技術與動態

技術與動態  >  一種基于生物電阻抗原理的人體成分測試裝置的研制

標題:一種基于生物電阻抗原理的人體成分測試裝置的研制
發表日期:2010-09-02

一種基于生物電阻抗原理的人體成分測試裝置的研制

 作者:祁朋祥,馬祖長,孫怡寧,劉世法    作者單位:(1.安徽省仿生感知與先進機器人技術重點實驗室,中國科學院合肥智能機械研究所,合肥 230031;2.中國科學技術大學 自動化系,合肥 230027) 

【摘要】  人體內各種成分之間的合理比例是維持人體健康的重要因素。與同位素稀釋法、總體鉀法、雙能X線吸收法(DXA)以及皮褶厚度法等方法相比,生物電阻抗法測量人體成分簡單、快速和準確,是體成分測量的理想手段。我們介紹了基于生物電阻抗測量技術的體成分測量原理,并以此為指導設計了一種體成分測試儀。該儀器測試數據重復性高,與同類儀器的對比實驗驗證了其準確性。

【關鍵詞】  生物電阻抗法;人體成分;人體健康;生物電阻抗測量技術;體成分測量儀

The Development of a Body Composition Test

  Device 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 tester

  1 引 言

  隨著社會的進步和生活水平的提高,人們越來越注重自身的健康狀況。人體內各種成分維持合理的比例是保持身體健康的重要條件,例如,體內脂肪增加到一定量將導致肥胖癥等疾病的發生,礦物質的大量流失將導致骨質疏松癥,而腎臟功能性減弱將導致體內水分平衡失調,出現水腫等現象[1]。體成分測量可定量評估人體內各種成分之間的比例關系,是人體健康檢查的重要內容之一,引起了很多研究者的關注。

  人體成分的分析方法有多種[2],如體質指數(BMI)法、皮褶厚度法、水下稱重法、總體鉀法、生物電阻抗法、DXA法、空氣置換體積描記法[3]等。陸大江等人從精度、成本、難易度等方面對各種測量方法作了對比分析[4],指出運用生物阻抗法分析人體成分簡捷、快速、成本低廉、無創、安全,醫生和測試對象易于接受,具有廣闊的應用前景。

  生物電阻抗分析法(BIA)是一種用以評估身體成分的間接方法,其基本思路是將微弱的交流電信號導入人體時,電流會沿著電阻小、傳導性能好的體液流動。水分的多少決定了電流通路的導電性,可用阻抗的測定值來表示。大量實驗數據表明,人體的電阻抗特性與體成分之間存在統計關系,這就是基于生物電阻抗技術的體成分測量原理[5]。早期的BIA方法一般選取一個典型的樣本人群,用單頻信號測得樣本的生物電阻抗,通過經驗公式推算人體成分[6-8],這種方法比較容易實現。

  隨著電子技術的發展,研究者進一步提出了基于生物電阻抗頻譜法(BIS)的體成分測量法。它是在一個頻率范圍內選取多個頻點,根據人體阻抗的模擬電路模型(指人體的細胞外液電阻Re、細胞內液電阻Ri和細胞膜電容Ci三元件模型),用測得的阻抗值推算人體的特征參數Re、Ri和Ci,進而推算人體內水分的體積。Gudikawa 等[9]和Buchholz 等[10]認為當人體體液分布非正常時,多頻分析能夠比BIA方法更準確。

  BIA法的簡單性使之只能用在產生其樣本或與該樣本性質(年齡、體型、健康狀況等)相同的其他人群[11];Ann等2007的實驗表明[12],BIS可以用在性質不同的樣本(西班牙裔樣本、黑人樣本和白人樣本)上,即多頻的BIS法克服了BIA法的對樣本的完全依賴性,但是由于它需要的信號頻率多,因此硬件設計相對復雜,且成本高。

