生物電阻抗分析

 

生物電阻抗分析是一種用來測量人體組成和評估臨床狀況的低成本、非侵入技術(shù)。生物阻抗是一個(gè)由電阻值R（實(shí)數(shù)部分）和電抗值Xc（虛數(shù)部分）組成的復(fù)數(shù)，前者主要由人體內(nèi)的水分總量所致，后者主要是由細(xì)胞膜產(chǎn)生的電容所致。該阻抗也可以用模為| Z |、相位角為φ的矢量來表示。相位角在確定人體組成方面起主要作用。

 

   (1)

   (2)

   (3)

 

橫截面積為S、長度為l的導(dǎo)體的電阻R，以及表面積為S、距離為d的平行板電容的容值C由以下公式給出：

 

   (4)

   (5)

 

從公式4和公式5中可以看出，電阻和電容取決于幾何參數(shù)（長度、距離和表面積），這意味著它們與采用的測量系統(tǒng)和物理參數(shù)有關(guān)；也就是說，電阻率ρ和介電常數(shù)ε與待測材料的類型（在本示例中為生物組織）密切相關(guān)。圖1顯示了一個(gè)生物阻抗及其測量儀器的電特性簡化模型。RE考慮的是細(xì)胞外液的電阻，RI代表細(xì)胞內(nèi)液的電阻，Cm是細(xì)胞膜的電容。儀器與人體之間的連接通過置于皮膚上的電極實(shí)現(xiàn)。儀器向電極提供激勵(lì)電壓并測量產(chǎn)生的電流。激勵(lì)信號通過連接到后端驅(qū)動器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生。通過微控制器對DAC進(jìn)行編程，從而可設(shè)置信號幅度和頻率。對于電流測量，則采用跨阻放大器(TIA)，將其連接到高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以實(shí)現(xiàn)精確測量。使用系統(tǒng)微控制器處理采集到的數(shù)據(jù)，從中提取分析所需的信息。

 

圖1.生物阻抗測量系統(tǒng)框圖。

 

在生物阻抗測量中，將人體分為五個(gè)部分：兩個(gè)上肢、兩個(gè)下肢和軀干。這樣區(qū)分對于理解所使用的測量方法很重要。最常見的是手到腳、腳到腳和手到手。 

 

在生物電阻抗分析(BIA)測試過程中，需要考慮多個(gè)因素，包括人體測量參數(shù)；即身高、體重、皮膚厚度和體型。其他因素包括性別、年齡、族群以及（尤其是）患者的健康狀況；即任何營養(yǎng)不良或脫水。如果不考慮這些因素，測試結(jié)果可能會失真。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和考慮了上述各種因素的公式來解讀測量結(jié)果。

 

人體組成

 

在研究人體組成時(shí)，我們引用三室模型，其中包括：

 

● 脂肪體質(zhì)量

● 細(xì)胞質(zhì)量

● 細(xì)胞外質(zhì)量

 

圖2從眾所周知的二室模型瘦體質(zhì)量（去脂體質(zhì)量）和脂肪體質(zhì)量開始，解釋說明了這些概念。脂肪體質(zhì)量有兩個(gè)組成部分，即必需脂肪和儲存脂肪。瘦體質(zhì)量分為人體細(xì)胞質(zhì)量（由蛋白質(zhì)質(zhì)量和細(xì)胞內(nèi)水分組成）和細(xì)胞外質(zhì)量（由細(xì)胞外水分和骨質(zhì)量組成）。最后一個(gè)參數(shù)是確定含水量的基礎(chǔ)，是由細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外水分的總和得到的人體水分總量。

 

從電特性角度來看，細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外電解溶液的行為就像是良導(dǎo)體，而脂肪和骨骼組織則是不良導(dǎo)體。

 

圖2.人體組成

 

生物阻抗測量技術(shù)

 

