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作者：趙深林 牟東蘭 重慶郵電大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程研究中心 時間：2009-09-08 來源:電子產(chǎn)品世界 人體的組成成份及變化情況是評價人們營養(yǎng)狀況和健康水平的重要因素。人體成分的分析越來越受到生理學(xué)家、營養(yǎng)學(xué)家及醫(yī)生的重視。肥胖已成為在全球范圍患病人數(shù)迅速增加的一種流行性疾病，我國也不例外。特別是人體體內(nèi)的脂肪含量的分析，對于評價人的營養(yǎng)狀況、體質(zhì)研究、臨床疾病治療具有重要的意義。對人體成分的測定方法有很多，如水下稱重法、核磁共振法、同位素稀釋法等，這些方法都需要特殊的儀器和設(shè)備，且儀器設(shè)備大多價格昂貴。針對這種情況，本文根據(jù)生物組織電阻抗特性，應(yīng)用生物電阻抗技術(shù)設(shè)計制作了安全、無損傷、價廉的人體成分測量裝置。生物電阻抗技術(shù)是利用生物組織與器官的電特性來提取與人體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的無創(chuàng)檢測技術(shù)。其基本測量方式是通過體表電極向檢測對象施加安全的激勵電流，并使用體表電極檢測相應(yīng)的電壓變化，獲取相關(guān)信息。 檢測原理 人體阻抗特性 人體的基本構(gòu)造是細(xì)胞，每個細(xì)胞有一層細(xì)胞膜，細(xì)胞膜內(nèi)包裹著細(xì)胞內(nèi)液，在細(xì)胞間充盈著細(xì)胞外液。細(xì)胞膜由雙層磷脂分子和蛋白質(zhì)組成，細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液都相當(dāng)于電解質(zhì)溶液，因此細(xì)胞膜的導(dǎo)電性遠(yuǎn)小于細(xì)胞內(nèi)外液，近似為絕緣體。當(dāng)直流或低頻電流施加于生物組織時，由于細(xì)胞膜的存在，電流將以任意一種可能的方式繞過細(xì)胞，主要流經(jīng)細(xì)胞外液;當(dāng)施加高頻電流時，電流穿過細(xì)胞膜，流經(jīng)細(xì)胞內(nèi)液。 實驗表明，當(dāng)電流頻率小于50kHz時，電流主要流過細(xì)胞外液體;當(dāng)電流頻率在200kHz以上時，電流可穿過細(xì)胞膜。 電流流過生物組織時細(xì)胞膜等效于電容，而細(xì)胞內(nèi)外液等效于電阻。對于整個生物組組織，可視為無數(shù)的細(xì)胞的集合，在低頻電流流過時，由于細(xì)胞膜的容抗作用，等效于無數(shù)的電容并聯(lián)對電流具有容抗作用，等效于一個總電容，根據(jù)cole-cole模型，當(dāng)高頻的電流施加于生物組織時，由于細(xì)胞內(nèi)外液的電阻抗遠(yuǎn)大于細(xì)胞膜電容抗，可忽略容抗作用，只考慮電阻抗。其等效電路模型如圖1所示，圖中Ri、Rm分別是細(xì)胞內(nèi)液、外液電阻，C為細(xì)胞膜電容。 
生物電阻抗測量原理及與人體成分含量的關(guān)系 ● 人體環(huán)段假設(shè) 當(dāng)電信號導(dǎo)入人體時，電流主要流過導(dǎo)電性好的肌肉等含水的組織，而脂肪和骨骼基本沒有電流通過。頭顱和手足中含脂肪和肌肉很少，對其體成分的分析沒有什么意義，只取人體的四肢和軀干進(jìn)行分析。然而肌肉等含水的組織在人體四肢和軀干中的含量不同，如大腿的肌肉多于手臂的肌肉，因此必須對人體進(jìn)行分段。對于肢體或軀干，導(dǎo)電組織的分布也是不均勻的，可以將其理想化為電阻率均勻的圓柱體。綜上所述，可以將人體分為5環(huán)段，每個環(huán)段都為圓柱體，如圖2所示。圖中將人體分為5個環(huán)段，包括左右手、左右腿及軀干。
● 生物電阻抗測量原理 生物電阻抗測量是一種利用生物組織與器官的電特性及其變化規(guī)律提取與人體生理狀況相關(guān)的信息的生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)。 測量生物電阻抗時，采用三個頻率的電流信號輸入，即10kHz、50kHz、100kHz。采用8電極，其電極的位置如圖3所示，圖中用數(shù)字1至8分別標(biāo)記電極的位置。其中 1、3電極置于掌心，2、4電極置于掌根，5、7電極置于足心，6、8電極置于足跟;1、3、5、7為電流極、2、4、6、8為電壓極。假設(shè)人體環(huán)段電阻為R，由歐姆定律知它是測量電極兩端的電壓與輸入電流的商，即：
