一种基于生物电阻抗原理的人体成分测试装置的研制
2010-09-02

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 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

  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 DDS

  DDS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。根据测量电极得到的电压值计算某一段的生物电阻抗。电极的分布见图5。

  从图6可以看出,我们将人体分为五个部分,八个电极分布在四肢上。测量得到六个阻抗值,分别为AC、AD、BC、BD、AB和CD之间的阻抗,表示为ZAC、ZAD、ZBC、ZBD、ZAB和ZCD。然后根据这六个阻抗值,用求解方程组的方法求出5个节段的阻抗值,包括两个上肢、躯干和两个下肢。其中,全身阻抗为AD之间测得的阻抗值ZAD。

  3.3 信号的检测

  从电极输出的信号很微弱,要检测该信号需要微弱信号检测电路。图6所示是典型的微弱信号检测电路,其中,A1和A2是结构完全对称的运算放大器。将检测到的信号输入到鉴幅鉴相芯片中,对信号进行鉴幅和鉴相。鉴幅和鉴相是本系统的关键部分。该电路的输入为两路信号:一路为测量人体的输出信号,其中包含测得的人体相应部位的幅值和相位信息,另一路是参考电压。鉴幅鉴相芯片的输出,一个是幅值信号,另一个是相角信号。单片机作为信息处理单元,将处理后的信息与上位机通信,完成数据的传输与显示控制,得到相应部位的幅值和相位信息。

  杨宇祥等人2006年的实验表明,采用AD8302作为增益和相位的检测芯片,阻抗幅值的相对误差小于0.36%,相位的绝对误差小于0.26°。因此,本系统中采用AD8302作为检测芯片,不仅简化了电路设计,而且使测试结果的误差满足设计要求。

  3.4 计算方法

  本系统运用解线性方程组的方式计算某一节段的阻抗。假设左上肢的阻抗为R1,右上肢的为R2,躯干的为R3,左下肢的为R4。则R1的计算过程如下:

  ZAC=R1+R3+R4(3)

  ZBC=R2+R3+R4(4)

  式(3)、 (4)联立得,

  ZAC-ZBC=R1-R2(5)

  然后,结合方程ZAB=R1+R2(6)

  式(5)、(6)联立,能够计算出R1和R2。

  其他节段阻抗的计算方法与上述计算相似。测得的人体躯干阻抗一般在20~30 Ω之间,这说明与四肢的阻抗相比,躯干的阻抗很小。

  4 实验数据验证

  4.1 实验对象的选取

  在征得本人同意的前提下,我们在人群中随机抽取了一个样本,平均年龄为29.6±10.34岁。其中男性30人,平均年龄为30.9±10.89岁,女性24人,平均年龄为23.25±1.7岁。样本选取的原则是:测试时每一位被测者身体均健康,没有患影响身体体液分布的疾病,对测试者的体型没有特殊要求,也没有限定身体质量指数(BMI)范围。其目的就是尽量使实验满足随机性条件,使试验结果具有更广泛的适用范围。实验样本的基本信息见表1。表1 样本对象的基本信息

  4.2 仪器性能分析

  对本文设计仪器性能的分析主要从检验测试的重复性和验证结果的有效性两方面进行。

  首先检验仪器测试结果的重复性。方法如下:在测量条件一致的前提下,我们对同一组样本进行了两次跟踪测试,时间间隔不超过2 d。测试结果见表2。表2 重复性测试结果

  从表2可以看出,同一组样本阻抗值的前后两次测试,在显著度为0.01的条件下相关系数为1.00,即两次测试结果没有统计学差异,证明了本研究所设计仪器的测试结果具有很高的重复性。

  其次验证本研究设计仪器测试结果的有效性。方法如下:采用同一测试条件(样本,激励频率等),将本研究所设计仪器的阻抗测试结果与TanitaTBF-418B的测试结果进行对比。数据对比见表3。表3 两种仪器测试结果的对比

  其中:A表示用本文所设计的仪器所得的测试结果,B表示用Tanita仪器的测试结果。

  对同一样本用两种仪器进行测试,我们对原始数据进行了回归分析。结果表明,在0.01的显著度水平上,该仪器测得的右下肢阻抗与Tanita测得的右下肢阻抗的相关系数为0.995;左下肢的相关系数为0.989;右上肢的相关系数为0.978;左上肢的相关系数为0.986;躯干的相关系数为0.985。可见,由两种仪器测得的身体各段阻抗结果,在统计学上没有明显差异。

