基于四電極多頻率掃描的生物阻抗法人體成分測試儀設計

摘" 要： 生物阻抗包含豐富的人體病理和生理電信號，可以作為醫務人員準確判斷病人癥狀和治療疾病的主要依據。基于此，提出一種基于Cole?Cole理論的人體多種參數測量系統。構建人體阻抗模型，通過碳納米材料電極對人體阻抗進行采集分析，得到人體的各種成分參數。通過信號發生電路產生注入人體的低頻信號，利用幅度檢測電路檢測流經人體電流產生的電壓，采用分段檢測法測得人體不同分段的阻抗信息；信號經放大電路輸入RT1052微處理器，對數據和人體成分參數相關性進行分析，得到人體各種成分參數并顯示測量結果。通過對系統進行測試分析，得出所設計系統能夠準確地對人體蛋白質、脂肪等參數進行測量，誤差范圍可以控制在5%以內，具有很好的應用前景。

關鍵詞： 生物阻抗法； 人體電抗； 分段檢測法； 信號采集； 多頻率掃描； RT1052微處理器

中圖分類號： TN919?34； R318.6" " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）12?0045?07

Design of bio?impedance body composition tester based on four?electrode

multi?frequency scanning

HAN Tuanjun， HUANG Chaojun， LU Chao， WANG Guibao， LIU Wu

（School of Physics amp; Telecommunication Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723000， China）

Abstract： Bioimpedance contains abundant human pathology and physiological electrical signals， which can be used as the main basis for medical personnel to accurately judge patients and treat diseases. On this basis， a multi?parameter measurement system for human body based on Cole?Cole theory is proposed. In the system， a human body impedance model is constructed to collect and analyze various body parameters of the human body by means of carbon nanomaterial electrodes. The low?frequency signal injected into the human body is generated by means of the signal generation circuit， the amplitude detection circuit is used to detect the voltage generated by the current flowing through the human body， and the segmented detection method is used to measure the impedance information of different segments of the human body. The signal is input into the RT1052 microprocessor by means of the amplification circuit to analyze the correlation between the data and human body composition parameters， so as to obtain various human body composition parameters， and display the measurement results. After testing and analysis of the system， it is found that the designed system can accurately measure parameters such as human protein and fat， with an error range controlled within 5%， and has good application prospects.

Keywords： bioimpedance method; human body reactance; segmented detection method; signal acquisition; multi frequency scanning; RT1052 microprocessor

0" 引" 言

人體內各種成分的比例維持是身體健康的重要指標。在疾病發生時，人體組織各種成分的比例會早于臨床癥狀產生變化，如果能較早檢測到人體各種成分參數的變化，對于疾病的預防和治療具有非常關鍵的作用。而如何準確檢測身體各種成分參數和對人體健康進行有效評估已經成為醫學研究的熱點。本文利用生物阻抗原理進行人體各種成分的測量，研究發現，人體不同組織電阻率在不同條件下具有線性差異，可以利用這種電阻率變化測量人體成分[1?4]。人體電導性與人體中水分含量有關，當把微弱的交流電加入人體時，電流會向著電阻小和傳導性好的方向流傳；同時體內流過電流帶寬的大小取決于水分的含量。大量實驗數據證明，人體中各個成分的含量和人體的阻抗具有線性關系。在實驗過程中發現，阻抗法測量的人體成分值大小與身高成正比，與人體阻抗R成反比。同時發現：注入人體的交流電信號頻率對阻抗起決定作用，頻率上升，細胞膜顯容性，人體電抗減小；電流頻率減小，細胞膜容性增大，人體組織電抗增大[5?7]。

本文基于生物阻抗法理論，提出一種四電極多頻率掃描的人體成分測試系統。采用碳納米電極對構建的人體阻抗模型加入不同頻率的激勵信號，激勵信號為人體可以安全注入的不同頻率的電流信號；再采用所設計的幅值檢測電路對注入電流信號經過人體后在人體不同分段產生的電壓信號值進行計算，得到不同分段的電阻信息；最后，通過對人體的阻抗定量分析，得到人體各種參數的標定。

