基于八電極的生物電阻抗分析檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單珂 劉照陽 王芳

摘要：精確采集人體生物電阻抗信號，是人體成分分析的重要基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)一套測量生物電阻抗系統(tǒng)，利用MSP430主控芯片控制恒流源產(chǎn)生50-300KHz激勵電流信號，并通過電極施加于被測人體不同部位，采用八電極多頻率阻抗采集法，通過乘法解調(diào)對生物三元模型的阻容模型進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用不同頻率的激勵電流信號對同一人體進(jìn)行測量，不同部位的阻抗值幅值以及偏移相角不同，應(yīng)選取合適的頻率，使測量值與理論值誤差達(dá)到極小、測量系統(tǒng)精度達(dá)到最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：生物電阻抗；八電極；乘法解調(diào)；多頻率測量

DOIDOI：10.11907/rjdk.172856

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）008-0141-03

英文摘要Abstract：The basis of human component analysis is to accurately measure the biological electrical impedance value of human body.This article designed a set of bioelectrical impedance measurement system，using the MSP430 main control chipto control constant current source and produce 50-300 KHZ excitation current signal，and the electrode is applied on different parts of human body to be tested.Eight electrode impedance frequency acquisition method and the multiplication demodulation are employed to measure the resistance capacity model of the biological ternary model.The experimental results show that for the same measurement of bioelectrical impedance system，different exciting current frequency should be adopted to measure amplitude and phase angle，which comes closest to the measured value with the theoretical value and minimizes the error，therfore the precision of the measurement system can be achieved.

英文關(guān)鍵詞Key Words：bioelectrical impedance；eight electrodes；multiplication demodulation；multi-frequency measurement

0 引言

人體成分分析是針對人體健康檢測、體質(zhì)分析的一門科學(xué)，通過采集人體的電阻抗信號，統(tǒng)計(jì)分析人體性能的各類指標(biāo)參數(shù)，對比其正常范圍參數(shù)，評定不同人群、不同個體的健康等級[1-2]。

根據(jù)生物電阻抗原理，人體不同組織注入不同電信號，反饋的電特性不同。向人體注入微弱電流信號采集人體不同部分的電阻抗值，分析得出人體不同的體成分信息，進(jìn)而了解人體近期生理情況[3-4]。目前，已有的人體成分分析設(shè)備都采用單頻率采集技術(shù)，無法分析點(diǎn)阻抗信息的相位，導(dǎo)致指標(biāo)精度下降。因此，本文進(jìn)一步利用多頻率檢測技術(shù)采集生物電阻抗，提出一種高精度人體成分分析的設(shè)計(jì)思路和方法。

1 生物電阻抗測量原理

1.1 人體成分分析方法

生物電阻抗技術(shù)（bioelectrical impedance analysis，BIA），是指向生物體內(nèi)注入不同的電信號，根據(jù)反饋?zhàn)杩怪档贸鱿鄳?yīng)部位信息，分析相關(guān)成分的無創(chuàng)檢測技術(shù)[5]。

生物電阻抗技術(shù)基本原理是：大量細(xì)胞以及細(xì)胞之間的組織液存在于生物組織當(dāng)中，組織液具有導(dǎo)電性，可以被看作電解質(zhì)。當(dāng)外界向生物組織中注入電流時，細(xì)胞及組織液反饋信息。當(dāng)注入為直流或低頻電流時，細(xì)胞組織的等效電容容抗為無窮大，電流繞過細(xì)胞組織、通過組織液流過；當(dāng)注入為高頻電流時，細(xì)胞組織的等效電容容抗變小，電流通過細(xì)胞膜流入細(xì)胞內(nèi)，并經(jīng)過細(xì)胞內(nèi)液流出。當(dāng)通過生物體的電流頻率較低時，其反饋的阻抗為組織液的阻抗值；當(dāng)通過生物體的電流頻率較高時（頻率>200KHz），其反饋的阻抗為組織液和細(xì)胞內(nèi)液的阻抗值[6-7]。綜上所述，生物電阻抗技術(shù)以統(tǒng)計(jì)學(xué)等數(shù)學(xué)方法為基礎(chǔ)，通過向人體中注入不同頻率的電流，獲得相應(yīng)的阻抗值，并根據(jù)其采集方法的不同，以性別、年齡、身高、體重為輸入?yún)?shù)，構(gòu)建最佳數(shù)學(xué)推算模型，推算出人體不同部位的人體成分。

