基于四電極多頻率掃描的生物阻抗法人體成分測(cè)試儀設(shè)計(jì)

摘" 要： 生物阻抗包含豐富的人體病理和生理電信號(hào)，可以作為醫(yī)務(wù)人員準(zhǔn)確判斷病人癥狀和治療疾病的主要依據(jù)?；诖?，提出一種基于Cole?Cole理論的人體多種參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。構(gòu)建人體阻抗模型，通過(guò)碳納米材料電極對(duì)人體阻抗進(jìn)行采集分析，得到人體的各種成分參數(shù)。通過(guò)信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生注入人體的低頻信號(hào)，利用幅度檢測(cè)電路檢測(cè)流經(jīng)人體電流產(chǎn)生的電壓，采用分段檢測(cè)法測(cè)得人體不同分段的阻抗信息；信號(hào)經(jīng)放大電路輸入RT1052微處理器，對(duì)數(shù)據(jù)和人體成分參數(shù)相關(guān)性進(jìn)行分析，得到人體各種成分參數(shù)并顯示測(cè)量結(jié)果。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析，得出所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地對(duì)人體蛋白質(zhì)、脂肪等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，誤差范圍可以控制在5%以?xún)?nèi)，具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 生物阻抗法； 人體電抗； 分段檢測(cè)法； 信號(hào)采集； 多頻率掃描； RT1052微處理器

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919?34； R318.6" " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2024）12?0045?07

Design of bio?impedance body composition tester based on four?electrode

multi?frequency scanning

HAN Tuanjun， HUANG Chaojun， LU Chao， WANG Guibao， LIU Wu

（School of Physics amp; Telecommunication Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723000， China）

Abstract： Bioimpedance contains abundant human pathology and physiological electrical signals， which can be used as the main basis for medical personnel to accurately judge patients and treat diseases. On this basis， a multi?parameter measurement system for human body based on Cole?Cole theory is proposed. In the system， a human body impedance model is constructed to collect and analyze various body parameters of the human body by means of carbon nanomaterial electrodes. The low?frequency signal injected into the human body is generated by means of the signal generation circuit， the amplitude detection circuit is used to detect the voltage generated by the current flowing through the human body， and the segmented detection method is used to measure the impedance information of different segments of the human body. The signal is input into the RT1052 microprocessor by means of the amplification circuit to analyze the correlation between the data and human body composition parameters， so as to obtain various human body composition parameters， and display the measurement results. After testing and analysis of the system， it is found that the designed system can accurately measure parameters such as human protein and fat， with an error range controlled within 5%， and has good application prospects.

Keywords： bioimpedance method; human body reactance; segmented detection method; signal acquisition; multi frequency scanning; RT1052 microprocessor

0" 引" 言

人體內(nèi)各種成分的比例維持是身體健康的重要指標(biāo)。在疾病發(fā)生時(shí)，人體組織各種成分的比例會(huì)早于臨床癥狀產(chǎn)生變化，如果能較早檢測(cè)到人體各種成分參數(shù)的變化，對(duì)于疾病的預(yù)防和治療具有非常關(guān)鍵的作用。而如何準(zhǔn)確檢測(cè)身體各種成分參數(shù)和對(duì)人體健康進(jìn)行有效評(píng)估已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)。本文利用生物阻抗原理進(jìn)行人體各種成分的測(cè)量，研究發(fā)現(xiàn)，人體不同組織電阻率在不同條件下具有線性差異，可以利用這種電阻率變化測(cè)量人體成分[1?4]。人體電導(dǎo)性與人體中水分含量有關(guān)，當(dāng)把微弱的交流電加入人體時(shí)，電流會(huì)向著電阻小和傳導(dǎo)性好的方向流傳；同時(shí)體內(nèi)流過(guò)電流帶寬的大小取決于水分的含量。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，人體中各個(gè)成分的含量和人體的阻抗具有線性關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，阻抗法測(cè)量的人體成分值大小與身高成正比，與人體阻抗R成反比。同時(shí)發(fā)現(xiàn)：注入人體的交流電信號(hào)頻率對(duì)阻抗起決定作用，頻率上升，細(xì)胞膜顯容性，人體電抗減?。浑娏黝l率減小，細(xì)胞膜容性增大，人體組織電抗增大[5?7]。

