面向手機應用的皮膚水分與人體脂肪測量系統(tǒng)的研制

黃耐寒，陳 香，王從政，董中飛

中國科學技術大學電子科學與技術系，合肥市，230027

面向手機應用的皮膚水分與人體脂肪測量系統(tǒng)的研制

【作 者】黃耐寒，陳 香，王從政，董中飛

中國科學技術大學電子科學與技術系，合肥市，230027

將生理參數(shù)測量功能嵌入到手機等移動設備是移動健康的發(fā)展趨勢。該文研究了皮膚水分和人體脂肪含量兩種生理參數(shù)的測量方法，設計了可貼在手機表面的、方便嵌入手機的測量電極。數(shù)據(jù)處理方面，實驗探索方便快速的測量方法，皮膚水份和全身體脂測量結果，與商用產(chǎn)品相比，均方誤差小于4%，相關性高達0.9以上。此外，局部體脂測量表明，局部體脂含量與局部體阻抗間有接近線性的正相關關系。

移動健康；皮膚水分；全身體脂含量；局部脂肪含量

0 引言

隨著智能手機的發(fā)展，把人體生理參數(shù)測量和健康監(jiān)護功能嵌入到手機上逐漸成為可能。近年來國內(nèi)外學者對此進行了廣泛的研究，如基于手機的心電、心率、體溫、血氧和血糖等生理參數(shù)測量[1-4]以及基于手機的移動健康監(jiān)護[5-6]等。

隨著生活水平的提高，人們對健康有了更高的要求，皮膚水分、人體脂肪含量成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜容^關心的生理參數(shù)。皮膚水分和人體脂肪含量的測量大都是基于生物電阻抗原理，目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些具備類似功能的產(chǎn)品，缺點是便攜性不夠好，一些脂肪儀體積與常見的體重計相當。

本文以皮膚水分測量、全身體脂測量和局部體脂測量為研究對象，探索可將皮膚水分和體脂測量與手機功能擴展相結合的傳感技術。具體方法為：從小型化可嵌入手機等手持移動設備的出發(fā)點設計測量電極和處理電路，采集大樣本數(shù)據(jù)修正測量公式以達到與商用產(chǎn)品相當?shù)木_度，并開展實驗對系統(tǒng)的測量效果進行評估。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)硬件結構

系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖Fig.1 Structure of the hardware

系統(tǒng)采用AD5933作為生物電阻抗的核心測量器件。MCU用于測量流程控制、數(shù)據(jù)處理及與上位機通信，本系統(tǒng)MCU采用封裝小、功能強的C8051F330。MCU通過SMBus接口（兼容I2C接口）與AD5933進行數(shù)據(jù)交換，通過UART接口與上位機通信。為進一步縮小整體體積，本系統(tǒng)添加輔助電路使得多種參數(shù)的測量共用同一套后端處理電路。最終系統(tǒng)電路板大小為45 mm×10 mm×4 mm，可嵌入手機等手持移動設備。

1.2 電極設計

1.2.1 皮膚水分測量電極

皮膚水分的測量主要針對淺表皮膚（主要為角質(zhì)層）的水分含量。從生物電阻抗的角度來看，人體皮膚可等效為一個電阻電容網(wǎng)絡，皮膚含水量變化時其阻性成分和容性成分也隨之發(fā)生變化。文獻[7-8]表明皮膚的容性成分與水分含量之間的相關性比阻性成分好，因此本系統(tǒng)采用基于電容原理的叉指形電極，見圖2。叉指形電極為平面電極，可以方便地貼在手機等移動設備表面。皮膚與電極接觸時，皮膚充當電極的電介質(zhì)影響電極的電容值，根據(jù)電極阻抗可估計皮膚水分含量。

圖2 皮膚水分測量電極平面圖Fig.2 PCB of skin moisture-measuring electrode

1.2.2 全身體脂測量電極

全身體脂測量對人體脂肪含量情況作粗略的估計。人體成分的二元模型[9]將人體簡化為非脂肪組織和脂肪組織，非脂肪組織主要包括水和肌肉組織，阻抗較小，脂肪組織阻抗較大。有研究[10]表明，阻抗指數(shù)Ht2/z（其中Ht為身高，z為人體阻抗）與人體脂肪含量（FFM）有顯著相關性（可達0.8或更高），采用合適的電極測量人體阻抗可估計體脂含量。

商用體脂儀采用的電極（如雙手握式，雙腳踩式）大多便攜性不好，很難集成到手機等移動設備。本文設計了圖3所示電極，包括一對激勵電極，一對測量電極，分別放在扁平盒子兩側，測量時雙手拇指和食指緊貼對應電極即可。4個電極片可以貼在手機側邊，基本不占用手機體積。