雖然外界諸多因素很容易影響生物阻抗系統(tǒng)測量的精確性，例如：采集電極的極化現(xiàn)象與放置位置的不同，被測人體是否運(yùn)動、是否攝食等因素都可以導(dǎo)致結(jié)果的變化，但在生物測量體系中，生物電阻阻抗方法依然占據(jù)重要地位。

1.2 八電極分段阻抗法

在生物阻抗系統(tǒng)中，前端傳感器接觸電極的數(shù)目影響系統(tǒng)測量的精確性。根據(jù)電極數(shù)目的不同，分為雙電極、四電極、六電極和八電極測量系統(tǒng)。在雙電極測量系統(tǒng)中，一個電極作為激勵電流的輸入端，另一個電極作為反饋電流的輸出端，這導(dǎo)致電極與肌膚之間接觸電阻出現(xiàn)，影響最終輸出的精度；在四電極與六電極的測量系統(tǒng)中，雖然點(diǎn)擊數(shù)目增加，但無法實(shí)現(xiàn)四肢都具有獨(dú)立收發(fā)電流的電極，對于精度高的生物電阻抗系統(tǒng)，仍然無法達(dá)到要求。

為了測量人體不同軀干的阻抗值，本文選取八電極阻抗測量系統(tǒng)，既能滿足實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中接觸電阻的產(chǎn)生，又能達(dá)到阻抗測算對數(shù)據(jù)精度的要求。設(shè)Cm為細(xì)胞膜的等效電容，Ri為細(xì)胞內(nèi)液的等效電阻，Rm為組織液的等效電阻，三者串聯(lián)起來組成Zx，即生物電阻抗的三元模型[8]，如圖1所示。將信號發(fā)生電路產(chǎn)生的正弦激勵電流通過電極施加到被測人體的不同軀干，根據(jù)施加電流的頻率不同，電阻抗呈現(xiàn)不同特性[9]。

其中V為被測人體軀干之間的電壓，|Z|為生物電阻抗三元模型的阻抗幅值，θ為系統(tǒng)的偏移相角。為了獲得生物電阻抗的三元模型Zx、阻抗值|Z|以及偏移相角θ，對V進(jìn)行解調(diào)運(yùn)算。數(shù)字解調(diào)、乘法解調(diào)以及開關(guān)解調(diào)是信號解調(diào)的3種最常用方法。本文采用乘法解調(diào)，即利用電壓控制電流源產(chǎn)生一個與被測信號相角相同，或者相差90°以及整數(shù)倍的交流電信號，將此信號作為基準(zhǔn)信號，與被測信號進(jìn)行乘法運(yùn)算，將得出的信號利用低通濾波器分離，得出相應(yīng)的直流信號，因此，被測信號與其直流信號有固定的相角差值[10-12]。

2 生物電阻抗分析檢測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文根據(jù)生物電阻抗基本原理，設(shè)計(jì)一套測量生物阻

抗的系統(tǒng)。如圖2所示，本系統(tǒng)主要由用戶身份采集電路、身高體重測量電路、生物阻抗采集電路、數(shù)據(jù)分析處理電路組成。其中，通過用戶身份采集電路讀取被測試者身份證，完成身份信息的讀取；通過身高體重測量電路準(zhǔn)確采集用戶的身高、體重信息；生物電阻抗采集電路由8塊低阻尼接觸電極組成，采用節(jié)段多頻檢測，由主控芯片（MSP430F5529）控制恒流源發(fā)出不同頻率的微弱電流信號（1uA～50uA），通過信號激勵電極注入用戶體內(nèi)，并由信號接收電極采集用戶反饋的電信號，然后經(jīng)過信號調(diào)理電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路處理，最終傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析處理電路中。數(shù)據(jù)分析處理電路根據(jù)生物電阻抗原理，對用戶阻抗信息進(jìn)行解析，最終計(jì)算得出人體成分?jǐn)?shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證生物電阻抗系統(tǒng)的精確性與準(zhǔn)確性，選取高精度純電阻與電容，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。本文選取2個不同電阻和1個電容，利用生物三元模型，組成本次實(shí)驗(yàn)的待測電路。利用優(yōu)利德（UNI-T）UT61E數(shù)字萬用表多次測量，取平均值，得出Ri=367Ω、Rm=809Ω、Cm=167nF。利用以上電阻電容值作為標(biāo)準(zhǔn)值代入MATLAB中進(jìn)行計(jì)算，得出在不同激勵頻率下的模型幅值及偏移相角。將MATLAB計(jì)算值作為參考值，利用本系統(tǒng)在頻率為50KHz、75KHz、150KHz、300KHz的激勵電流中進(jìn)行測量，并對比參考值與測量值，如表1所示。