運(yùn)用廣泛的各種生物阻抗測量技術(shù)在使用激勵(lì)信號的頻率方面有所不同。最簡單的儀器是基于固定頻率測量（單頻生物電阻抗分析或SF-BIA），有些儀器采用多頻率系統(tǒng)（多頻生物電阻抗分析或MF-BIA），而最復(fù)雜的儀器則在一定頻率范圍內(nèi)執(zhí)行實(shí)際頻譜測量（生物阻抗頻譜或BIS）。評估結(jié)果的技術(shù)也有很多種，其中最重要的是生物電阻抗矢量分析和實(shí)時(shí)分析。

 

在SF-BIA儀器中，注入人體的電流頻率為50 kHz；這是基于所測得的阻抗與人體水分總量(TBW)（阻抗的導(dǎo)電性部分）之間成反比關(guān)系，而人體水分總量由細(xì)胞內(nèi)水分(ICW)和細(xì)胞外水分(ECW)組成。這項(xiàng)技術(shù)針對含水量正常的測試對象可以提供良好的結(jié)果，而對于含水量發(fā)生了劇烈改變的測試對象，由于該技術(shù)評估ICW變化的能力有限，因此會喪失其有效性。

 

MF-BIA技術(shù)通過在低頻和高頻下執(zhí)行測量來克服SF-BIA的局限性。低頻測量允許對ECW進(jìn)行更準(zhǔn)確的估算，而在高頻下則可獲得TBW的估值。由兩個(gè)估值的差得出ICW。然而，該技術(shù)也并非十全十美，它在對患有疾病的老年人群進(jìn)行體液估算時(shí)顯示出局限性。

 

最后，BIS基于阻抗測量，根據(jù)圖1的模型，該阻抗在零頻率下是由細(xì)胞外液產(chǎn)生的電阻RE，而在無窮大頻率下則是RE與RI的并聯(lián)。在這兩個(gè)極端頻率下，由細(xì)胞膜產(chǎn)生的電容表現(xiàn)為開路或短路。中頻測量提供與電容值有關(guān)的信息。BIS相比其他技術(shù)可提供更多的詳細(xì)信息，但是在這種情況下，測量需要更長的時(shí)間。

 

生物阻抗矢量分析（生物電阻抗矢量分析或BIVA）是一種基于生物阻抗絕對值測量的人體健康評估技術(shù)。它使用一個(gè)圖形來顯示阻抗的矢量表示，其中橫坐標(biāo)軸顯示電阻值，而縱坐標(biāo)軸顯示容性阻抗值，這兩個(gè)值均按照患者的身高設(shè)定了基準(zhǔn)。該方法基于3個(gè)公差橢圓的公式：50%、75%和95%。50%的公差橢圓定義了具有人體組成平均值的人群。沿著橢圓的水平軸移動，在右側(cè)可識別出瘦體質(zhì)量百分比較低的個(gè)體，反之亦然；也就是說，在左側(cè)識別出的是瘦體質(zhì)量百分比較高的個(gè)體。沿著垂直軸移動可確定含水量，趨向橢圓上半部分代表低于標(biāo)準(zhǔn)水平，而橢圓的下半部分則高于標(biāo)準(zhǔn)水平。

 

圖3.生物電阻抗矢量-分析公差橢圓。

 

觀察人體組成的波動（例如，與瘦體質(zhì)量、脂肪體質(zhì)量和人體水分總量正常值的偏差）是確定患者健康狀況的關(guān)鍵因素。瘦體質(zhì)量明顯減少和體液失衡都是診斷疾病時(shí)使用的主要參數(shù)。當(dāng)前，生物電阻抗分析已用于診斷以下人體系統(tǒng)疾病：

 

● 肺系統(tǒng)

   ■肺癌

   ■肺水腫

● 心血管系統(tǒng)

   ■術(shù)后積液

● 循環(huán)系統(tǒng)

   ■血管內(nèi)容積

   ■低鈉血癥

   ■水合作用

● 腎臟系統(tǒng)

   ■血液透析

■評估干重

?神經(jīng)系統(tǒng)

   ■阿爾茨海默氏病

   ■神經(jīng)性厭食癥

● 肌肉系統(tǒng)

   ■訓(xùn)練期間身體組成的變化

● 免疫系統(tǒng)

   ■艾滋病病毒感染者評估

   ■癌癥患者評估

   ■登革熱

 

