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。生物阻抗是一個由電阻值R（實數部分）和電抗值Xc（虛數部分）組成的複數，前者主要由人體內的水分總量所致
，後者主要是由細胞膜產生的電容所致。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麵起主要作用。

 

   (1)

   (2)

   (3)

 

橫截麵積為S
、長度為l的導體的電阻R
，以及表麵積為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，電阻和電容取決於幾何參數（長度、距離和表麵積），這意味著它們與采用的測量係統和物理參數有關
；也就是說，電阻率ρ和介電常數ε與待測材料的類型（在本示例中為生物組織）密切相關。圖1顯示了一個生物阻抗及其測量儀器的電特性簡化模型。RE考慮的是細胞外液的電阻，RI代表細胞內液的電阻，Cm是(shi)細(xi)胞(bao)膜(mo)的(de)電(dian)容(rong)。儀(yi)器(qi)與(yu)人(ren)體(ti)之(zhi)間(jian)的(de)連(lian)接(jie)通(tong)過(guo)置(zhi)於(yu)皮(pi)膚(fu)上(shang)的(de)電(dian)極(ji)實(shi)現(xian)。儀(yi)器(qi)向(xiang)電(dian)極(ji)提(ti)供(gong)激(ji)勵(li)電(dian)壓(ya)並(bing)測(ce)量(liang)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)流(liu)。激(ji)勵(li)信(xin)號(hao)通(tong)過(guo)連(lian)接(jie)到(dao)後(hou)端(duan)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)數(shu)模(mo)轉換器(DAC)產生。通過微控製器對DAC進行編程，從而可設置信號幅度和頻率。對於電流測量，則采用跨阻放大器(TIA)，將其連接到高分辨率模數轉換器(ADC)以實現精確測量。使用係統微控製器處理采集到的數據，從中提取分析所需的信息。

 

圖1.生物阻抗測量係統框圖。

 

在生物阻抗測量中


，將人體分為五個部分：兩個上肢、兩個下肢和軀幹。這樣區分對於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，需要考慮多個因素，包括人體測量參數
；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

；即任何營養不良或脫水。如果不考慮這些因素
，測試結果可能會失真。根據統計數據和考慮了上述各種因素的公式來解讀測量結果。

 

人體組成

 

在研究人體組成時，我們引用三室模型，其中包括：

 

● 脂肪體質量

● 細胞質量

● 細胞外質量

 

圖2從眾所周知的二室模型瘦體質量（去脂體質量）和脂肪體質量開始
，解釋說明了這些概念。脂肪體質量有兩個組成部分，即必需脂肪和儲存脂肪。瘦體質量分為人體細胞質量（由蛋白質質量和細胞內水分組成）和細胞外質量（由細胞外水分和骨質量組成）。最後一個參數是確定含水量的基礎，是由細胞內和細胞外水分的總和得到的人體水分總量。

 

從電特性角度來看，細胞內和細胞外電解溶液的行為就像是良導體

，而脂肪和骨骼組織則是不良導體。

 

圖2.人體組成

 

生物阻抗測量技術

 

運用廣泛的各種生物阻抗測量技術在使用激勵信號的頻率方麵有所不同。最簡單的儀器是基於固定頻率測量（單頻生物電阻抗分析或SF-BIA），有些儀器采用多頻率係統（多頻生物電阻抗分析或MF-BIA），而最複雜的儀器則在一定頻率範圍內執行實際頻譜測量（生物阻抗頻譜或BIS）。評估結果的技術也有很多種
，其中最重要的是生物電阻抗矢量分析和實時分析。

 

在SF-BIA儀器中，注入人體的電流頻率為50 kHz；這是基於所測得的阻抗與人體水分總量(TBW)（阻抗的導電性部分）之間成反比關係
，而人體水分總量由細胞內水分(ICW)和細胞外水分(ECW)組成。這項技術針對含水量正常的測試對象可以提供良好的結果，而對於含水量發生了劇烈改變的測試對象
，由於該技術評估ICW變化的能力有限

，因此會喪失其有效性。

 

MF-BIA技術通過在低頻和高頻下執行測量來克服SF-BIA的局限性。低頻測量允許對ECW進行更準確的估算，而在高頻下則可獲得TBW的估值。由兩個估值的差得出ICW。然而，該技術也並非十全十美
，它在對患有疾病的老年人群進行體液估算時顯示出局限性。

 

最後，BIS基於阻抗測量，根據圖1的模型
，該阻抗在零頻率下是由細胞外液產生的電阻RE

，而在無窮大頻率下則是RE與RI的並聯。在這兩個極端頻率下，由細胞膜產生的電容表現為開路或短路。中頻測量提供與電容值有關的信息。BIS相比其他技術可提供更多的詳細信息，但是在這種情況下

，測量需要更長的時間。

 

生物阻抗矢量分析（生物電阻抗矢量分析或BIVA）是(shi)一(yi)種(zhong)基(ji)於(yu)生(sheng)物(wu)阻(zu)抗(kang)絕(jue)對(dui)值(zhi)測(ce)量(liang)的(de)人(ren)體(ti)健(jian)康(kang)評(ping)估(gu)技(ji)術(shu)。它(ta)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)圖(tu)形(xing)來(lai)顯(xian)示(shi)阻(zu)抗(kang)的(de)矢(shi)量(liang)表(biao)示(shi)
，其(qi)中(zhong)橫(heng)坐(zuo)標(biao)軸(zhou)顯(xian)示(shi)電(dian)阻(zu)值(zhi)，而(er)縱(zong)坐(zuo)標(biao)軸(zhou)顯(xian)示(shi)容(rong)性(xing)阻(zu)抗(kang)值(zhi)