本文基于生物阻抗法理論，提出一種四電極多頻率掃描的人體成分測(cè)試系統(tǒng)。采用碳納米電極對(duì)構(gòu)建的人體阻抗模型加入不同頻率的激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)為人體可以安全注入的不同頻率的電流信號(hào)；再采用所設(shè)計(jì)的幅值檢測(cè)電路對(duì)注入電流信號(hào)經(jīng)過(guò)人體后在人體不同分段產(chǎn)生的電壓信號(hào)值進(jìn)行計(jì)算，得到不同分段的電阻信息；最后，通過(guò)對(duì)人體的阻抗定量分析，得到人體各種參數(shù)的標(biāo)定。

1" 人體成分模型及Cole?Cole理論

人體生物組織由細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液的不同形狀細(xì)胞組成，在電特性上細(xì)胞膜可等效為電容。當(dāng)?shù)皖l電流通過(guò)細(xì)胞外液時(shí)，電流會(huì)選擇阻抗較小、傳導(dǎo)性好的體液方向流動(dòng)。隨著注入人體細(xì)胞信號(hào)頻率的增加，細(xì)胞膜的容抗減小，信號(hào)流經(jīng)細(xì)胞內(nèi)液的比例逐漸加大[8]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析可知，電阻抗變化反映了生物組織細(xì)胞膜的電容變化特性。因此，可以等效出單個(gè)細(xì)胞的電路單元是一個(gè)電阻和電容并聯(lián)型，同時(shí)考慮細(xì)胞液電阻、電容，可以推出整個(gè)細(xì)胞系統(tǒng)電路為一個(gè)R、C組成的電路單元，這樣人體阻抗就與注入信號(hào)的頻率有關(guān)，可以得到人體組織的等效電路。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)對(duì)電路模型進(jìn)行驗(yàn)證，可以得到模型的阻抗特性方程，此時(shí)條件是對(duì)人體輸入不同頻率的電流信號(hào)，對(duì)人體不同分段的輸出電壓和相位大小進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)與輸入信號(hào)對(duì)比分析，得到人體生物電阻抗。實(shí)驗(yàn)證明，生物電阻抗和輸入人體的電流信號(hào)的頻率在一定范圍內(nèi)有關(guān)[9?10]。本文中整個(gè)電路模型是將人體等效為理想的電阻率相同的五段電阻，人體生物阻抗五段模型如圖1所示。

向人體不同節(jié)段通入大小恒定、頻率可變的交變電流，采集不同節(jié)段各個(gè)頻率的激勵(lì)電壓，從而計(jì)算人體各節(jié)段和人體成分的阻抗值。采用4個(gè)激勵(lì)電極和4個(gè)測(cè)量電極，分布在人體四肢上[11?12]，測(cè)量時(shí)選取不同電流通路。設(shè)計(jì)中為了得到測(cè)試結(jié)果的可行性分析，選用特定頻率值5～150 kHz對(duì)人體注入信號(hào)進(jìn)行增加，以采集人體得到的電壓值，分析得到在不同頻率注入信號(hào)下人體的電阻值。通過(guò)這種方法測(cè)得的電阻抗結(jié)合人體其他信息，可以得到更為全面而準(zhǔn)確的結(jié)果。

本文采用多頻率分段阻抗測(cè)量法，圖1中R1～R4分別為左上肢、左下肢、右上肢、右下肢生物阻抗。若ab端注入電流大小為Iab的激勵(lì)交變電流，同時(shí)測(cè)得ab端電壓為Uab；同理，cd端注入激勵(lì)交變電流為Icd，測(cè)得電壓為Ucd；ac端激勵(lì)交變電流為Iac，測(cè)得電壓為Uac；bd端激勵(lì)交變電流為Ibd，測(cè)得電壓為Ubd。由此可得最終人體阻抗公式為：

[R=R2+R4R5R2+R4+R5+R1+R3]" （1）

2" 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的人體成分分析檢測(cè)儀主控采用RT1052微處理器，硬件主要包括數(shù)字頻率合成器、壓控轉(zhuǎn)換模塊、碳納米電極、AD637幅度采集模塊。通過(guò)數(shù)字頻率合成器產(chǎn)生不同頻率的正弦電壓信號(hào)，通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行濾波，去除數(shù)字頻率合成器信號(hào)本身產(chǎn)生的高頻噪聲以及放大器的偏置電流和偏置電壓的低頻噪聲。濾波后的信號(hào)輸入壓控轉(zhuǎn)換模塊，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為適宜輸入人體的電流信號(hào)，通過(guò)ADG5409選通芯片選通電極輸出，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)碳納米電極輸入人體；在電極選通的另一端，使用碳納米電極采集經(jīng)過(guò)人體的電流信號(hào)，通過(guò)AD637將采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行有效幅值檢測(cè)，將檢測(cè)得到的幅值輸入RT1052芯片ADC模塊。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1" 電源電路設(shè)計(jì)

