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1、1一种基于生物电阻抗原理的人体成分测 试装置的研制作者：祁朋祥，马祖长，孙怡宁，刘世法【摘要】 人体内各种成分之间的合理比例是维持人体健康的重要因素。与同位素稀释法、总体钾法、双能 X 线吸收法(DXA)以及皮褶厚度法等方法相比，生物电阻抗法测量人体成分简单、快速和准确，是体成分测量的理想手段。我们介绍了基于生物电阻抗测量技术的体成分测量原理，并以此为指导设计了一种体成分测试仪。该仪器测试数据重复性高，与同类仪器的对比实验验证了其准确性。 【关键词】 生物电阻抗法;人体成分;人体健康;生物电阻抗测量技术;体成分测量仪Abstract：A reasonable ratio between var
2、ious compositions of the human body is an important factor to make people keep health. Compared with the methods such as isotope dilution, total body potassium, Dual-energy X-ray absorption and skinfold thickness, bioelectrical impedance analyses is simple, fast and accurate. It is an ideal means to
3、 measure body composition. In this paper, based on bioelectrical impedance measurement technique, the principium of human body composition test was introduced. Guided by this, a type of human body composition tester was developed. The repeatability of the data measured by this equipment is very high
4、. Comparisons with similar experimental devices have verified the accuracy of the equipment developed by this paper.Key words：Bioelectrical impedance; Body composition; Body health; Bioelectrical impedance measurement technique ; Body composition tester1 引 言随着社会的进步和生活水平的提高，人们越来越注重自身的健康状况。人体内各种成分维持合理
5、的比例是保持身体健康的重要条件，例如，体内脂肪增加到一定量将导致肥胖症等疾病的发生，矿物质的大量流失将导致骨质疏松症，而肾脏2功能性减弱将导致体内水分平衡失调，出现水肿等现象1。体成分测量可定量评估人体内各种成分之间的比例关系，是人体健康检查的重要内容之一，引起了很多研究者的关注。人体成分的分析方法有多种2，如体质指数(BMI)法、皮褶厚度法、水下称重法、总体钾法、生物电阻抗法、DXA 法、空气置换体积描记法3等。陆大江等人从精度、成本、难易度等方面对各种测量方法作了对比分析4，指出运用生物阻抗法分析人体成分简捷、快速、成本低廉、无创、安全，医生和测试对象易于接受，具有广阔的应用前景。生物电阻
6、抗分析法(BIA)是一种用以评估身体成分的间接方法，其基本思路是将微弱的交流电信号导入人体时，电流会沿着电阻小、传导性能好的体液流动。水分的多少决定了电流通路的导电性，可用阻抗的测定值来表示。大量实验数据表明，人体的电阻抗特性与体成分之间存在统计关系，这就是基于生物电阻抗技术的体成分测量原理5。早期的 BIA 方法一般选取一个典型的样本人群，用单频信号测得样本的生物电阻抗，通过经验公式推算人体成分6-8，这种方法比较容易实现。随着电子技术的发展，研究者进一步提出了基于生物电阻抗频谱法(BIS)的体成分测量法。它是在一个频率范围内选取多个频点，根据人体阻抗的模拟电路模型(指人体的细胞外液电阻 R
7、e、细胞内液电阻 Ri 和细胞膜电容 Ci 三元件模型)，用测得的阻抗值推算人体的特征参数 Re、Ri 和 Ci，进而推算人体内水分的体积。Gudikawa 等9和 Buchholz 等10认为当人体体液分布非正常时，多频分析能够比 BIA 方法更准确。3BIA 法的简单性使之只能用在产生其样本或与该样本性质(年龄、体型、健康状况等)相同的其他人群11;Ann 等 2007 的实验表明12，BIS 可以用在性质不同的样本(西班牙裔样本、黑人样本和白人样本)上，即多频的 BIS 法克服了 BIA 法的对样本的完全依赖性，但是由于它需要的信号频率多，因此硬件设计相对复杂，且成本高。我们设计了一种基
8、于生物电阻抗原理的体成分测试仪，与同类仪器的对比实验表明，其 50 kHz 单频测试(BIA 法)取得了预期效果，证实了测量原理的正确性。另外，该仪器可程控产生从 5 kHz 到 1 MHz 之间的一系列交流激励信号，为多频测量提供了基础条件。因此，本仪器既可以单频测量人体的生物电阻抗，用 BIA法分析人体的各种成分组成，又可以用多频 BIS 测量人体阻抗的模量和相角，推算人体各种成分组成。2 基于生物电阻抗的人体成分测试仪的设计基于生物电阻抗技术的体成分测量方法是一种间接推算的过程，其准确性依赖于人体的成分模型。目前，常见的人体成分模型有 20 多种，典型的有二元件模型、三元件模型和四元件模