1" 人體成分模型及Cole?Cole理論

人體生物組織由細胞內液和細胞外液的不同形狀細胞組成，在電特性上細胞膜可等效為電容。當低頻電流通過細胞外液時，電流會選擇阻抗較小、傳導性好的體液方向流動。隨著注入人體細胞信號頻率的增加，細胞膜的容抗減小，信號流經細胞內液的比例逐漸加大[8]。通過實驗分析可知，電阻抗變化反映了生物組織細胞膜的電容變化特性。因此，可以等效出單個細胞的電路單元是一個電阻和電容并聯型，同時考慮細胞液電阻、電容，可以推出整個細胞系統電路為一個R、C組成的電路單元，這樣人體阻抗就與注入信號的頻率有關，可以得到人體組織的等效電路。通過大量實驗對電路模型進行驗證，可以得到模型的阻抗特性方程，此時條件是對人體輸入不同頻率的電流信號，對人體不同分段的輸出電壓和相位大小進行測量，通過與輸入信號對比分析，得到人體生物電阻抗。實驗證明，生物電阻抗和輸入人體的電流信號的頻率在一定范圍內有關[9?10]。本文中整個電路模型是將人體等效為理想的電阻率相同的五段電阻，人體生物阻抗五段模型如圖1所示。

向人體不同節段通入大小恒定、頻率可變的交變電流，采集不同節段各個頻率的激勵電壓，從而計算人體各節段和人體成分的阻抗值。采用4個激勵電極和4個測量電極，分布在人體四肢上[11?12]，測量時選取不同電流通路。設計中為了得到測試結果的可行性分析，選用特定頻率值5～150 kHz對人體注入信號進行增加，以采集人體得到的電壓值，分析得到在不同頻率注入信號下人體的電阻值。通過這種方法測得的電阻抗結合人體其他信息，可以得到更為全面而準確的結果。

本文采用多頻率分段阻抗測量法，圖1中R1～R4分別為左上肢、左下肢、右上肢、右下肢生物阻抗。若ab端注入電流大小為Iab的激勵交變電流，同時測得ab端電壓為Uab；同理，cd端注入激勵交變電流為Icd，測得電壓為Ucd；ac端激勵交變電流為Iac，測得電壓為Uac；bd端激勵交變電流為Ibd，測得電壓為Ubd。由此可得最終人體阻抗公式為：

[R=R2+R4R5R2+R4+R5+R1+R3]" （1）

2" 系統結構及硬件設計

所設計的人體成分分析檢測儀主控采用RT1052微處理器，硬件主要包括數字頻率合成器、壓控轉換模塊、碳納米電極、AD637幅度采集模塊。通過數字頻率合成器產生不同頻率的正弦電壓信號，通過帶通濾波器進行濾波，去除數字頻率合成器信號本身產生的高頻噪聲以及放大器的偏置電流和偏置電壓的低頻噪聲。濾波后的信號輸入壓控轉換模塊，將電壓信號轉化為適宜輸入人體的電流信號，通過ADG5409選通芯片選通電極輸出，電流信號經過碳納米電極輸入人體；在電極選通的另一端，使用碳納米電極采集經過人體的電流信號，通過AD637將采集來的信號進行有效幅值檢測，將檢測得到的幅值輸入RT1052芯片ADC模塊。系統硬件設計如圖2所示。

2.1" 電源電路設計

生理參數信號是一種微弱的生物電信號，噪聲和干擾對其影響很大，因此，設計電源要純凈，不能讓傳感器以及放大電路受到來自電源的干擾。整個系統供電電壓為±5 V，設計時放大器反向輸入為0.95～1 V可調的基準電壓，通過R2和R3分壓進行大小調節，放大器正向輸入端和電池正向5 V連接，當開關接通時可為系統進行供電。當給定電池電壓大于5 V時，電壓大于所需基準電壓，系統通過R4進行放電，此時輸出的電流大小為60 mA左右，放大器輸出端為高電平輸出，可以將LED正向導通點亮；當供電電壓小于1 V時，放大器輸出為低電平，此時發光二極管截止不能被點亮，并提醒對電池進行更換。

放大器使用的集成運放為LM358電路，輸出電壓為5 V，再通過PTN04050A模塊電路提供-5 V電壓。通過以上設計，系統可以提供穩定的[±5 V]電壓進行供電，該電源電路具有自動保護功能。整體電源模塊電路設計如圖3所示。

2.2" 多頻信號產生電路設計

生物阻抗測量法是通過碳納米材料做的電極向被測人體輸入一個電壓較低的正弦電流信號，通過碳納米電極材料的電壓變化，根據電路參數計算得到人體的電抗信息。因此，需要設計能產生波形失真小、幅度穩定度高、頻率分辨率高的正弦波發生器。本文設計采用DDS芯片AD9959產生系統所需的各種頻率信號，該芯片可實現信號相位幅值任意可調，多路獨立輸出，設計較為靈活。AD9959電路設計圖如圖4所示。

2.3" 壓控電壓電流轉換電路設計

系統設計的信號源為頻率電壓可調的電壓信號，此信號不能直接注入人體，因為人體能注入的信號必須為電流信號。本文系統將電壓信號轉變為人體可以注入的電流信號是基于反饋設計思想進行設計的，整個轉化電路如圖5所示。