生理參數(shù)信號(hào)是一種微弱的生物電信號(hào)，噪聲和干擾對(duì)其影響很大，因此，設(shè)計(jì)電源要純凈，不能讓傳感器以及放大電路受到來(lái)自電源的干擾。整個(gè)系統(tǒng)供電電壓為±5 V，設(shè)計(jì)時(shí)放大器反向輸入為0.95～1 V可調(diào)的基準(zhǔn)電壓，通過(guò)R2和R3分壓進(jìn)行大小調(diào)節(jié)，放大器正向輸入端和電池正向5 V連接，當(dāng)開(kāi)關(guān)接通時(shí)可為系統(tǒng)進(jìn)行供電。當(dāng)給定電池電壓大于5 V時(shí)，電壓大于所需基準(zhǔn)電壓，系統(tǒng)通過(guò)R4進(jìn)行放電，此時(shí)輸出的電流大小為60 mA左右，放大器輸出端為高電平輸出，可以將LED正向?qū)c(diǎn)亮；當(dāng)供電電壓小于1 V時(shí)，放大器輸出為低電平，此時(shí)發(fā)光二極管截止不能被點(diǎn)亮，并提醒對(duì)電池進(jìn)行更換。

放大器使用的集成運(yùn)放為L(zhǎng)M358電路，輸出電壓為5 V，再通過(guò)PTN04050A模塊電路提供-5 V電壓。通過(guò)以上設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以提供穩(wěn)定的[±5 V]電壓進(jìn)行供電，該電源電路具有自動(dòng)保護(hù)功能。整體電源模塊電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2" 多頻信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

生物阻抗測(cè)量法是通過(guò)碳納米材料做的電極向被測(cè)人體輸入一個(gè)電壓較低的正弦電流信號(hào)，通過(guò)碳納米電極材料的電壓變化，根據(jù)電路參數(shù)計(jì)算得到人體的電抗信息。因此，需要設(shè)計(jì)能產(chǎn)生波形失真小、幅度穩(wěn)定度高、頻率分辨率高的正弦波發(fā)生器。本文設(shè)計(jì)采用DDS芯片AD9959產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種頻率信號(hào)，該芯片可實(shí)現(xiàn)信號(hào)相位幅值任意可調(diào)，多路獨(dú)立輸出，設(shè)計(jì)較為靈活。AD9959電路設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

2.3" 壓控電壓電流轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的信號(hào)源為頻率電壓可調(diào)的電壓信號(hào)，此信號(hào)不能直接注入人體，因?yàn)槿梭w能注入的信號(hào)必須為電流信號(hào)。本文系統(tǒng)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槿梭w可以注入的電流信號(hào)是基于反饋設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)的，整個(gè)轉(zhuǎn)化電路如圖5所示。

2.4" 電壓有效值檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

為了得到輸出的有效值，系統(tǒng)采用一款可以檢測(cè)不同交流信號(hào)的有效值模塊AD637進(jìn)行電壓有效值的檢測(cè)。該芯片精度高，可以計(jì)算任意波形的平均值并對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行有效電壓輸出，可以對(duì)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行有效值檢測(cè)，但其測(cè)量動(dòng)態(tài)頻帶范圍大。AD637有效值檢測(cè)電路如圖6所示，其中R1為比例調(diào)節(jié)因子，可用來(lái)降低算式中分母輸入的電壓。AD637芯片無(wú)需外部微調(diào)條件即可達(dá)到很好的輸出效果。

3" 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括RT1052主控以及相關(guān)外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、數(shù)字頻率合成器頻率生成、ADG5409的選通控制、AD637幅度模塊的幅度采集以及信號(hào)的A/D采樣程序、數(shù)據(jù)的運(yùn)算及處理程序、串口數(shù)據(jù)協(xié)議等。

3.1" 信號(hào)采集軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件控制流程如圖7所示，主要包括：控制DDS產(chǎn)生不同頻率的正弦信號(hào)，讀取硬件采集到的數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)并顯示分析結(jié)果。

3.2" ADG5409電極選通開(kāi)關(guān)程序控制

選取RT1052三個(gè)GPIO作為ADG5409八選二復(fù)選開(kāi)關(guān)地址控制線，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，按照順序?qū)θ梭w等效模型五個(gè)分段模型進(jìn)行選通和電壓測(cè)量。ADG5409軟件控制流程如圖8所示。

