人體成分分析儀性能測試對比分析

蘇本華 蘇春英 孫仲軒 馮念倫

目前，肥胖及其他健康問題越來越影響著人們的生活質量。以往，多數(shù)使用體重指數(shù)(body mass index，BMI)來判斷人們的體型及健康狀況，具有一定的局限性，無法準確地評估其健康狀況。生物電阻抗分析(bioelectrical impedance analysis，BIA)技術是近年來發(fā)展起來的一項人體成分測量技術，利用人體中不同成分的導電性差異來測定人體成分的含量，可以對人體內(nèi)的組成成分進行有效地分析，符合臨床上對人體成分測量的要求，且具有操作簡便、測量精確、安全、成本低等優(yōu)點[1]。通過進行人體成分分析測量，能夠準確地了解人體內(nèi)的營養(yǎng)情況，有效地進行臨床診斷的分析指導。

為滿足市場需求，本研究自主研發(fā)了匯醫(yī)融工BCcare 860型人體成分分析儀，應用BIA測量技術對人體內(nèi)的組成成分進行分析，并與目前市場上占有量較多的國內(nèi)外三家分析儀進行一致性比較。

1 人體成分分析儀的研發(fā)

1.1 技術背景

BIA測量技術是一種提取人體生理、病理狀況的檢測技術，其利用不同的生物組織和器官具有不同電特性的特點來檢測人體的生物醫(yī)學信息。將特定形狀的電極與人體表面進行接觸，通過這些電極注入安全的交流電流信號或電壓信號，從而檢測人體相應部位的電阻抗值的變化和電阻抗相位的變化。根據(jù)應用目的的不同，可以獲取相應人體的生理信息和病理信息。因BIA測量技術具有相關設備比較簡單、成本低廉、無創(chuàng)、無輻射、不要求特殊的使用環(huán)境、可連續(xù)使用等鮮明的特點，在當今的生物醫(yī)學工程學界，這種測量技術受到了廣泛的關注[2]。

1.2 結構與性能

(1)結構。人體成分分析儀(濟南匯醫(yī)融工科技有限公司)由主機、打印機組成。主機接口包括手柄裝置接口、電源接口、USB接口及以太網(wǎng)接口，可實現(xiàn)USB數(shù)據(jù)傳輸及分析儀的網(wǎng)絡功能，并可實現(xiàn)各個人體成分的測量及數(shù)據(jù)分析，如圖1、圖2所示。

圖1 BCcare 860型人體成分分析儀外觀效果圖

圖2 病例管理測量結果界面圖

(2)性能。①測試項目：體重、腰臀比、體脂肪、肥胖度、內(nèi)臟脂肪面積、細胞外液、細胞內(nèi)液、總水分、去脂體重、肌肉重、蛋白質、體脂肪以及無機鹽；②成分評價：浮腫指數(shù)、體重指數(shù)、基礎代謝、肥胖程度以及體脂肪率；③節(jié)段分析：左上肢水分含量、左下肢水分含量、右上肢水分含量、右下肢水分含量、軀干水分含量、左上肢脂肪含量、左下肢脂肪含量、右上肢脂肪含量、右下肢脂肪含量以及軀干脂肪含量等。

(3)技術指標。BCcare 860型人體成分分析儀能夠對人體組織成份及其變化進行檢測和量化，并以此作為參考，用于指導人們的保健鍛煉、評估健美及減肥鍛煉效果，還可用于監(jiān)測兒童營養(yǎng)狀況、提高運動員競賽成績、實施醫(yī)生對患者的臨床診斷以及患者治療后的保健恢復情況分析。BCcare 860型人體成分分析儀使用1 kHz、5 kHz、50 kHz、250 kHz和500 kHz的5個不同頻率分別對被測者的左上肢、左下肢、右上肢、右下肢以及被測者的軀干進行電阻抗分析測量。

1.3 檢測方法

人體成分的測量方法發(fā)展至今已經(jīng)出現(xiàn)了許多方法，目前還無一種既簡單又精確的測定人體成分的理想方法[3]。國內(nèi)外常用的測量人體成分的間接方法有：人體測量估算法、水下稱重法、BIA法、空氣置換法、皮褶厚度法、總鉀量推算法、稀釋法、超聲波法、雙能量X射線吸收法(dual-energy x-ray absorptiometry，DXA)、核磁共振法(magnetic resonance imaging，MRI)以及X射線計算機斷層成像(computed tomography，CT)法等。而臨床上常用的兩種方法是BIA和DXA。

