人體成分測量裝置的設計

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家、營養(yǎng)學家及醫(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備，且儀器設備大多價格昂貴。針對這種情況，本文根據(jù)生物組織電阻抗特性，應用生物電阻抗技術(shù)設計制作了安全、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)造是細胞，每個細胞有一層細胞膜，細胞膜內(nèi)包裹著細胞內(nèi)液，在細胞間充盈著細胞外液。細胞膜由雙層磷脂分子和蛋白質(zhì)組成，細胞內(nèi)液和細胞外液都相當于電解質(zhì)溶液，因此細胞膜的導電性遠小于細胞內(nèi)外液，近似為絕緣體。當直流或低頻電流施加于生物組織時，由于細胞膜的存在，電流將以任意一種可能的方式繞過細胞，主要流經(jīng)細胞外液;當施加高頻電流時，電流穿過細胞膜，流經(jīng)細胞內(nèi)液。

實驗表明，當電流頻率小于50kHz時，電流主要流過細胞外液體;當電流頻率在200kHz以上時，電流可穿過細胞膜。

電流流過生物組織時細胞膜等效于電容，而細胞內(nèi)外液等效于電阻。對于整個生物組組織，可視為無數(shù)的細胞的集合，在低頻電流流過時，由于細胞膜的容抗作用，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，當高頻的電流施加于生物組織時，由于細胞內(nèi)外液的電阻抗遠大于細胞膜電容抗，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分別是細胞內(nèi)液、外液電阻，C為細胞膜電容。

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

當電信號導入人體時，電流主要流過導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，因此必須對人體進行分段。對于肢體或軀干，導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。當高頻電流流過人體時，導電體近似認為只有肌肉組織，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?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，導電體是細胞外液，細胞等效于電容，由于細胞的容抗遠遠小于細胞外液的阻抗，因此由公式(4)可以計算出細胞外液的體積，進而得到細胞外液的含量。

根據(jù)人體總水由細胞內(nèi)液和細胞外液組成可知，細胞內(nèi)液的含量是細胞總水與細胞外液的差值。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、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)，再輸入單片機完成相應的處理。

系統(tǒng)硬件設計

在設計中，單片機的作用是：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運算求出生物電阻抗，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。本裝置設計了一種多路選擇開關(guān)來控制相應的電極，如圖5所示。圖中電極的標號與圖3電極標記對應，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)要求顯示出單片機處理后得到的人體成分含量，所以要用到顯示設備。在設計中，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與單片機直接相連，接受單片機的指令，完成顯示功能。

為了便于數(shù)據(jù)的記錄，本裝置還設計了數(shù)據(jù)存儲模塊。單片機內(nèi)部只有256B的數(shù)據(jù)存儲空間，不足以存儲本設計的數(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，便于以后進一步擴展系統(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行了詳細介紹，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。

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