由表1可得，在激勵頻率為50KHz時，參考值與測量值的幅值相對誤差最大，為0.59%，相角的絕對誤差也最大，為0.92°；激勵頻率為300KHz時，參考值與測量值的幅值相對誤差最小，為0.11%；激勵頻率為75KHz時，參考值與測量值的相角絕對誤差最小，為0.15°；且由表1看出，阻抗值的幅值隨著激勵電流頻率的增加而變?。欢葡嘟亲兓厔輨t相反，隨著激勵電流頻率的增加而變大。

5 結(jié)語

人體成分分析的基礎(chǔ)是精確測量人體的生物電阻抗值，本文設(shè)計(jì)一套測量生物電阻抗的系統(tǒng)，采用多頻率阻抗采集法，利用乘法解調(diào)對生物三元模型的阻容模型進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)表明：對同一組阻容模型進(jìn)行測量時，若要求阻抗值的誤差較小，需采用頻率為300KHz的激勵電流；若要求偏移的誤差較小，需采用頻率為75KHz的激勵電流。因此，應(yīng)用不同頻率的激勵電流信號對同一人體進(jìn)行測量，不同部位阻抗值的幅值及偏移相角不同，應(yīng)選取合適的頻率，使得測量值與理論值誤差達(dá)到極小，實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)精度最優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 祁朋祥，馬祖長，孫怡寧.一種基于生物電阻抗原理的人體成分測試裝置的研制[J].生物醫(yī)學(xué)工程研究，2009，28（3）：197-201.

[2] CEYHAN S T，SAFER U，CINTOSUN U.Bioelectric impedance analysis in pregnant women[J].American Journal of Obstetrics & Gynecology，2015，212（1）：120.

[3] SAFERU，SAFER V B，CINTOSUN U.Determination of body fat mass：bioelectrical impedance analysis[J].Journal of Arthroplasty，2015，30（5）.

[4] GENOT N，MEWTON N，BRESSON D，et al.Bioelectrical impedance analysis for heart failure diagnosis in the ED[J].American Journal of Emergency Medicine，2015，33（8）：1025-1029.

[5] MEREDITH-JONES K A，WILIAMS S M，TAYLOR R W.Bioelectrical impedance as a measure of change in body composition in young children[J].Pediatric Obesity，201510（4）：252-259.

[6] MADDOCKS M，KON S S，JONES S E，et al.Bioelectrical impedance phase angle relates to function，disease severity and prognosis in stable chronic obstructive pulmonary disease[J].Clinical Nutrition，2015，34（6）：1245-1250.

[7] LIU N，SAULNIER G J，NEWELL J C.A multichannel synthesizer andvoltmeter for electrical impedance tomography[A].Proceedings of the 25th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society，2003：3110-3113.

[8] 鞠康，何為，何傳紅，等.基于數(shù)字相敏檢波的恒流源輸出阻抗檢測及補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2009，30（10）：5-7.

[9] MADDOCKS M，KON S S，JONES S E，et al.Bioelectrical impedance phase angle relates to function，disease severity and prognosis in stable chronic obstructive pulmonary disease[J].Clinical Nutrition，2015，34（6）：1245-1250.

[10] 侯曼，劉靜民，侯少華.應(yīng)用生物電阻抗法測定人體體成分的研究進(jìn)展[J].南京體育學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，3（1）：11-15.

[11] 任超世.生物電阻抗測量技術(shù)[J].中國醫(yī)療器械信息，2004，10（1）：21-25.

[12] 唐敏.生物阻抗測量原理與測量技術(shù)[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，1997，14（2）：152-155.

（責(zé)任編輯：江 艷）