與一些手握式產(chǎn)品（從手掌測量體阻抗）、腳踩式產(chǎn)品（從腳掌測量體阻抗）相比，直接從手指測量阻抗增大了信號通路長度，使得測量結果波動變大。針對此問題，本系統(tǒng)在硬件上采用恒流激勵以減小皮膚接觸阻抗影響[11]，在數(shù)據(jù)處理中采用平滑的方法提高測量結果穩(wěn)定性。

圖3 全身體脂測量電極實物圖Fig.3 Photo of body fat-measuring electrode

1.2.3 局部體脂測量電極

局部體脂測量是對身體某一部位的脂肪含量進行估計，通過測量局部組織的阻抗實現(xiàn)，基本測量原理與全身體脂測量類似。但待測組織減小后，測量時噪聲增大，并且對不同人或同一人的不同部位結果會有差別，很難找出一個統(tǒng)一的規(guī)律。目前基于生物電阻抗的局部體脂測量主要處于實驗室研究階段，還沒有成熟產(chǎn)品出現(xiàn)。

本系統(tǒng)對局部組織的阻抗測量采用Wenner型電極[12-13]見圖4，包含外側兩個激勵電極和內(nèi)側兩個測量電極。人體體表脂肪厚度不同時，電極電流通路上組織的阻抗不同，通過測量阻抗可估計局部體脂含量。局部體脂測量采用與全身體脂測量相同的激勵信號(交流恒幅電流激勵)。采集數(shù)據(jù)時為了保證電極與皮膚良好接觸，提高信號質(zhì)量，在電極上涂導電膏。

圖4 局部體脂測量原理示意圖Fig.4 Principle of local fat-measuring

1.3 軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件包括兩部分：MCU部分和上位機部分。

MCU部分流程如圖5所示，具體包括測量流程控制、算法實現(xiàn)以及測量結果傳輸。MCU通過I2C接口操作AD5933，設置激勵信號，讀取阻抗結果。MCU每次讀到阻抗數(shù)據(jù)立即進行算法處理并將處理結果通過UART接口發(fā)送給上位機。

圖5 MCU軟件流程圖Fig.5 The software fl ow chart of MCU

上位機部分軟件功能包括發(fā)送配置指令、接收與顯示測量結果等。上位機暫用PC模擬，采用MFC實現(xiàn)軟件。測量開始時上位機向MCU發(fā)送控制指令（包括選擇測量類型、啟動測量與結束測量等）和個人信息（身高、體重等），上位機收到測量結果后顯示結果并停止本次測量。由于測量流程的主要邏輯在MCU實現(xiàn)，上位機軟件邏輯簡單，可以方便的在嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)以用于手機等移動手持設備。

2 實驗與數(shù)據(jù)處理

2.1 皮膚水分測量

測量方法 圖6為受試者水分含量不同的五個部位皮膚與電極接觸前后測得的電容值變化情況，電極與皮膚在10 s時開始接觸，由圖6可看出電極與皮膚接觸后的幾秒鐘電容值迅速升高，不同水分含量的皮膚對應的電容值有明顯差別。取接觸時刻后變化較小的電容值用于皮膚水分含量的估計。

圖6 含水量不同的多個部位電容值變化對比Fig.6 The change of capacitance on several points with different moisture content

激勵信號 采用5 kHz交流恒壓信號。

預測模型 受試者6人，每人取6個部位（手指、手心、手掌內(nèi)側、手腕、小臂、臉部），用商用水分筆測量皮膚水分含量，用本系統(tǒng)測量相同部位的電容值，重復3次（兩次至少間隔2 h）。采用分段y=a2ln(a1x)函數(shù)進行曲線擬合，結果如式(1)所示。

其中y為水分含量值(%)，x為皮膚電容值(pF)，擬合的決定系數(shù)R2為0.95。

測試測量效果 受試者19人，每人取6個部位（手指、手心、手掌內(nèi)側、手腕、小臂、臉部），分別用本系統(tǒng)和菲斯凱爾SK-I水分筆測量各個部位水分含量，重復5次（兩次至少間隔2 h）。圖7為測試結果，每個點的橫坐標為本系統(tǒng)測量結果，縱坐標為菲斯凱爾SK-I測量結果，可看出兩系統(tǒng)測量結果非常接近，集中在y=x附近。經(jīng)計算本系統(tǒng)測量結果和菲斯凱爾SK-I相比，均方誤差3.8%，相關系數(shù)0.98。

