用于人体成分测定的多频复阻抗同步获取系统

用于人体成分测定的多频复阻抗同步获取系统

叶小灿;张弦;王远;马祖长;陈焱焱

【摘要】目的设计一种生物组织多频复阻抗同步获取系统,克服多频复阻抗同步测量受栅栏效应影响的问题,用于人体脂肪、肌肉等组成成分的精确测定.方法首先根据频域阻抗测量原理,基于现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)编程实现了一个用于阻抗测量的高精度多频复合激励源,然后设计了适宜于微弱信号的高信噪比调理和采集模块,之后提出一种避免栅栏效应影响的精确离散傅里叶变换(discrete Fourier transform,DFT)分析方法,实现了精准且简便的多频复阻抗同步测量分析系统.最后采用人体RC模型和对比设备分别进行了复阻抗和人体成分测量准确性的验证实验.结果人体阻抗模型测量表明该系统幅值相对误差不超过1％,相位角最大误差不超过0.5°,人体成分主要测量指标与Tanita MC-180测量结果的相关系数r=0.984～0.994(P<0.001).结论该系统同MC-180的测量结果高度显著相关,同时,复杂度低使得该系统易于普及推广,为身体成分的大样本人群普查提供了一种有效的手段.

【期刊名称】《北京生物医学工程》

【年(卷),期】2018(037)004

【总页数】7页(P364-370)

【关键词】生物电阻抗;人体成分;多频复阻抗;同步获取;栅栏效应

【作者】叶小灿;张弦;王远;马祖长;陈焱焱

【作者单位】安徽省食品药品检验研究院合肥 230051;安徽省食品药品审评认证

中心合肥 230051;中国科学院合肥智能机械研究所合肥230031;中国科学院合肥智能机械研究所合肥230031;中国科学院合肥智能机械研究所合肥230031

【正文语种】中文

【中图分类】R318.04

0 引言

人体成分测定是通过测量身体主要组分的物理特性，并依据人体组成学理论计算各组成的含量与分布。通过人体成分测定可以间接了解人体组织的生理状态和病理状况[1]，对提高身体体质、维持和促进健康、诊断和治疗疾病具有重要意义[2-3]。其中基于生物电阻抗技术的人体成分测定方法具有测试简单、结果可靠的优点[4-6]，被广泛运用。

生物电阻抗人体成分测定是通过表面电极测量身体相关组织的阻抗，结合个体年龄、性别等相关生物特质推定身体组成[7]，其测试结果准确度与所获得阻抗信息的丰

富程度和精度密切相关[8]。用于人体成分分析的电阻抗测量经历了从纯电阻到复

阻抗、从单频点到多频点的技术演变[9-11]。其中基于经典生物电阻抗RC三元件模型的多频复阻抗检测方法更能全面表征人体的生物阻抗特征[12-14]，对其进行

精准而便捷的检测一直是生物电阻抗领域的研究重点和热点。

目前多频生物电阻抗测量方法大多属分时单频测量法[7]，即依次逐频点扫描生物

体的阻抗，计算人体细胞的等效RC值，进而推定人体组成成分。其弊端是耗时长，同时由于受人体心跳、呼吸等生理状态变化影响，非同步获取的各频点阻抗之间存在一定的差异，影响复阻抗测试精度。苏密勇等[15]给出了一种时域复阻抗同步检测方法，但时域测量法硬件复杂且抗干扰能力较差。杨宇祥、邱斌等[16-18]给出

了一种基于快速傅立叶变换(fast Fourier transform，FFT)中变换频域多频复阻抗同步获取方法，但栅栏效应影响了FFT测试阻抗的准确度。

为此，本研究给出了一种用于多频点生物电阻抗同步测量的采样频率和离散傅里叶变换点数选取方法，并基于该方法设计了相应的检测电路与阻抗分析方法，避开栅栏效应的影响，提高了复阻抗测量精度，并且减小了运算量。

1 人体多频点复阻抗同步测量方法

人体生物电阻抗测量频段通常在5 kHz～1 MHz之间，频率低于5 kHz的阻抗测量电流通过皮肤衰减很大，频率高于1 MHz的阻抗相角很小，都不适合测量。其中频率50 kHz以下激励电流很难通过细胞膜寄生电容，频率200 kHz以上的激励电流可以完全贯穿细胞膜寄生电容，因此分别用于测量细胞外和细胞内的成分，如图1所示。目前多频人体体成分测量通常是在5 kHz、50 kHz、100 kHz、250 kHz、500 kHz、1 MHz几个代表的频点中选几个频率进行阻抗测量。

图1 人体细胞组织的电流特性Figure 1 Current characteristics of human tissue

图2 FFT栅栏效应Figure 2 The fence effect of FFT

频域分析是同步多频点复阻抗测量的重要方法，通常是通过FFT变换分析获得检测信号的幅值与相位，这是因为FFT分析运算量通常情况下明显小于离散傅里叶变换(discrete Fourier transform, DFT)分析，但在人体多频点复阻抗测量方面却有特殊性，原因如下：(a)FFT分析的变换点数必须是2的整数次方，采样频率很难设置为其整数倍，导致需要分析的频点往往落在变换后的两个频点之间，即栅栏效益，如图2所示，势必影响分析精度。而DFT的变换点数没有限制，如果设置信号采样频率fs、DFT变换点数N和基频f0之间的关系满足公式(1)，则需要分析的频点就正好落在DFT变换的频率点上，能够提高分析精度。(b)FFT分析必须先计算整个频谱后才能得到需要的那部分频谱，而用于人体成分分析的多频复阻抗

测量仅关注几个特殊的频点，DFT分析则可以按照公式(2)单独计算每一条频带，因此用DFT计算几个关注频点的方法反而降低了计算量。

fs/N=f0/M (M为自然数)(1)

(2)

式中：a f0、b f0、c f0是几个关心的频点；f0是这些频点的基频。通过公式(1)就可以得到a f0、b f0、c f0几个频点上的信号幅值与相位,a f0、b f0、c f0几个频点正好落在Ma+1、Mb+1、Mc+1谱线位置处。

2 测量系统软硬件实现

2.1 硬件系统设计

多频生物电阻抗同步测量的硬件实现如图3所示。在一个现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)上构建多路直接频率合成器(direct digital synthesis, DDS)，将多路DDS输出的单频信号经加法器电路合成为多频点复合激励源，并通过自动平衡电桥加载到参考电阻与待测人体；同时检测该激励源在参考电阻与人体产生的激励电压信号，并由微控制器(microcomputer control unit, MCU)控制A/D采集并传输到平板电脑分析。

2.1.1 多频复合激励信号源

多频复合激励信号源由多路单频信号源通过加法器电路合成，每路单频信号源利用DDS技术实现，其中相位累加与波形存储部分由FPGA实现，如图4所示，虚线框内由FPGA实现。

2.1.2 有源驱动屏蔽电路

用于人体阻抗测量的线缆较长，线缆间的耦合电容影响复阻抗相位测量准确度。基于抗干扰理论与实践，传输弱信号的电缆线的屏蔽层加上一定电位时，将大大减小由屏蔽层与芯线之间分布电容耦合引入的干扰，如图5所示，用运放AD8627构造出屏蔽层驱动器。