3.1 恒流源輸出阻抗

恒流源的輸出阻抗是影響系統(tǒng)測量精度的一個重要因素。選取負(fù)載為1kΩ，頻率為10kHz、100kHz、300kHz和1MHz對恒流源輸出阻抗進(jìn)行測試，阻抗值分別為4.8MΩ、3.7MΩ、1.3MΩ、300kΩ。可見由于分布電容的存在，隨著頻率增大其輸出阻抗越低，但是在1MHz的頻率下輸出阻抗還有300kΩ，已經(jīng)可以滿足人體成分的測量要求。

3.2 信噪比測試

系統(tǒng)的信噪比是直接體現(xiàn)系統(tǒng)抗干擾性能的重要指標(biāo)，其中信噪比的測量公式為[10]：

式子中k是檢測電極對中差分電壓的測量次數(shù)，其每次測量的值為A（k），k為1到K的值。而A-為A（k）的平均值。

測量時電流從左手輸出電極注入，右手輸出電極流出，電流的峰值將其調(diào)節(jié)為0.5mA。電壓的差分信號選在左手檢測電極與右手檢測電極之間。其中測量次數(shù)為1000次，選擇頻率為100kHz，不同采樣周期、采樣頻率下每個周期采樣點(diǎn)數(shù)的信噪比，見圖8。

圖8 不同采樣周期、采樣頻率下每個周期采樣點(diǎn)數(shù)的信噪比

可以看出采樣周期數(shù)越大，信噪比越高；頻率越高，信噪比越低；采樣點(diǎn)數(shù)越多，信噪比基本是逐漸增大后保持穩(wěn)定。而本文的人體成分分析儀實際采樣頻率為20MHz，采樣的周期數(shù)＞32，可知恒定電流頻率為1MHz時，信噪比持續(xù)＞67dB，抗干擾性能良好。

3.3 系統(tǒng)相對測量精度

檢測時，采用電阻箱為被測對象，設(shè)置電流輸出頻率為1kHz，電流幅值為0.5mA，電阻箱的電阻值變化范圍為10～1000Ω，各個通道的電阻測量結(jié)果見圖9。可以看出各個通道的測量結(jié)果基本一致，不同通道的測量結(jié)果影響可以忽略不計，而隨著電阻值的增大，測量值與實際值差值之所以逐漸變大是由于基準(zhǔn)值增大，而誤差基本沒變，整體誤差在2％左右波動。

信號輸出頻率的變化也是影響儀器測量的重要指標(biāo)。用電阻箱設(shè)置被測電阻為1kΩ并固定不變，選取左手和右手間測量通道，頻率變化范圍為1kHz～1MHz，其測量結(jié)果見圖10。可以看出頻率越高誤差越大，其原因為系統(tǒng)測量的是阻抗值，分布電容的影響進(jìn)一步增加了測量的誤差，1MHz時的誤差達(dá)到了17％，而實際使用中用到的最高頻率為500kHz，其誤差在10％左右，整體測量誤差在可接受的范圍之內(nèi)。

圖9 各個通道電阻測量結(jié)果圖

圖10 阻抗測量頻率變化曲線

3.4 分析儀測量結(jié)果

本文設(shè)計的人體成分分析儀與DBA-550人體成分分析儀（北京東華原醫(yī)療設(shè)備有限責(zé)任公司）對人體成分進(jìn)行測量。被測者為男性，年齡27歲，身高170cm，體重70.8kg。筆者對兩臺儀器的測量結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果見表1。

表1 人體成分測量結(jié)果對比

由上面的數(shù)據(jù)可以看出，除了少數(shù)數(shù)據(jù)存在一定的差異，大部分的參數(shù)基本一致。證明本文設(shè)計的人體成分分析儀其測量結(jié)果比較準(zhǔn)確，可以運(yùn)用于臨床健康檢測。

4 結(jié)論

本文主要介紹了一種基于電阻抗原理的人體成分分析儀的設(shè)計方法。從系統(tǒng)的硬件到軟件進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的介紹，并針對設(shè)計的人體成分分析儀系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)測試，各方面的測量參數(shù)反映本文設(shè)計的人體成分分析儀檢測精度較高，而設(shè)計的成本較低，其人體成分分析的結(jié)果較為準(zhǔn)確可靠。

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Design and Research of a Human Body Composition Analyzer Based on the Principle of Bio-Electrical Resistance

XIAO Xiao-ming, HE Wei, HE Yu-cheng
College of Electrical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030

A human body composition analyzer wasdesigned in the paper based on the principle of bioelectrical resistance, which consisted of 5sectors including the upper computer, micro printer, weight measurement circuit, electrodes and the impedance measurement circuit. Throughdetection of the weight and impedance parameters, the hardware andsoftwaresystem of the analyzer weredesigned with the adoption of the principle of phasesensitivedetection. According to the experimental evaluation, the analyzer proved its high accuracy of measurement and conformity to the intendeddesignstandards, which could be widely applied in human health examinations.

bio-electrical impedance；human body composition analyzer；phasesensitivedetection；human body composition

R318.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.08.003

1674-1633（2015）08-0009-05

2015-06-28

國家自然科學(xué)基金（51377186）；國家973計劃（2014 CB541600）。

作者郵箱：hzh186@cqu.edu.cn