圖7 本系統(tǒng)與商用水分筆測量結果對比Fig.7 The comparison of skin moisture measurements between our system and a commercial product

測試結果表明本系統(tǒng)整體測量效果與商用產(chǎn)品相近，但從測試結果中也可以看到，在水分含量比較低時（30%左右）測量結果與商用產(chǎn)品還有差距。后續(xù)工作可從兩方面進行改進，硬件方面調(diào)整阻抗測量電路的測量范圍，數(shù)據(jù)處理方面改進原有預測模型或探索更好的預測模型。

2.2 全身體脂測量

確定測量點 全身體脂測量中阻抗測量結果基本動態(tài)穩(wěn)定，直接取測量結果波動較小時的中值用于估計體脂含量。

激勵信號 采用50 kHz交流電流恒幅信號。

預測模型 體脂測量的預測經(jīng)驗公式有多種[14]，大都考慮阻抗指數(shù)Ht2/Z，同時綜合考慮身高(Ht)、體重(Wt)、性別等參數(shù)以提高預測效果，本文采用BF=a1Ht2/Z+a2Wt+a3，對男女單獨擬合。對受試者28人（17男11女），同時用歐姆龍HBF-306體脂儀測量體脂，用本系統(tǒng)測量人體阻抗，采用多元線性擬合確定公式系數(shù)。結果為式(2)。

測試測量效果 受試者 23人（13男10女），分別用本系統(tǒng)和歐姆龍HBF-306體脂儀測量全身體脂含量，重復4次（兩次至少間隔2 h）。圖8為測試結果，可看出兩系統(tǒng)測量結果非常接近，集中在y=x附近。經(jīng)計算本系統(tǒng)測量結果和歐姆龍HBF-306相比，均方誤差1.5%，相關系數(shù)0.97。

圖8 本系統(tǒng)與商用體脂儀測量結果對比Fig.8 The comparison of body fat measurements between our system and a commercial product

測試結果表明本系統(tǒng)體脂測量效果與商用產(chǎn)品接近，達到了預期目標。但本系統(tǒng)體脂電極在提高便攜性的同時使得測量對象主要為人體上半身（左右上肢和軀干的阻抗）的體脂含量，對腹部和腿部的體脂含量反映能力有限。后續(xù)研究可借鑒“分段測量”等研究成果進一步改進測量電極和測量方法，提高對整個人體體脂含量的反映能力。

2.3 局部體脂測量

在受試者大腿上均勻取15個點，采用商用皮脂鉗測量皮脂厚度估計局部體脂，用本系統(tǒng)測量相同部位局部阻抗值。每天一次連續(xù)六天得到的阻抗測量結果和處理結果如圖9所示，可看出，不同天的各部位阻抗值會有整體的上下浮動，但單次實驗各個測量點的阻抗相對大小關系一致。我們推測這種上下浮動是由于測量條件（如導電膏每次涂抹情況、環(huán)境溫度濕度影響）和人體生理狀況等的影響，這種影響在一次實驗過程中變化比較小，在不同次實驗間有明顯差別，設為e，并假設阻抗(y)與皮脂厚度(x)關系為 y = f (x)+e。對六次實驗結果求均值可得到圖9中“處理結果”。

圖9 局部阻抗測量結果及處理結果Fig.9 Measurements and processing results of local impedance

圖10為各部位皮脂厚度與阻抗處理結果的對應關系，可看出兩者有明顯線性關系，利用直線擬合計算出系數(shù)為0.76。

圖10 大腿部位的皮脂厚度與局部阻抗對應關系Fig.10 The relation between sebum thickness and local impedance in thigh

然而，在受試者不同部位（包括前臂、上臂、小腿、大腿、腹部、腰部）各取一點，分別測量皮脂厚度和局部阻抗值，沒有發(fā)現(xiàn)它們之間有明顯的線性關系，總結原因可能為：(1)本實驗中使用商用皮脂鉗測量皮膚厚度可以粗略的估計局部體脂含量，但主觀性強，重復性不夠好。對此進一步研究可考慮采用MRI或超聲等更客觀精確的方法測量皮脂厚度；(2)導電膏涂抹情況或環(huán)境溫度濕度等也會影響阻抗測量結果，對此需要探索更穩(wěn)定的受環(huán)境影響小的阻抗測量方式；(3)不同部位和不同人的組織差異性可能影響阻抗與皮脂厚度之間的關系，對此需要進一步改進測量方法。