  我們設計了一種基于生物電阻抗原理的體成分測試儀,與同類儀器的對比實驗表明,其50 kHz單頻測試(BIA法)取得了預期效果,證實了測量原理的正確性。另外,該儀器可程控產生從5 kHz到1 MHz之間的一系列交流激勵信號,為多頻測量提供了基礎條件。因此,本儀器既可以單頻測量人體的生物電阻抗,用BIA法分析人體的各種成分組成,又可以用多頻BIS測量人體阻抗的模量和相角,推算人體各種成分組成。

  2 基于生物電阻抗的人體成分測試儀的設計

  基于生物電阻抗技術的體成分測量方法是一種間接推算的過程,其準確性依賴于人體的成分模型。目前,常見的人體成分模型有20多種,典型的有二元件模型、三元件模型和四元件模型等。二元件模型將人體簡化為脂肪物質和非脂肪物質(FFM);Anderson[13]提出三元件模型,將人體簡化為瘦肉物質、脂肪物質和水;Keys[14]提出將非脂肪物質分為水分、蛋白質和無機鹽,加上脂肪物質構成了四元件模型。由于四元件模型能夠更準確地描述人體的成分構成,得到了廣泛應用。因此,本研究應用四元件模型對人體成分進行分析。

  由于非脂肪組織具有比脂肪組織更小的電阻抗,當交流電加于人體時,電流將主要通過非脂肪組織。引起非脂肪組織導電的主要物質是電解質水,包括細胞內液和細胞外液。由于細胞膜電容的存在,在低頻情況下,細胞膜的容抗很大,電流基本上不能穿過細胞膜,只能通過細胞外液;隨著電流頻率的增加,細胞膜的容抗逐漸減小,通過細胞內路徑的電流的比例將隨之增大[15-16],見圖1。

  根據歐姆定律,導體的電阻與導體的長度成正比,與橫截面積成反比,如下式所示。

  Z=ρLA=ρL2V,即V=ρL2Z(1)

  式中,L表示導體長度,V為導體的體積,ρ為導體電阻率。

  上式表明L2/Z與導體體積成線性關系。大量的統計分析表明, L2/Z同人體水分總體積(TBW)顯著相關[17],可以由L2/Z預測TBW。由于水分體積跟肌肉含量密切相關,肌肉含量跟無機鹽含量密切相關,因此,可以由水分體積推算肌肉和無機鹽的含量。根據四元件模型,體重與非脂肪物質(肌肉跟無機鹽之和)含量之差可以得到脂肪物質的含量[18-19],從而得到完整的人體成分組成。

  人體是一個不規則的復雜系統,為深入分析其阻抗特性,首先需要建立基于人體幾何特征的阻抗模型。目前最典型的是將人體定義為五段圓柱體,包括上下肢和軀干,并將人體的各段簡化為性質均勻的理想圓柱體,見圖2。圖2 人體的五段模型[15]

  Fig 2 The body's five-paragraph model3 人體成分測試儀的設計

  我們所設計的體成分測量裝置包括直接數字頻率合成器(DDS)、帶通濾波器、壓控電流源(VCCS)、無感精密參考電阻Rref、信號調理電路A1、A2、相位檢測芯片AD8302,單片機系統、存儲器、鍵盤、LCD顯示和通信接口(CAN總線)等部分,其結構原理見圖3。

  3 儀器結構示意圖

  3.1 信號的產生

  頻率可調的交流激勵信號源是儀器的重要組成部分,本設計采用直接數字頻率合成器(DDS),通過程序控制直接產生所需要的各種不同頻率信號。參考時鐘源fclk是一個晶體振蕩器,用以同步DDS的各個組成部分。DDS 合成器主要包括四個部分:相位累加器、相位幅度轉換器、D/A 轉換器和濾波器,見圖4。DDS的引入能夠極大簡化多頻信號的產生,其合成原理見圖4。

  輸出頻率=1228×25MHz×配置字=1〖〗228×25×106×配置字圖4 DDS合成原理

  Fig 4 Synthesis principium of DDS

  DDS本身產生的信號含有豐富的高頻噪聲,同時放大器的偏置電流和偏置電壓會引起低頻噪聲,因此,需要在DDS合成器后加一個帶通濾波器,以濾除高、低頻噪聲。采用二階巴特沃斯濾波器實現,并根據下式計算高、低截止頻率:

