基于生物电阻抗原理的人体成分测试装置的研制

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，刘世法作者单位：(1.安徽省仿生感知与先进机器人技术重点实验室，中国科学院合肥智能机械研究所，合肥230031;2.中国科学技术大学自动化系，合肥230027)【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The Development of a Body Composition TestDevice based on Bioelectrical ImpedanceQI Pengxiang1,2,MA Zuchang1, SUN Yining1,LIU Shifa1,2(1.The Key Laboratory of Biomimetic Sensing and Advanced Robot Technology, Anhui Province,Institute of Intelligence Machines, Chinese Academy of Science, Hefei 230031，China;2.Dept of Auto，University of Science and Technology of China, Hefei 230027)Abstract：A reasonable ratio between various 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 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. 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Re、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。

BIA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型等。

二元件模型将人体简化为脂肪物质和非脂肪物质(FFM);Anderson[13]提出三元件模型，将人体简化为瘦肉物质、脂肪物质和水;Keys[14]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=ρLA=ρL2V，即V=ρL2Z(1)式中，L表示导体长度，V为导体的体积，ρ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[15]Fig 2 The body's 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，其结构原理见图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=1228×25MHz×配置字=1〖〗228×25×106×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，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：ω0=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。