9、型等。二元件模型将人体简化为脂肪物质和非脂肪物质(FFM);Anderson13提出三元件模型，将人体简化为瘦肉物质、脂肪物质和水;Keys14提出将非脂肪物质分为水分、蛋白质和无机盐，加上脂肪物质构成了四元件模型。由于四元件模型能够更准确地描述人体的成分构成，得到了广泛应用。因此，本研究应用四元件模型对人体成分进行分析。由于非脂肪组织具有比脂肪组织更小的电阻抗，当交流电加于人体时，电流将主要通过非脂肪组织。引起非脂肪组织导电的主要物质是电解质水，包括细胞内4液和细胞外液。由于细胞膜电容的存在，在低频情况下，细胞膜的容抗很大，电流基本上不能穿过细胞膜，只能通过细胞外液;随着电流频率的增加，细胞
10、膜的容抗逐渐减小，通过细胞内路径的电流的比例将随之增大15-16，见图 1。根据欧姆定律，导体的电阻与导体的长度成正比，与横截面积成反比，如下式所示。Z=LA=L2V，即 V=L2Z(1)式中，L 表示导体长度，V 为导体的体积， 为导体电阻率。上式表明 L2/Z 与导体体积成线性关系。大量的统计分析表明， L2/Z 同人体水分总体积(TBW)显著相关17，可以由 L2/Z 预测 TBW。由于水分体积跟肌肉含量密切相关，肌肉含量跟无机盐含量密切相关，因此，可以由水分体积推算肌肉和无机盐的含量。根据四元件模型，体重与非脂肪物质(肌肉跟无机盐之和)含量之差可以得到脂肪物质的含量18-19，从而得到
11、完整的人体成分组成。人体是一个不规则的复杂系统，为深入分析其阻抗特性，首先需要建立基于人体几何特征的阻抗模型。目前最典型的是将人体定义为五段圆柱体，包括上下肢和躯干，并将人体的各段简化为性质均匀的理想圆柱体，见图 2。图 2 人体的五段模型15Fig 2 The bodys five-paragraph model3 人体成分测试仪的设计我们所设计的体成分测量装置包括直接数字频率合成器(DDS)、带通滤波器、压控电流源(VCCS)、无感精密参考电阻 Rref、信号调理电路 A1、A2、相位检测芯片 AD8302，单片机系统、存储器、键盘、LCD 显示和通信接口(CAN 总线)等部分，5其结构原
12、理见图 3。3 仪器结构示意图3.1 信号的产生频率可调的交流激励信号源是仪器的重要组成部分，本设计采用直接数字频率合成器(DDS)，通过程序控制直接产生所需要的各种不同频率信号。参考时钟源 fclk 是一个晶体振荡器，用以同步 DDS 的各个组成部分。DDS 合成器主要包括四个部分：相位累加器、相位幅度转换器、D/A 转换器和滤波器，见图 4。DDS的引入能够极大简化多频信号的产生，其合成原理见图 4。输出频率=122825MHz配置字=122825106配置字图 4 DDS 合成原理Fig 4 Synthesis principium of DDSDDS 本身产生的信号含有丰富的高频噪声，
13、同时放大器的偏置电流和偏置电压会引起低频噪声，因此，需要在 DDS 合成器后加一个带通滤波器，以滤除高、低频噪声。采用二阶巴特沃斯滤波器实现，并根据下式计算高、低截止频率：0=R1+R2R1R2R3C1C2(2)式中，Ri 和 Ci(i=1,2)为滤波器的参数。根据需要选择 Ri 和 Ci(i=1,2)，控制滤波器的截止频率，就能够滤除高、低频噪声，得到质量较高的激励信号源。3.2 信号的施加DDS 输出的信号经带通滤波器后，输入到压控电流源中。压控电流源输出电流的大小受输入的电压信号的控制，信号经过压控电流源后，作为仪器的激励信6号施加到人体的相应部位上。为确保测试对象的人身安全，输出电流峰
14、峰值控制在 0.4 mA 范围内。我们所介绍的系统采用 8 电极法(4 对)，每一对包括一个激励电极和一个检测电极。根据测量电极得到的电压值计算某一段的生物电阻抗。电极的分布见图 5。从图 6 可以看出，我们将人体分为五个部分，八个电极分布在四肢上。测量得到六个阻抗值，分别为 AC、AD、BC、BD、AB 和 CD 之间的阻抗，表示为ZAC、ZAD、ZBC、ZBD、ZAB 和 ZCD。然后根据这六个阻抗值，用求解方程组的方法求出 5 个节段的阻抗值，包括两个上肢、躯干和两个下肢。其中，全身阻抗为AD 之间测得的阻抗值 ZAD。3.3 信号的检测从电极输出的信号很微弱，要检测该信号需要微弱信号检
15、测电路。图 6 所示是典型的微弱信号检测电路，其中，A1 和 A2 是结构完全对称的运算放大器。将检测到的信号输入到鉴幅鉴相芯片中，对信号进行鉴幅和鉴相。鉴幅和鉴相是本系统的关键部分。该电路的输入为两路信号：一路为测量人体的输出信号，其中包含测得的人体相应部位的幅值和相位信息，另一路是参考电压。鉴幅鉴相芯片的输出，一个是幅值信号，另一个是相角信号。单片机作为信息处理单元，将处理后的信息与上位机通信，完成数据的传输与显示控制，得到相应部位的幅值和相位信息。杨宇祥等人 2006 年的实验表明，采用 AD8302 作为增益和相位的检测芯片，阻抗幅值的相对误差小于 0.36%，相位的绝对误差小于 0.
16、26。因此，本系统中采7用 AD8302 作为检测芯片，不仅简化了电路设计，而且使测试结果的误差满足设计要求。3.4 计算方法本系统运用解线性方程组的方式计算某一节段的阻抗。假设左上肢的阻抗为R1，右上肢的为 R2，躯干的为 R3，左下肢的为 R4。则 R1 的计算过程如下：ZAC=R1+R3+R4(3)ZBC=R2+R3+R4(4)式(3)、 (4)联立得，ZAC-ZBC=R1-R2(5)然后，结合方程 ZAB=R1+R2(6)式(5)、(6)联立，能够计算出 R1 和 R2。其他节段阻抗的计算方法与上述计算相似。测得的人体躯干阻抗一般在2030 之间，这说明与四肢的阻抗相比，躯干的阻抗很小。 4 实验数据验证4.1 实验对象的选取在征得本人同意的前提下，我们在人群中随机抽取了一个样本，平均年龄为29.610.34 岁。其中男性 30 人，平均年龄为 30.910.89 岁，女性 24 人，平均年龄为 23.251.7 岁。样本选取的原则是：测试时每一位被测者