當(dāng)安全電流通過1和5電極輸入時，將測量電極分別置于2和4、2和8、6和8處，測量兩端的電壓，從而分別計算出人體左手、軀干、左腿的電阻抗;然后將安全電流由電極3和7輸入，測量電極置于4和2、8和6處，分別測出兩端的電壓，分別計算出右手、右腿的電阻抗。 對于人體各個環(huán)段，假設(shè)電阻率均勻則：
式中r為人體環(huán)段的電阻率，L為環(huán)段長度，A為環(huán)段橫截面積;將式(2)的分子分母同時乘得到L/L：
即得被測環(huán)段體積Vm為：
● 生物電阻抗與人體成分含量的關(guān)系 在人體瘦組織中含有大量的水和導(dǎo)電的電介質(zhì)，其電阻較小，而脂肪組織含電介質(zhì)較少，其電阻值較高。當(dāng)高頻電流流過人體時，導(dǎo)電體近似認(rèn)為只有肌肉組織，而脂肪組織被視為絕緣體。在理論上組織的電阻抗反映人體總體水的體積含量，由體積與密度的乘積可得人體總水的含量。當(dāng)?shù)皖l電流輸入人體時，由生物組織電阻抗特性(如圖1所示)可知，導(dǎo)電體是細(xì)胞外液，細(xì)胞等效于電容，由于細(xì)胞的容抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于細(xì)胞外液的阻抗，因此由公式(4)可以計算出細(xì)胞外液的體積，進(jìn)而得到細(xì)胞外液的含量。 根據(jù)人體總水由細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液組成可知，細(xì)胞內(nèi)液的含量是細(xì)胞總水與細(xì)胞外液的差值。人體總水含量就近似等于人體肌肉含量，用人體總質(zhì)量減去總水含量就等于人體的體脂含量。 測量系統(tǒng)設(shè)計 圖4所示為人體成分測量系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，通過置于手和足的電極向人體外加激勵電流，提取對側(cè)電極間的電壓信息。測量系統(tǒng)由單片機(jī)、正弦信號發(fā)生器、恒流源電路、液晶顯示器、存儲器、光電隔離器件、差分放大電路、外置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)組成。
系統(tǒng)工作時，首先對單片機(jī)編程，經(jīng)過光電耦合器件控制正弦信號發(fā)生器發(fā)出多個頻率(10kHz、50kHz、200kHz)的正弦電壓信號，再由恒流源電路(電壓控制電流源)將信號發(fā)生器的正弦波電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，經(jīng)過電流電極輸入到人體;電壓電極采集電壓信號，由于電壓信號幅值很小，經(jīng)差分放大后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)，再輸入單片機(jī)完成相應(yīng)的處理。 系統(tǒng)硬件設(shè)計 在設(shè)計中，單片機(jī)的作用是：控制電極通道的選擇，產(chǎn)生控制信號送正弦信號發(fā)生器，對采集的電壓信號與輸入的電流源信號完成相應(yīng)運(yùn)算求出生物電阻抗，再根據(jù)生物電阻抗與人體成分含量的關(guān)系計算出人體成分含量的各個參數(shù)。 本裝置為在體測量裝置，考慮到受試者的安全，與受試者相連的電路部分和電網(wǎng)電壓之間用光電耦合管進(jìn)行電氣隔離。另外，激勵電極施加于人體上的激勵電流的幅值也控制在100mA，遠(yuǎn)低于人體對電流的最小感覺闋值，從而保證了受試者的安全。 電極選擇開關(guān)電路用來選通8個電極中的4個電極，從而測量人體各個環(huán)段阻抗。本裝置設(shè)計了一種多路選擇開關(guān)來控制相應(yīng)的電極，如圖5所示。圖中電極的標(biāo)號與圖3電極標(biāo)記對應(yīng)，1、3、5、7電極為電流電極，2、4、6、8電極為電壓電極， K1、K2、K3、K4均為選擇開關(guān)，由單片機(jī)控制其選擇的通道。