  ω0=R1+R2R1R2R3C1C2(2)

  式中,Ri和Ci(i=1,2)為濾波器的參數。根據需要選擇Ri和Ci(i=1,2),控制濾波器的截止頻率,就能夠濾除高、低頻噪聲,得到質量較高的激勵信號源。

  3.2 信號的施加

  DDS輸出的信號經帶通濾波器后,輸入到壓控電流源中。壓控電流源輸出電流的大小受輸入的電壓信號的控制,信號經過壓控電流源后,作為儀器的激勵信號施加到人體的相應部位上。為確保測試對象的人身安全,輸出電流峰峰值控制在0.4 mA范圍內。

  我們所介紹的系統采用8電極法(4對),每一對包括一個激勵電極和一個檢測電極。根據測量電極得到的電壓值計算某一段的生物電阻抗。電極的分布見圖5。

  從圖6可以看出,我們將人體分為五個部分,八個電極分布在四肢上。測量得到六個阻抗值,分別為AC、AD、BC、BD、AB和CD之間的阻抗,表示為ZAC、ZAD、ZBC、ZBD、ZAB和ZCD。然后根據這六個阻抗值,用求解方程組的方法求出5個節段的阻抗值,包括兩個上肢、軀干和兩個下肢。其中,全身阻抗為AD之間測得的阻抗值ZAD。

  3.3 信號的檢測

  從電極輸出的信號很微弱,要檢測該信號需要微弱信號檢測電路。圖6所示是典型的微弱信號檢測電路,其中,A1和A2是結構完全對稱的運算放大器。將檢測到的信號輸入到鑒幅鑒相芯片中,對信號進行鑒幅和鑒相。鑒幅和鑒相是本系統的關鍵部分。該電路的輸入為兩路信號:一路為測量人體的輸出信號,其中包含測得的人體相應部位的幅值和相位信息,另一路是參考電壓。鑒幅鑒相芯片的輸出,一個是幅值信號,另一個是相角信號。單片機作為信息處理單元,將處理后的信息與上位機通信,完成數據的傳輸與顯示控制,得到相應部位的幅值和相位信息。

  楊宇祥等人2006年的實驗表明,采用AD8302作為增益和相位的檢測芯片,阻抗幅值的相對誤差小于0.36%,相位的絕對誤差小于0.26°。因此,本系統中采用AD8302作為檢測芯片,不僅簡化了電路設計,而且使測試結果的誤差滿足設計要求。

  3.4 計算方法

  本系統運用解線性方程組的方式計算某一節段的阻抗。假設左上肢的阻抗為R1,右上肢的為R2,軀干的為R3,左下肢的為R4。則R1的計算過程如下:

  ZAC=R1+R3+R4(3)

  ZBC=R2+R3+R4(4)

  式(3)、 (4)聯立得,

  ZAC-ZBC=R1-R2(5)

  然后,結合方程ZAB=R1+R2(6)

  式(5)、(6)聯立,能夠計算出R1和R2。

  其他節段阻抗的計算方法與上述計算相似。測得的人體軀干阻抗一般在20~30 Ω之間,這說明與四肢的阻抗相比,軀干的阻抗很小。

  4 實驗數據驗證

  4.1 實驗對象的選取

  在征得本人同意的前提下,我們在人群中隨機抽取了一個樣本,平均年齡為29.6±10.34歲。其中男性30人,平均年齡為30.9±10.89歲,女性24人,平均年齡為23.25±1.7歲。樣本選取的原則是:測試時每一位被測者身體均健康,沒有患影響身體體液分布的疾病,對測試者的體型沒有特殊要求,也沒有限定身體質量指數(BMI)范圍。其目的就是盡量使實驗滿足隨機性條件,使試驗結果具有更廣泛的適用范圍。實驗樣本的基本信息見表1。表1 樣本對象的基本信息