3 總結

本文設計并實現(xiàn)了一套面向手機應用的皮膚水分和體脂含量測量傳感器。本設計一方面通過硬件小型化設計，使電極和處理電路可方便的嵌入手機；另一方面通過開展實驗和數(shù)據(jù)分析，確定皮膚水分和全身體脂的測量方法和經(jīng)驗公式。與商用產(chǎn)品測量結果相比，本文研制的傳感器對皮膚水分和全身體脂的測量效果可以滿足要求。在局部體脂測量方面，本文對單個部位（大腿）的研究表明，局部體脂含量與局部阻抗有接近線性的正相關關系，適用于多部位的規(guī)律有待進一步的研究，后續(xù)研究建議考慮多種因素影響探索更復雜的數(shù)學模型，并提高實驗條件。

[1] 胡凌昊. 基于Windows Mobile的脈搏監(jiān)護系統(tǒng)[D]. 蘭州理工大學, 2011.

[2] 李晶晶, 于洋, 呂勇強, 等. 基于手機的唾液葡萄糖無線檢測技術研究[J]. 中國醫(yī)療器械雜志, 2011, 35(05): 317-323.

[3] 王碩, 宮恩浩, 于洋, 等. 基于手機的血壓無線監(jiān)測系統(tǒng)研制及初步應用[J]. 中國醫(yī)療器械雜志, 2011, 35(6): 402-408.

[4] Chen W, Wei D, Zhu X, et al. A mobile phone-based wearable vital signs monitoring system [C]. IEEE CIT 5th Int Conf Comput Inform Tech,2005: 950-955.

[5] Scully CG, Lee J, Meyer J, et al. Physiological parameter monitoring from optical recordings with a mobile phone[J]. IEEE Trans Biomed Eng, 2012, 59(2): 303-306.

[6] 高原, 張政波, 王衛(wèi)東, 等. 基于智能手機的穿戴式移動監(jiān)護系統(tǒng)[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2010, 31(05): 8-9, 22.

[7] Huang TH, Chou JC, Sun TP, et al. A device for skin moisture and environment humidity detection[J]. Sensors Actuators B: Chemical, 2008, 134(1): 206-212.

[8] 盛國俊, 董永責, 張琦, 等. 人體生物電阻抗的脈沖式檢測方法及其應用[J]. 儀器儀表學報, 2008, 29(4): 295-299.

[9] 黃海濱, 任超世. 生物電阻抗分析法(BIA)測量人體成分[J]. 國外醫(yī)學生物醫(yī)學工程分冊, 2000, 23( 3): 151-155.

[10] Houtkooper LB, Lohman TG, Going S B, et al. Why bioelectrical impedance analysis should be used for estimating adiposity[J]. Am J Clin Nutrit, 1996, 64(3): 436S-448S.

[11] 劉加恩, 董永貴, 葛凱. 適用于家庭健康檢測的生物電阻抗測量系統(tǒng)[J]. 清華大學學報(自然科學版). 2007, 47(8): 1330-1333.

[12] Kinoshita M, Aoki H, Koshqi K. Consideration on estimating subcutaneous fat thickness using electrical bio-impedance method[C].IEEE Int Symp Micro-NanoMechatronics Human Sci, 2006: 1-6.

[13] Murakami K, Uchiyama T. Bioelectrical impedance measurement of subcutaneous fat thickness using apparent resistivity[C]. IEEE ITAB 6th Int Spec Top Conf, 2007: 210-212.

[14] Kyle UG, Bosaeus I, De Lorenzo AD, et al. Bioelectrical impedance analysis-part I: review of principles and methods[J]. Clin Nutrit, 2004, 23(5): 1226-1243.

Development of Skin Moisture and Body Fat Measurement System for Mobile Application

【 Writers 】Huang Naihan, Chen Xiang, Wang Congzheng, Dong Zhongfei
Department of Electronic Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei, 230027

mobile health, skin moisture measurement, body fat measurement, local body fat measurement

TP216

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.02.001

1671-7104(2014)02-0079-05

2013-12-06

國家自然科學基金面上項目（61271138）

陳香，E-mail: xch@ustc.edu.cn

【 Abstract 】Integrating physiological parameters measurement into mobile devices is a development tendency of mobile healthcare. Measurement methods for skin moisture and body fat content are studied in this paper. Electrodes are designed for easy integration into mobile devices, and can be embedded in the cover of the mobile phone. Experiments were conducted to obtain a fast and easy measurement method. The results of evaluation show that the measurement system can achieve the same accuracy as commercial products (with correlation above 0.9 and root mean squared error below 4%) in skin moisture and body fat content measurement. Measurement of local-area body fat content showed a nearly linear positive correlation between local-area body fat content and local-area body impedance.