根據(jù)人體的5環(huán)段模型，測量每個環(huán)段的電阻抗，通道開關(guān)的選通表如表1所示。生物電阻抗一般都很小，在微弱的電流的激勵下產(chǎn)生的壓降也很小，因此在模數(shù)轉(zhuǎn)換前需對信號進(jìn)行放大。為滿足信號采集的要求，采用12位、逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器件AD1674，其轉(zhuǎn)換速度最大為35ms，轉(zhuǎn)換精度≤0.05%。
系統(tǒng)要求顯示出單片機(jī)處理后得到的人體成分含量，所以要用到顯示設(shè)備。在設(shè)計中，選用分辨率為320×240的SYM320240B點陣式液晶顯示器。液晶顯示器通過液晶顯示控制器SED1335與單片機(jī)直接相連，接受單片機(jī)的指令，完成顯示功能。 為了便于數(shù)據(jù)的記錄，本裝置還設(shè)計了數(shù)據(jù)存儲模塊。單片機(jī)內(nèi)部只有256B的數(shù)據(jù)存儲空間，不足以存儲本設(shè)計的數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)還添加了外部存儲模塊，采用64kB的靜態(tài)讀寫存儲器(SRAM6264)。 系統(tǒng)軟件流程 本測量裝置的功能是在不同的頻率點測量人體的阻抗值，然后根據(jù)人體的阻抗值與人體的成分含量的關(guān)系，計算出受試者體脂、總水、細(xì)胞內(nèi)外液的含量，最后顯示計算結(jié)果。本裝置的系統(tǒng)軟件程序用C語言與匯編共同編寫，采用模塊化結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，便于以后進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)軟件由主程序、正弦信號發(fā)生程序、 A/D轉(zhuǎn)換控制程序、顯示程序、數(shù)據(jù)處理程序等構(gòu)成。軟件流程圖如圖6所示。
結(jié)論 本文對人體阻抗特性進(jìn)行了詳細(xì)介紹，根據(jù)人體環(huán)段模型，采用8個電極測量人體的分段阻抗，通過相應(yīng)的軟硬件實現(xiàn)人體成分含量測量。該裝置主要測量人體體脂含量，從而評估人體營養(yǎng)狀況，可作為診斷肥胖癥的依據(jù)。它具有便攜、無創(chuàng)傷、低成本、測量簡便等優(yōu)點，是未來人體成分分析儀器的發(fā)展方向。 參考文獻(xiàn)： [1] 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(自然科學(xué)版), 2004,3(1):11-14 [2] 湯一平，趙煦華.基于ARM的人體脂肪測量儀的設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制, 2008,16(6):887-890 [3] 劉莛.人體成分測定方法的進(jìn)展[J].第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報2002,24(11):50-53 [4] 王慧艷.生物電阻抗法測量人體組成成份[J].國外醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程分冊,1996,19(2):96-103 [5] 任超世.生物電阻抗測量技術(shù)[J].中國醫(yī)療器信息，2004,10(1);21-25 [6] 孫永文，韓建國.便攜式生物電阻抗測量系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制, 2005,13(7):645-646 [7] 杜艷艷.利用SMFBIA和MRI法建立中國人環(huán)段體成分模型[D].北京師范大學(xué)出版社, 2007 [8] 肖偉，徐小玲，羅勤等.阻抗式人體脂肪測定儀的研制[J].南昌大學(xué)學(xué)報(工科版), 2003,25(3):44-46 |