2 人體成分分析儀的對比分析

2.1 分析儀設備

(1)清華同方人體成分分析儀。BCA-2A型人體成分分析儀[同方健康科技(北京)有限公司]。同樣適用5個測量頻率(1 kHz、5 kHz、50 kHz、250 kHz和500 kHz)，采用8點接觸式電極。

(2)biospace人體成分分析儀。InBody720型(韓國biospace)。電極方式為8點接觸式電極，直接節(jié)段多頻率生物電阻抗測試法。通過6個不同的頻率(1 kHz、5 kHz、50 kHz、250 kHz、500 kHz和1000 kHz)分別對被測者的右上肢、左上肢、軀干、右下肢及左下肢進行30個阻抗測量。

(3)Advance X射線束iDXA骨密度儀。Prodigy Advance型X射線束iDXA骨密度儀(美國GE公司)，可進行全身的人體成分測量，如左上肢、右上肢、雙上肢、左下肢、右下肢、雙下肢、頭部、亞全身、軀干、全身骨面積、骨礦含量、骨密度、脂肪含量、瘦肉含量、肋骨、脊柱、骨盆等的骨面積、骨礦含量以及骨密度分析等。

2.2 測試方法

選取山東省級醫(yī)院體檢的66名志愿者，其中男性33名、女性33名，使用待分析的人體成分分析儀分別進行體質量、總水分、蛋白質及體脂肪等進行測試。志愿者排除以下情況：①嚴重的呼吸系統(tǒng)疾病患者；②嚴重的消化系統(tǒng)疾病患者；③腫瘤患者；④月經(jīng)期、哺乳期婦女；⑤嚴重的心血管系統(tǒng)疾病患者；⑥手術外傷患者；⑦嚴重的貧血患者；⑧嚴重的浮腫患者；⑨嚴重的肝病患者；⑩嚴重的泌尿系統(tǒng)疾病患者。

2.3 測試方案設計

對行業(yè)內(nèi)主流的BIA法人體成分分析儀的性能進行比較，以及目前BIA法與DXA法設備的性能分析比較。共進行兩種測試方案設計。

(1)測試方案一。選取一名男性健康測試者和一名女性健康測試者，進行反復重復測量，對于4臺儀器，每個測試者均進行30次相同的反復測試。選取體重、總水分、蛋白質和體脂肪率4個測試項目進行研究。要求測試時間集中、測試環(huán)境相同，被測者狀態(tài)穩(wěn)定。進行該實驗的目的為，評估各個設備的測試一致性及測試穩(wěn)定性。

(2)測試方案二。對66名被測者分別進行4臺設備的人體成分分析，對每個人測試時，要求測試時間集中、測試環(huán)境相同，被測者狀態(tài)穩(wěn)定。進行該實驗的目的為，對同種方法學及不同方法學的設備進行分析對比。綜合各儀器的測試指標，選取體重、總水分、蛋白質及體脂肪率4個測試項目進行對比分析。

2.4 分析指標

采用雙能X射線吸收法進行測量，進行身體任何部位的脂肪組織(fat mass，F(xiàn)M)、肌肉組織(lean mass，LM)和全身骨密度(bone mineral density，BMD)及百分率，雙能X射線吸收法是目前臨床應用十分廣泛的直接測量人體全身和部分的人體成分分析方法。

3 人體成分分析儀的測試結果

3.1 一致性測試數(shù)據(jù)

(1)BCcare 860型人體成分分析儀的測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 BCcare 860測試數(shù)據(jù)(±s)

表1 BCcare 860測試數(shù)據(jù)(±s)

性別 體重(kg) 總水分(L) 蛋白質(kg) 體脂肪(%)女 70.5±0 36.9±0.5 9.7±0.5 39.7±0.6男 79.8±0 42.6±0.8 11.6±0.6 28.7±0.3

表1內(nèi)的數(shù)據(jù)以平均值及標準差的形式顯示，具體數(shù)據(jù)為同一名男性被測者與同一名女性被測者分別重復測量30次，其數(shù)據(jù)分布如圖3、圖4所示。

圖3 BCcare 860女性被測者測試數(shù)據(jù)分布圖

圖4 BCcare 860男性被測者測試數(shù)據(jù)分布圖

(2)BCA-2A型人體成分分析儀的測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 BCA-2A測試數(shù)據(jù)(±s)

