一種基于多頻生物電阻抗法的人體腹部脂肪檢測系統(tǒng)的設(shè)計*

李章勇，萇飛霸，任超世，陳小波，冷 銳，王 偉，趙德春，梁曉燕

(重慶郵電大學(xué)生物信息學(xué)院，重慶 40065)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，肥胖人群越來越普遍。脂肪的積累可以誘發(fā)多種疾病。例如非胰島素依賴性糖尿病、膽囊疾病、冠心病、高血壓等。目前測量人體脂肪總量的方法有水下稱重法［1］、人體測量法、總體水法、總體鉀法［2］、全身水量測定法、密度測定法和全身水量測定法的結(jié)合、超聲檢測、核磁共振、X射線成像［3］及CT［4］、光子吸收法，中子活化分析等。然而這些測量方法或者設(shè)備昂貴，或者操作復(fù)雜，或者精確度不高，且有些測試方法在測試過程中對人體有一定的輻射或者需要其它特殊的要求，因此僅適用于實驗研究，限制其大范圍應(yīng)用。生物電阻抗頻譜BIS提供了一種相對比較簡便的測量人體成分的方法［5－8］，其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、病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的檢測技術(shù)，具有無創(chuàng)、無害、廉價、操作簡單和功能信息豐富的特點，而且測量結(jié)果準確、測量可重復(fù)性高等優(yōu)點［9－10］。

腹部脂肪含量是反應(yīng)人體脂肪分布的重要形式，但是傳統(tǒng)的腹部脂肪測量系統(tǒng)最容易出現(xiàn)的錯誤是用人體的體重減去人體的非脂肪含量。另一方面，已有的人體脂肪儀中大部分只能測量人體總的脂肪含量，不能測量分段脂肪含量以及脂肪分布情況。然而人體的軀干阻抗只占全身阻抗的5%～10%［11－13］，所以全身的阻抗測量系統(tǒng)只能反映出人體軀干阻抗的很少信息［14］。同時，由于人體的腹部脂肪按深度可以分為皮下脂肪SFA和內(nèi)臟脂肪VFA［15］。而內(nèi)臟脂肪的積累具有更大的危害性［16］，所以測量人體腹部內(nèi)臟脂肪的含量具有重要的意義。測量內(nèi)臟脂肪時卻無法避免皮下脂肪的干擾，所以選擇最佳的電極相對的固定位置及合適的測量方案，可以最大限度的避免皮下脂肪的干擾。

本文中設(shè)計了一種基于四電極生物電阻抗原理的人體腹部脂肪測試儀，由于四電極測量系統(tǒng)減少了皮膚阻抗和電極因極化作用而產(chǎn)生的阻抗對整個測量系統(tǒng)的影響，從而提高了整體測量系統(tǒng)的準確度與精確度。同時由于人體組織的電阻抗特性和生物電阻抗法方法的頻散理論及Cole－Cole模型，所以本測量系統(tǒng)中程控信號發(fā)生器采用8個頻率點的正弦信號，信號經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)電流源轉(zhuǎn)換為500 μА的恒定電流，并通過電流激勵電極依次注入人體腹部；電壓測量電極采集人體腹部之間的交流電壓信號和一個由參考電阻Rs產(chǎn)生的參考電壓，經(jīng)放大之后一起送到幅度相位檢測器單元。最終BIS測量采用四電極測量法如圖1所示。

本測量系統(tǒng)中的電極采用采用4個針狀銀/氯化銀電極平行排列，然后安置于電極帶，固定與人體的肚臍水平部位。這樣可以達到可穿戴式監(jiān)護的需要［17－18］，從而為被測量者提供一種低生理、心理負荷的測量環(huán)境，更加保證了測量的準確性。其中電流激勵電極(HC、LC)間距為24 cm，將恒定的交變電流引入人體的腹部，電壓測量電極(HV、LV)介于兩激勵電極之間，間距為14 cm，此時測的為腹部皮下脂肪所對應(yīng)的電阻抗信息為ZSFA。接著電極間的距離調(diào)整為激勵電極的間距為30 cm，而電壓測量電極的距離為10 cm。激勵電極和測量電極之間的距離為10 cm。此時測量得到的是皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪所對應(yīng)的電阻抗信息為ZVFA+SFA。我們認為人體腹部的電阻抗模型為VFA和SFA的并聯(lián)電阻抗模型。所以我們可以計算在每個頻率下的內(nèi)臟脂肪所對應(yīng)的電阻抗為

由此，我們可以通過本測量系統(tǒng)測量得到腹部相應(yīng)脂肪深度的電阻抗信息。

圖1 腹部脂肪檢測的四電極測量系統(tǒng)

1 腹部脂肪檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計

腹部脂肪檢測裝置的硬件框圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要由正弦波信號發(fā)生器、穩(wěn)恒電流源、幅度相位檢測器單元、人機交互界面、電源管理模塊、微處理器系統(tǒng)等組成。

圖2 腹部脂肪檢測裝置的硬件框圖

本系統(tǒng)中程控正弦波發(fā)生器產(chǎn)生8個頻率點的正弦信號，信號經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)電流源轉(zhuǎn)換為500 μА的恒定電流，并通過電流激勵電極依次注入人體腹部，電壓測量電極采集人體腹部之間的交流電壓信號和一個由參考電阻Rs產(chǎn)生的參考電壓，經(jīng)放大之后一起送到幅度相位檢測器單元。幅度相位檢測器單元以直流電壓形式輸出這兩個交變電壓的幅度比和相位差，再經(jīng)微處理器msp430f149內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換接口進行模數(shù)轉(zhuǎn)換同時對數(shù)據(jù)進行處理和分析，測量結(jié)果和分析報告送到LCD顯示或者通過USB送到PC機。