2.4" 電壓有效值檢測模塊設計

為了得到輸出的有效值，系統采用一款可以檢測不同交流信號的有效值模塊AD637進行電壓有效值的檢測。該芯片精度高，可以計算任意波形的平均值并對輸入信號進行有效電壓輸出，可以對系統信號進行有效值檢測，但其測量動態頻帶范圍大。AD637有效值檢測電路如圖6所示，其中R1為比例調節因子，可用來降低算式中分母輸入的電壓。AD637芯片無需外部微調條件即可達到很好的輸出效果。

3" 系統的軟件設計

系統軟件設計主要包括RT1052主控以及相關外圍設備的驅動程序設計、數字頻率合成器頻率生成、ADG5409的選通控制、AD637幅度模塊的幅度采集以及信號的A/D采樣程序、數據的運算及處理程序、串口數據協議等。

3.1" 信號采集軟件設計

整個系統軟件控制流程如圖7所示，主要包括：控制DDS產生不同頻率的正弦信號，讀取硬件采集到的數據，分析數據，存儲并顯示分析結果。

3.2" ADG5409電極選通開關程序控制

選取RT1052三個GPIO作為ADG5409八選二復選開關地址控制線，進行軟件設計，按照順序對人體等效模型五個分段模型進行選通和電壓測量。ADG5409軟件控制流程如圖8所示。

4" 系統測試及分析

4.1" 輸出顯示分析

通過程序改變多頻函數信號發生器的輸出，分別輸出5 kHz、50 kHz、100 kHz、150 kHz不同的頻率，多頻率輸出波形如圖9所示。

從多頻函數信號發生器輸出波形圖可知，多頻函數信號發生器產生的正弦波形穩定，失真較小，可以忽略。

將多頻函數發生器產生的信號輸入壓控電流源，在電路負載270 Ω兩端得到輸出正弦波形圖，如圖10所示。通過驗證，電路設計效果較為理想。

在AD637幅度檢測模塊輸入穩定的正弦波信號，幅度檢測模塊輸出波形如圖11所示。通過驗證，輸出穩定，波形良好。

4.2" 系統的數據分析

系統分別輸入頻率為5 kHz、50 kHz、150 kHz進行測試。從測試結果可以看出，系統輸入激勵信號源頻率增加，人體生物阻抗減小，結果符合Cole?Cole理論模型，可以證明所設計系統的準確性。根據實驗的測試結果與[Z=ω2C2mR4e+ω2C2mRiReRe+Ri21+ω2C2mRe+Ri2]（設計中Ri、Re、Cm為給定值）理論計算，可得到不同輸入頻率時測試數據對比結果，如表1所示。多頻生物阻抗的測量對人體成分分析的動態變化具有現實意義。

從表1數據可以看出，在健康狀態下人體在不同輸入激勵信號注入下生物阻抗保持恒定。

上述研究可以證明，在不同頻率信號注入下，人體阻抗不發生變化則說明人體健康；若人體出現病變，人體各種成分參數會在不同頻率信號注入下阻抗發生重點變化。

通過檢查阻抗變化并分析人體成分參數變化，對人體健康狀態進行有效評估。在評估分析人體健康狀況時，糖類、無機鹽可按6%計算，現有文獻人體水分占非脂類物質的73.2%。

標定的生物阻抗與人體體脂之間的關系BF=0.846WT-0.185V-2.361Sex-24.977，其中：BF單位為kg；Sex為性別；WT為體重；V為阻抗指數，計算公式為[V=SR]，且S=0.006 1HT+0.012 8WT-0.152 9，R為阻抗值，HT為身高。體脂率[μ=1-BFWT]。根據上述公式并通過實驗測得不同頻率下人體各成分數值結果如表2和表3所示。同時根據表2及表3數據繪制了分析圖，如圖12和圖13所示。

根據正常的人體水分、體脂、蛋白質的比例，測得250 kHz激勵下人體水分、體脂、蛋白質的值，如表4所示，其中V為阻抗指數， BMI為衡量人體胖瘦的標準，MEV為標準值，THV為實際值。

通過對表2～表4實驗測量數據進行分析，可以看出信號頻率從5～250 kHz增加的過程中，對應的生物阻抗值在減小。這證明了該硬件設計系統和設計理論有較好的一致性，可以對人體成分進行標定。

5" 結" 論

本文提出一種基于Cole?Cole理論的四電極生物電阻抗法人體成分測量系統。控制器采用RT1052，根據生物阻抗原理，設計了可穿戴人體成分分析儀的系統架構；其次，進行軟硬件設計和系統測試。結果表明，該系統可以對人體脂肪、蛋白質等參數進行有效測量。整個系統運行可靠，測量精度高，具有廣泛的應用前景。

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