，這(zhe)兩(liang)個(ge)值(zhi)均(jun)按(an)照(zhao)患(huan)者(zhe)的(de)身(shen)高(gao)設(she)定(ding)了(le)基(ji)準(zhun)。該(gai)方(fang)法(fa)基(ji)於(yu)3個公差橢圓的公式：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
，在右側可識別出瘦體質量百分比較低的個體

，反之亦然；也ye就jiu是shi說shuo，在zai左zuo側ce識shi別bie出chu的de是shi瘦shou體ti質zhi量liang百bai分fen比bi較jiao高gao的de個ge體ti。沿yan著zhe垂chui直zhi軸zhou移yi動dong可ke確que定ding含han水shui量liang，趨qu向xiang橢tuo圓yuan上shang半ban部bu分fen代dai表biao低di於yu標biao準zhun水shui平ping
，而er橢tuo圓yuan的de下xia半ban部bu分fen則ze高gao於yu標biao準zhun水shui平ping。

 

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

，與瘦體質量、脂肪體質量和人體水分總量正常值的偏差）是shi確que定ding患huan者zhe健jian康kang狀zhuang況kuang的de關guan鍵jian因yin素su。瘦shou體ti質zhi量liang明ming顯xian減jian少shao和he體ti液ye失shi衡heng都dou是shi診zhen斷duan疾ji病bing時shi使shi用yong的de主zhu要yao參can數shu。當dang前qian
，生sheng物wu電dian阻zu抗kang分fen析xi已yi用yong於yu診zhen斷duan以yi下xia人ren體ti係xi統tong疾ji病bing：

 

● 肺係統

   ■肺癌

   ■肺水腫

● 心血管係統

   ■術後積液

● 循環係統

   ■血管內容積

   ■低鈉血症

   ■水合作用

● 腎髒係統

   ■血液透析

■評估幹重

神經係統

   ■阿爾茨海默氏病

   ■神經性厭食症

● 肌肉係統

   ■訓練期間身體組成的變化

● 免疫係統

   ■艾滋病病毒感染者評估

   ■癌症患者評估

   ■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品組合
，包括ADuCM35x等器件，ADuCM35x是專為阻抗頻譜設計的高度集成的片內係統(SoC)。最近投放市場的AD5940是一款高精度
、低功耗模擬前端，非常適合便攜式應用。AD5940專為測量生物阻抗和皮膚電導率而設計，由兩個激勵環路和一個通用測量通道組成。第一激勵環路能夠產生最大頻率為200 Hz的信號，並且可以配置為恒電勢器，用於測量不同類型的電化學電池。其基本組件包括一個雙輸出DAC、一yi個ge可ke提ti供gong激ji勵li信xin號hao的de精jing密mi放fang大da器qi以yi及ji一yi個ge用yong於yu測ce量liang電dian流liu的de跨kua阻zu放fang大da器qi。該gai環huan路lu在zai低di頻pin率lv下xia工gong作zuo，功gong耗hao低di，因yin此ci也ye稱cheng為wei低di功gong耗hao環huan路lu。第di二er個ge激ji勵li環huan路lu具ju有you類lei似si的de配pei置zhi，但dan能neng夠gou處chu理li最zui高gao200 kHz的信號

，因此稱之為高速環路。該器件配備了一個采集通道，內置一個16位、800 kSPS SAR型ADC和轉換器模擬信號處理鏈前端

，其中包括一個緩衝器、一個可編程增益放大器(PGA)heyigekebianchengkanghundielvboqi。weilewanshangaijiagou
，caiyongleyigekaiguanjuzhenfuyongqi
，tayunxujianglaiziduogeqijianneibuhuowaibuxinhaoyuandeduogexinhaolianjiedaoADC。這樣，除了主要的阻抗測量功能外，還可以執行準確的係統診斷以驗證儀器的全部功能。

 

圖4顯示了采用四線配置將AD5940用於人體絕對阻抗測量的連接方式。對於這種類型的測量，使用高頻環路
；可ke編bian程cheng交jiao流liu電dian壓ya發fa生sheng器qi提ti供gong激ji勵li信xin號hao。第di二er個ge發fa生sheng器qi可ke提ti供gong共gong模mo電dian壓ya，以yi實shi現xian正zheng確que測ce量liang。通tong過guo跨kua阻zu放fang大da器qi測ce量liang由you人ren體ti阻zu抗kang產chan生sheng的de電dian流liu，並bing采cai用yong16位ADC進行轉換。該係統能夠在最高200 kHz的頻率下進行測量，在50 kHz下可提供100 dB的信噪比(SNR)。將數字數據發送到硬件加速器以提取所需數值；即阻抗的實數部分和虛數部分。

 

作為醫療設備，生物阻抗分析儀必須符合IEC 60601標準。該標準設定了可施加於人體的電壓和電流限值。為此
，這款器件提供了一個電阻Rlimit來限製最大電流，並提供了四個耦合電容CisoX，以防止將直流分量施加於人體上。

 

圖4.AD5940用於生物電阻抗分析的四線連接。

 

結論

 

生物阻抗測量是一種快速無創評估人體組成和診斷某些類型疾病的低成本通用方法。由於使用AD5940等器件
，當前的技術可以實現緊湊、高性能、低功耗的生物阻抗分析儀，並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用。

 

作者簡介

 

Cosimo Carriero於2006年加入ADI公司，擔任現場應用工程師，為戰略和關鍵客戶提供技術支持。他擁有意大利米蘭Università degli Studi的物理學碩士學位。他過去的經曆包括：在意大利核物理研究所(INFN)定義和開發核物理實驗儀器，與小公司合作開發工廠自動化傳感器和係統
，以及在Thales Alenia Space擔任衛星電源管理係統高級設計工程師。聯係方式：cosimo.carriero@analog.com。

 

 

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