2 檢測系統(tǒng)的各個設(shè)模塊設(shè)計分析

2.1 程控信號發(fā)生器模塊

本測量系統(tǒng)的程控信號發(fā)生器模塊基于集成函數(shù)發(fā)生器MAX038設(shè)計而成，主要由主控制器MSP430F149、函數(shù)發(fā)生器MAX038、數(shù)字控制模擬電子開關(guān)CD4051、電容網(wǎng)絡(luò)、低通濾波器電壓放大器、電壓電流轉(zhuǎn)換單元構(gòu)成，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 程控信號發(fā)生器模塊

為簡化系統(tǒng)設(shè)計，MAX038引腳DADJ接地，引腳A1固定為高電平，從而只能輸出占空比固定為50%的正弦波信號。MAX038的輸出頻率fo由VIN，F(xiàn)ADJ端電壓和內(nèi)部主振蕩器的引腳COSC的外接電容器Cf三者共同確定。

其中VIN為MAX038內(nèi)部2.5 V的基準電壓，Rin為固定值的外接電阻。所以通過微控制器控制數(shù)字控制模擬電子開關(guān)CD4501與8個不同電容值的電容連接，從而實現(xiàn)信號頻率范圍從5 kHz到1 MHz(5 kHz、25 kHz、50 kHz、100 kHz、250 kHz、500 kHz、800 kHz、1 000 kHz)8個頻率點之間相互轉(zhuǎn)換。為了得到更大的驅(qū)動能力與濾除高頻干擾，信號波形從MAX038的OUT端輸出后，可使其通過一個2 MHz的LC低通濾波電路，并經(jīng)過AD810進行電壓放大。

2.2 基于改進型豪蘭德電壓電流轉(zhuǎn)換單元

由于本測量系統(tǒng)采用的是電流激勵電壓測量，所以需要將信號發(fā)生器產(chǎn)生的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘枴D4所示為電壓電流轉(zhuǎn)換電路。該電路在豪蘭德電路的基礎(chǔ)上加了一個反饋電阻R2，進一步減少負載的變化對電流源的影響，提高了電流源輸出阻抗。

當電路中各參數(shù)滿足

圖4 基于改進型豪蘭德電路的電壓電流轉(zhuǎn)換單元

得輸出電流IO

通過式(4)可以看出輸出電流的大小只與信號的電壓以及外接電阻R3和R4得大小有關(guān)，而與負載RO無關(guān)。

2.3 幅度相位檢測模塊

本測量系統(tǒng)的幅度相位檢測模塊由幅度相位檢測器、運放電路和一個無感的標定純電阻Rs組成，其結(jié)構(gòu)如圖 5 所示［19－20］。

圖5 幅度相位檢測模塊

信號發(fā)生器產(chǎn)生的激勵電流IO通過電流激勵電極(HC、LC)，依次注入人體的腹部和一個位于激勵電極LC與地間的標定電阻Rs。電壓測量電極(HV、LV)上得到腹部的測量電壓為Vz，參考電阻Rs的參考電壓Vs。其中Rs是無感的純電阻，這樣Vs的相位和激勵電流IO的相位是等相位的.電壓Vz、Vs同時經(jīng)過兩個具有相同的放大倍數(shù)的高輸入阻抗放大器IA1、IA2進行放大之后得到電壓VAS、VAZ。電壓VAS、VAZ分別送入幅度相位檢測器AD8302的輸入端，AD8302以電壓的形式輸出與幅度比和相位差成比例的直流電壓VMAG、VPHS，

式中K1、K2是比例系數(shù)，其中K1=30 mV/dB(600 mV/decade)，K2=－10 mV/degree。幅度相位檢測器在每個激勵頻率下輸出的電壓信號VMAG、VPHS送入微處理器進行A/D采樣和處理。因此，腹部復(fù)阻抗ZX可以表示為:

其中

3 總結(jié)

本文首先介紹了生物組織的電阻抗特性，人體的腹部脂肪深度與腹部的電阻抗的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于四電極的便攜式阻抗測量儀，并對主要功能的實現(xiàn)做了具體介紹。該系統(tǒng)中的程控信號發(fā)生器單元中輸出的恒流源信號頻率純粹、輸出阻抗高如圖6，而且很大程度上避免了雜散電容的影響，所以進一步提高了生物電阻抗法測量系統(tǒng)的測量頻率適用范圍，幅度相位檢測單元利用了AD8302內(nèi)部集成測量幅度和相位的性能，大大簡化了幅度相位檢測系統(tǒng)的電路設(shè)計，并且提高了測量精度。實測表明如圖7，本系統(tǒng)具有足夠的精度，重復(fù)性好。所以對于傳統(tǒng)的借助于生物電阻抗法測量腹部脂肪的阻抗頻譜測量系統(tǒng)具有重要的借鑒意義。

圖6 電壓電流轉(zhuǎn)換單元在測量頻率范圍內(nèi)的輸出阻抗

圖7 生物電阻抗法測的SFA、VFA

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