表2 BCA-2A測試數(shù)據(jù)(±s)

性別 體重(kg) 總水分(L) 蛋白質(kg) 體脂肪(%)女 70.5±0 38.6±0.8 8.9±0.6 42.9±1.2男 79.8±0 44.6±1.4 10.4±0.7 29.7±1.6

表2內(nèi)的數(shù)據(jù)以平均值及標準差的形式表示，具體數(shù)據(jù)為同一名男性被測者與同一名女性被測者分別重復測量30次，其數(shù)據(jù)分布如圖5、圖6所示。

圖5 BCA-2A女性被測者測試數(shù)據(jù)分布圖

圖6 BCA-2A男性被測者測試數(shù)據(jù)分布圖

(3)InBody720型人體成分分析儀的測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 InBody720測試數(shù)據(jù)(x-±s)

表3內(nèi)的數(shù)據(jù)以平均值及標準差的形式表示，具體數(shù)據(jù)為同一名男性被測者與同一名女性被測者分別重復測量30次，其數(shù)據(jù)分布如圖7、圖8所示。

圖7 InBody720女性被測者測試數(shù)據(jù)分布圖

圖8 InBody720男性被測者測試數(shù)據(jù)分布圖

(4)Prodigy Advance X射線束iDXA骨密度儀的測試數(shù)據(jù)見表4。其中表格內(nèi)的數(shù)據(jù)以平均值及標準差的形式表示，具體數(shù)據(jù)為同一名男性被測者與同一名女性被測者分別重復測量30次，其數(shù)據(jù)分布如圖9、圖10所示。

3.2 測試分析

(1)體重測試。4個品牌的人體成分分析儀的體重測試數(shù)據(jù)，對于男性被測者和女性被測者均無偏差，每臺測試儀器測試30次的數(shù)據(jù)均相同，表明4個品牌的人體成分分析儀對于體重測試數(shù)據(jù)的一致性非常好，體重數(shù)據(jù)測量十分準確。

表4 Prodigy Advance測試數(shù)據(jù)(±s)

表4 Prodigy Advance測試數(shù)據(jù)(±s)

性別 體重(kg) 總水分(L) 蛋白質(kg) 體脂肪(%)女 70.5±0 35.4±0.1 10.9±0.2 38.9±0.2男 79.8±0 40.1±0.2 12.8±0.2 29.2±0.1

圖9 Prodigy Advance女性被測者測試數(shù)據(jù)分布圖

圖10 Prodigy Advance男性被測者測試數(shù)據(jù)分布圖

(2)總水分指標測量。4個品牌的人體成分分析儀分別對女性和男性進行測試比較。測試比較的數(shù)據(jù)顯示，Prodigy Advance X射線束iDXA骨密度儀的數(shù)據(jù)波動最小，表明對于總水分數(shù)據(jù)測量的一致性非常好。BCcare 860型人體成分分析儀、BCA-2A型人體成分分析儀與InBody720型人體成分分析儀的測試數(shù)據(jù)波動相當，表明對于總水分數(shù)據(jù)測量一致性水平相當，均略差于Prodigy Advance X射線束iDXA骨密度儀，而其測試均值均與Prodigy AdvanceX射線束iDXA骨密度儀存在差異，表明測試數(shù)據(jù)準確性均差于骨密度儀。但是這種測試偏差，可以通過對人體成分分析儀進行校準的方法來糾正測試結果。人體成分分析儀分別對女性和男性進行測試比較結果如圖11和圖12所示。

圖11 女性被測者總水分對比數(shù)據(jù)分布圖

圖12 男性被測者總水分對比數(shù)據(jù)分布圖

(3)蛋白質指標的測量。4個品牌的人體成分分析儀分別對女性和男性進行測試比較，女性和男性測試數(shù)據(jù)的結果相似，對于4個品牌的人體成分分析儀顯示，對于男性被測者和女性被測者的蛋白質測試均值相差不大。同樣存在Prodigy Advance X射線束iDXA骨密度儀的測試結果波動最小的情況。其余3個品牌的人體成分分析儀測試結果均值略低于骨密度儀，同時數(shù)據(jù)波動均大于骨密度儀。表明對于蛋白質數(shù)據(jù)的測量，Prodigy Advance X射線束iDXA骨密度儀的測試結果最為準確，其余3個品牌的人體成分分析儀的測試精度相當。4個品牌的人體成分分析儀分別對女性和男性被測者的測試結果比較如圖13和圖14所示。