  4.2 儀器性能分析

  對本文設計儀器性能的分析主要從檢驗測試的重復性和驗證結果的有效性兩方面進行。

  首先檢驗儀器測試結果的重復性。方法如下:在測量條件一致的前提下,我們對同一組樣本進行了兩次跟蹤測試,時間間隔不超過2 d。測試結果見表2。表2 重復性測試結果

  從表2可以看出,同一組樣本阻抗值的前后兩次測試,在顯著度為0.01的條件下相關系數為1.00,即兩次測試結果沒有統計學差異,證明了本研究所設計儀器的測試結果具有很高的重復性。

  其次驗證本研究設計儀器測試結果的有效性。方法如下:采用同一測試條件(樣本,激勵頻率等),將本研究所設計儀器的阻抗測試結果與TanitaTBF-418B的測試結果進行對比。數據對比見表3。表3 兩種儀器測試結果的對比

  其中:A表示用本文所設計的儀器所得的測試結果,B表示用Tanita儀器的測試結果。

  對同一樣本用兩種儀器進行測試,我們對原始數據進行了回歸分析。結果表明,在0.01的顯著度水平上,該儀器測得的右下肢阻抗與Tanita測得的右下肢阻抗的相關系數為0.995;左下肢的相關系數為0.989;右上肢的相關系數為0.978;左上肢的相關系數為0.986;軀干的相關系數為0.985??梢?,由兩種儀器測得的身體各段阻抗結果,在統計學上沒有明顯差異。

  根據測得的阻抗推理得到人體水分總體積(TBW),我們將兩種儀器的TBW推理結果進行了對比,結果見圖7(其中,“Tanita”指的是用Tanita得到的結果,“本儀器”指的是本文設計儀器給出的結果)。

  從圖7可以看出,用兩種儀器對TBW和FFM測試結果的差異很小,說明本研究設計儀器的測試結果與Tanita的結果沒有明顯差異,從而證明了本文所設計的儀器的有效性。

  4.3 討論

  (1)根據上述實驗結果,盡管人體的左上肢與右上肢、左下肢與右下肢的阻抗差別不是很大,但是大部分人的右邊肢體(包括右上肢和右下肢)阻抗的平均值要略低于左邊肢體(包括左上肢和左下肢)??赡苁怯抑w的活動較多,導致該部分的肌肉橫截面積比左肢體大,在長度相同的條件下,根據歐姆定律,右肢體的阻抗要低于左肢體。

  (2)人體總阻抗大約為500 Ω,其中,軀干的阻抗一般在20~30 Ω之間,而四肢的阻抗一般在200~300 Ω之間,這表明即使軀干阻抗變化100%(20 Ω左右),反映在總阻抗上的變化也只有4%左右。這樣,總體阻抗法測得的結果往往會掩蓋軀干部分的成分變化,反映不出身體成分變化的真實情況。但是,采用分段法測量,將軀干與四肢分離,能夠準確了解阻抗的變化是由身體的哪一部分引起的,便于對身體成分構成進行準確的評估。

  (3)由于人體的內臟器官集中在軀干段里,所以準確評估軀干的成分構成,有利于臨床上對人體的健康狀況進行評價。五段法測量的最大優勢就是能將身體各段分開,尤其是將軀干與四肢分離開,這樣能夠避免四肢阻抗掩蓋軀干阻抗的變化,同時采用8電極法得到的阻抗信息,能夠對測試結果進行交叉驗證。從各段阻抗得到了各段的成分構成,進一步將這些信息綜合起來便得到了總體成分構成。

  (4)分析結果表明,雖然FFM與TBW之間成正相關關系(P=0.01時,相關系數為0.967),但是對數據的進一步分析發現,FFM與TBW之間的比例并不是固定的。這說明,在該頻率下不能使用簡單的比例關系由TBW推理FFM。