  根据测得的阻抗推理得到人体水分总体积(TBW),我们将两种仪器的TBW推理结果进行了对比,结果见图7(其中,“Tanita”指的是用Tanita得到的结果,“本仪器”指的是本文设计仪器给出的结果)。

  从图7可以看出,用两种仪器对TBW和FFM测试结果的差异很小,说明本研究设计仪器的测试结果与Tanita的结果没有明显差异,从而证明了本文所设计的仪器的有效性。

  4.3 讨论

  (1)根据上述实验结果,尽管人体的左上肢与右上肢、左下肢与右下肢的阻抗差别不是很大,但是大部分人的右边肢体(包括右上肢和右下肢)阻抗的平均值要略低于左边肢体(包括左上肢和左下肢)。可能是右肢体的活动较多,导致该部分的肌肉横截面积比左肢体大,在长度相同的条件下,根据欧姆定律,右肢体的阻抗要低于左肢体。

  (2)人体总阻抗大约为500 Ω,其中,躯干的阻抗一般在20~30 Ω之间,而四肢的阻抗一般在200~300 Ω之间,这表明即使躯干阻抗变化100%(20 Ω左右),反映在总阻抗上的变化也只有4%左右。这样,总体阻抗法测得的结果往往会掩盖躯干部分的成分变化,反映不出身体成分变化的真实情况。但是,采用分段法测量,将躯干与四肢分离,能够准确了解阻抗的变化是由身体的哪一部分引起的,便于对身体成分构成进行准确的评估。

  (3)由于人体的内脏器官集中在躯干段里,所以准确评估躯干的成分构成,有利于临床上对人体的健康状况进行评价。五段法测量的最大优势就是能将身体各段分开,尤其是将躯干与四肢分离开,这样能够避免四肢阻抗掩盖躯干阻抗的变化,同时采用8电极法得到的阻抗信息,能够对测试结果进行交叉验证。从各段阻抗得到了各段的成分构成,进一步将这些信息综合起来便得到了总体成分构成。

  (4)分析结果表明,虽然FFM与TBW之间成正相关关系(P=0.01时,相关系数为0.967),但是对数据的进一步分析发现,FFM与TBW之间的比例并不是固定的。这说明,在该频率下不能使用简单的比例关系由TBW推理FFM。

  5 结论

  我们介绍的基于生物电阻抗技术的人体成分测试仪,结构简单、成本低廉,AD8302的使用将幅值和相位的检测集成在一起,极大简化了硬件电路设计的复杂度和成本。实验结果表明该仪器用单频信号对阻抗的测试精度高、重复性好,在与同类仪器的对比中,验证了该仪器对体成分预测结果的准确性。下一步我们将在本文单频BIA方法的的基础上,根据生物电阻抗测量原理,用本仪器的多频信号进一步研究BIS对人体成分预测的有效性。

【参考文献】
    [1]侯少华,李旭鸿,郑秀媛,等.运用生物电阻抗法对成年人人体成分的研究[J].体育科研,2006,27(2).

  [2]黄锟,陶芳标,任安,等.儿童青少年体成分不同测量方法比较[J].中国公共卫生, 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]陆大江,陈佩杰,李效凯.身体成分测定方法介绍[J].中国运动医学杂志,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]谢旭东.生物电阻抗法测量人体成分的研究[J].枣庄学院学报,2007,24(2):99-100.

  [7]付峰,臧益民,董秀珍,等. 部分离体动物组织电阻抗频率特性(100Hz-10MHz)测量系统及初步测量结果[J].第四军医大学学报,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,刘静民,侯少华 应用生物电阻抗法测定人体体成分的研究进展[J].南京体育学院学报(自然科学版),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]黄海滨,任超世.生物电阻抗分析法(BIA)测量人体成分[J].国外医学生物医学工程分册,2000,23(3):151-155.

  [19]刘群,王京钟,闻芝梅.生物电阻抗分析与人体体成分测量[J].国外医学卫生分册,1991,(4): 227-228.

广州杰士路信息科技有限公司

广州市杰士路信息科技有限公司 Copyright 2009 - 2010 www.jesloo.com All Rights Reserved.

咨询热线:020—37266323 020—84725460 QQ在线客服:

地址:广州市天河区海文路2号尚德楼2002 邮编:510000

粤ICP证05000194号