AD5940，一款靈活的高精度模擬前端

 

ADI公司具有廣泛的阻抗分析產(chǎn)品組合，包括ADuCM35x等器件，ADuCM35x是專為阻抗頻譜設(shè)計(jì)的高度集成的片內(nèi)系統(tǒng)(SoC)。最近投放市場的AD5940是一款高精度、低功耗模擬前端，非常適合便攜式應(yīng)用。AD5940專為測量生物阻抗和皮膚電導(dǎo)率而設(shè)計(jì)，由兩個(gè)激勵(lì)環(huán)路和一個(gè)通用測量通道組成。第一激勵(lì)環(huán)路能夠產(chǎn)生最大頻率為200 Hz的信號，并且可以配置為恒電勢器，用于測量不同類型的電化學(xué)電池。其基本組件包括一個(gè)雙輸出DAC、一個(gè)可提供激勵(lì)信號的精密放大器以及一個(gè)用于測量電流的跨阻放大器。該環(huán)路在低頻率下工作，功耗低，因此也稱為低功耗環(huán)路。第二個(gè)激勵(lì)環(huán)路具有類似的配置，但能夠處理最高200 kHz的信號，因此稱之為高速環(huán)路。該器件配備了一個(gè)采集通道，內(nèi)置一個(gè)16位、800 kSPS SAR型ADC和轉(zhuǎn)換器模擬信號處理鏈前端，其中包括一個(gè)緩沖器、一個(gè)可編程增益放大器(PGA)和一個(gè)可編程抗混疊濾波器。為了完善該架構(gòu)，采用了一個(gè)開關(guān)矩陣復(fù)用器，它允許將來自多個(gè)器件內(nèi)部或外部信號源的多個(gè)信號連接到ADC。這樣，除了主要的阻抗測量功能外，還可以執(zhí)行準(zhǔn)確的系統(tǒng)診斷以驗(yàn)證儀器的全部功能。

 

圖4顯示了采用四線配置將AD5940用于人體絕對阻抗測量的連接方式。對于這種類型的測量，使用高頻環(huán)路；可編程交流電壓發(fā)生器提供激勵(lì)信號。第二個(gè)發(fā)生器可提供共模電壓，以實(shí)現(xiàn)正確測量。通過跨阻放大器測量由人體阻抗產(chǎn)生的電流，并采用16位ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)能夠在最高200 kHz的頻率下進(jìn)行測量，在50 kHz下可提供100 dB的信噪比(SNR)。將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到硬件加速器以提取所需數(shù)值；即阻抗的實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分。

 

作為醫(yī)療設(shè)備，生物阻抗分析儀必須符合IEC 60601標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了可施加于人體的電壓和電流限值。為此，這款器件提供了一個(gè)電阻Rlimit來限制最大電流，并提供了四個(gè)耦合電容CisoX，以防止將直流分量施加于人體上。

 

圖4.AD5940用于生物電阻抗分析的四線連接。

 

結(jié)論

 

生物阻抗測量是一種快速無創(chuàng)評估人體組成和診斷某些類型疾病的低成本通用方法。由于使用AD5940等器件，當(dāng)前的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)緊湊、高性能、低功耗的生物阻抗分析儀，并且該分析儀可以使用電池供電。AD5940的高集成度、小尺寸和低功耗特性也使其特別適合可穿戴應(yīng)用。

 

作者簡介

 

Cosimo Carriero于2006年加入ADI公司，擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師，為戰(zhàn)略和關(guān)鍵客戶提供技術(shù)支持。他擁有意大利米蘭Università degli Studi的物理學(xué)碩士學(xué)位。他過去的經(jīng)歷包括：在意大利核物理研究所(INFN)定義和開發(fā)核物理實(shí)驗(yàn)儀器，與小公司合作開發(fā)工廠自動化傳感器和系統(tǒng)，以及在Thales Alenia Space擔(dān)任衛(wèi)星電源管理系統(tǒng)高級設(shè)計(jì)工程師。聯(lián)系方式：cosimo.carriero@analog.com。

 

 

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