  5 結論

  我們介紹的基于生物電阻抗技術的人體成分測試儀,結構簡單、成本低廉,AD8302的使用將幅值和相位的檢測集成在一起,極大簡化了硬件電路設計的復雜度和成本。實驗結果表明該儀器用單頻信號對阻抗的測試精度高、重復性好,在與同類儀器的對比中,驗證了該儀器對體成分預測結果的準確性。下一步我們將在本文單頻BIA方法的的基礎上,根據生物電阻抗測量原理,用本儀器的多頻信號進一步研究BIS對人體成分預測的有效性。

【參考文獻】
    [1]侯少華,李旭鴻,鄭秀媛,等.運用生物電阻抗法對成年人人體成分的研究[J].體育科研,2006,27(2).

  [2]黃錕,陶芳標,任安,等.兒童青少年體成分不同測量方法比較[J].中國公共衛生, 2007,11,23(11).

  [3]Mast M, Sonnichsen A, Langnase K, et al. Inconsistencies in bioelectrical impedance and anthropometric measurement of fat mass in a field study of prepubertal children[J]. Br J Nutr, 2002, 87(2):163-175.

  [4]陸大江,陳佩杰,李效凱.身體成分測定方法介紹[J].中國運動醫學雜志,2002,21(3):332.

  [5]Miki Nagano, Sachiyo Suita, and Takeshi Yamanouchi Fukuoka. The validity of bioelectrical impedance phase angle for nutritional assessment in children[J]. Journal of Pediatric Surgery,2000,35(7):1035-1039.

  [6]謝旭東.生物電阻抗法測量人體成分的研究[J].棗莊學院學報,2007,24(2):99-100.

  [7]付峰,臧益民,董秀珍,等. 部分離體動物組織電阻抗頻率特性(100Hz-10MHz)測量系統及初步測量結果[J].第四軍醫大學學報,1999,20:220.

  [8]Baumgartner RN, Ross R, and Heymsfield SB. Does adipose tissue in?uence bioelectric impedance in obese men and women[J].J Appl Physiol,1998,84:257-262.

  [9]BuchholzAC, BartokC and Schoeller DA. The validity of bioelectrical impedancemodels in clinical populations[J].J Nutr Clin Pract,2004,19: 433-46.

  [10]Gudikawa R, Schoeller D A, Kushner R F,et al.1999 Single and multifrequency models for bioelectrical impedance analysis of body water compartments[J]. J Appl Physiol,1987,10:87-96.

  [11]Ulrich M Moissl, Peter Wabel, Paul WChamney,et al. Body fluid volume determination via body composition spectroscopy in health and disease[J]. Physiological measurement,2006,27: 921-933.

  [12]Ann L Gibson, Jason C Holmes, Rechard L Desautels,et al.Ability of new octapolar bioimpedance spectroscopy analyzers to predict 4-component-model percentage body fat in Hispanic, black, and white adults[J]. The American Journal of Clinical Nutrition,2008,87:332-338.

  [13]Anderson EC. Three-component body composition analysis based on potassium and water determinations[J]. Ann NY Acad Sci, 1963,110: 189-210.

  [14]Keys A, Brozek J. Body fat in adult men[J]. Physiol Rev, 1953,33: 245-325.

  [15]侯曼,劉靜民,侯少華 應用生物電阻抗法測定人體體成分的研究進展[J].南京體育學院學報(自然科學版),2004,3(1):11-15.

  [16]Baumgartner RN. Estimation of body composition form bioelectric impedance of body segments[J]. Am J Clin Nutr, 1989,50:221-226.

  [17]Kushner RF and Schoeller DA. Estimation of total body water by bioelectrical impedance analysis[J]. Am J Clin Nutr,1986, 44: 417-424.

  [18]黃海濱,任超世.生物電阻抗分析法(BIA)測量人體成分[J].國外醫學生物醫學工程分冊,2000,23(3):151-155.

  [19]劉群,王京鐘,聞芝梅.生物電阻抗分析與人體體成分測量[J].國外醫學衛生分冊,1991,(4): 227-228.