圖13 女性被測者蛋白質對比數(shù)據(jù)分布圖

圖14 男性被測者蛋白質對比數(shù)據(jù)分布圖

(4)體脂肪指標的測量。4個品牌的人體成分分析儀的女性和男性被測者的測試顯示，Prodigy Advance X射線束iDXA骨密度儀的測試結果波動最小，同時，BCcare 860型人體成分分析儀的測試結果與骨密度儀的測試結果最為接近，但是波動性要大于骨密度儀，測試結果略好于另外2個品牌的人體成分分析儀。4個品牌的人體成分分析儀的女性和男性被測者的測試結果比較如圖15和圖16所示。

圖15 女性被測者體脂肪對比數(shù)據(jù)分布圖

圖16 男性被測者體脂肪對比數(shù)據(jù)分布圖

4 BIA分析方法的應用效果

20世紀70年代，人體水分與電阻抗關系的理論基本成型，同時BIA基本理論建立。到了20世紀90年代，基于生物電阻抗理論的人體成分分析儀在市場上出現(xiàn)。隨后基于生物電阻抗進行人體成分分析的理論不斷發(fā)展，出現(xiàn)生物電阻抗矢量分析法(bioelectrical impedance vector analysis，BIVA)，生物電子光譜學(bioelectrical spectroscopy，BIS)，神經(jīng)網(wǎng)絡分析法等，BIA的理論方法也在不斷得到擴展。同時基于不斷發(fā)展的BIA理論，人體成分分析儀系統(tǒng)也在不斷發(fā)展和完善[4]。

由電阻抗基本理論可知，生物組織在頻率較低時阻抗較大，此時測量的阻抗值主要是細胞外液的電阻；隨著注入信號頻率的增高，當達到某一值時(如頻率在200 kHz以上)電流可以部分地穿過細胞膜，這時可同時測量到細胞外液和細胞內(nèi)液的電阻。根據(jù)上述原理，BIA中假設人體都是由非脂肪組織(fat free mass，F(xiàn)FM)和脂肪組織(fat mass，F(xiàn)M)所構成，F(xiàn)FM中含有許多的電解質和水分，所以電阻抗較低；然而FM是無水的物質，所以電阻抗比較高。因此，人體中如果非脂肪的物質含量越多則電阻抗的值越低。

Schoeller[5]指出，BIS中，人體細胞質量，尤其是肌肉質量構成主要的電路途徑。許多研究表明，電阻率常伴隨著不同測量種群的不同而發(fā)生改變[6-7]。

多頻BIA技術是把人體水分區(qū)分為細胞外液和細胞內(nèi)液。細胞具有雙層膜結構，兩層膜之間是非導電介質，兩層膜的兩邊是可以導電的體液，這種結構相當于電路中的電容器效應。具有通交流、阻直流的特點，對高頻信號具有更低的導通阻抗，因此在對人體進行阻抗測試時，可以采用多種頻率的信號進行測試，對于高頻信號而言，其可以順利經(jīng)過細胞膜，而對低頻信號而言，則不能順利地經(jīng)過細胞膜，而必須找到其他低阻抗路徑(通過細胞外液)。兩種信號測試過程中，就會反映出不同的電阻值：高頻信號反應的是細胞內(nèi)液和細胞外液總阻抗值，而低頻信號僅反映細胞外液阻抗值。利用多頻技術可以分別測定細胞內(nèi)液和細胞外液，從而達到測定人體內(nèi)水分含量的目的。然后可以利用公式計算出人體的去脂肪組織質量和脂肪組織質量等人體成分，而其中人體節(jié)段部位分析的測定原理是將人體假定為五段模型：右上肢、右下肢、左上肢、左下肢和軀干，通過數(shù)學模型測試每個節(jié)段的阻抗。雖然每個節(jié)段的實際模型并不是完全相同，但與不分節(jié)段的傳統(tǒng)測量儀器相比，已經(jīng)可以極大地提高測量的準確性。

5 結語

人體成分分析儀對于兒童和青少年生長發(fā)育的監(jiān)護、科學地訓練運動員進行有效的指導、肥胖和許多疾病的防治以及患者如何進行有效的康復等都有著很好的應用前景[8-9]。人體成分分析設備的研究和儀器的發(fā)展，對于醫(yī)學的需求和人們的健康顯得尤為重要。