4" 系統(tǒng)測(cè)試及分析

4.1" 輸出顯示分析

通過(guò)程序改變多頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出，分別輸出5 kHz、50 kHz、100 kHz、150 kHz不同的頻率，多頻率輸出波形如圖9所示。

從多頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出波形圖可知，多頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波形穩(wěn)定，失真較小，可以忽略。

將多頻函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)輸入壓控電流源，在電路負(fù)載270 Ω兩端得到輸出正弦波形圖，如圖10所示。通過(guò)驗(yàn)證，電路設(shè)計(jì)效果較為理想。

在AD637幅度檢測(cè)模塊輸入穩(wěn)定的正弦波信號(hào)，幅度檢測(cè)模塊輸出波形如圖11所示。通過(guò)驗(yàn)證，輸出穩(wěn)定，波形良好。

4.2" 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)分別輸入頻率為5 kHz、50 kHz、150 kHz進(jìn)行測(cè)試。從測(cè)試結(jié)果可以看出，系統(tǒng)輸入激勵(lì)信號(hào)源頻率增加，人體生物阻抗減小，結(jié)果符合Cole?Cole理論模型，可以證明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果與[Z=ω2C2mR4e+ω2C2mRiReRe+Ri21+ω2C2mRe+Ri2]（設(shè)計(jì)中Ri、Re、Cm為給定值）理論計(jì)算，可得到不同輸入頻率時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果，如表1所示。多頻生物阻抗的測(cè)量對(duì)人體成分分析的動(dòng)態(tài)變化具有現(xiàn)實(shí)意義。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，在健康狀態(tài)下人體在不同輸入激勵(lì)信號(hào)注入下生物阻抗保持恒定。

上述研究可以證明，在不同頻率信號(hào)注入下，人體阻抗不發(fā)生變化則說(shuō)明人體健康；若人體出現(xiàn)病變，人體各種成分參數(shù)會(huì)在不同頻率信號(hào)注入下阻抗發(fā)生重點(diǎn)變化。

通過(guò)檢查阻抗變化并分析人體成分參數(shù)變化，對(duì)人體健康狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)估。在評(píng)估分析人體健康狀況時(shí)，糖類(lèi)、無(wú)機(jī)鹽可按6%計(jì)算，現(xiàn)有文獻(xiàn)人體水分占非脂類(lèi)物質(zhì)的73.2%。

標(biāo)定的生物阻抗與人體體脂之間的關(guān)系BF=0.846WT-0.185V-2.361Sex-24.977，其中：BF單位為kg；Sex為性別；WT為體重；V為阻抗指數(shù)，計(jì)算公式為[V=SR]，且S=0.006 1HT+0.012 8WT-0.152 9，R為阻抗值，HT為身高。體脂率[μ=1-BFWT]。根據(jù)上述公式并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同頻率下人體各成分?jǐn)?shù)值結(jié)果如表2和表3所示。同時(shí)根據(jù)表2及表3數(shù)據(jù)繪制了分析圖，如圖12和圖13所示。

根據(jù)正常的人體水分、體脂、蛋白質(zhì)的比例，測(cè)得250 kHz激勵(lì)下人體水分、體脂、蛋白質(zhì)的值，如表4所示，其中V為阻抗指數(shù)， BMI為衡量人體胖瘦的標(biāo)準(zhǔn)，MEV為標(biāo)準(zhǔn)值，THV為實(shí)際值。

通過(guò)對(duì)表2～表4實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出信號(hào)頻率從5～250 kHz增加的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)的生物阻抗值在減小。這證明了該硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)和設(shè)計(jì)理論有較好的一致性，可以對(duì)人體成分進(jìn)行標(biāo)定。

5" 結(jié)" 論

本文提出一種基于Cole?Cole理論的四電極生物電阻抗法人體成分測(cè)量系統(tǒng)?？刂破鞑捎肦T1052，根據(jù)生物阻抗原理，設(shè)計(jì)了可穿戴人體成分分析儀的系統(tǒng)架構(gòu)；其次，進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)測(cè)試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以對(duì)人體脂肪、蛋白質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行有效測(cè)量。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，測(cè)量精度高，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳剛，閆航，張亞兵，等.基于Node.js的BLE可穿戴醫(yī)療設(shè)備管理中間件研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2019，36（6）：14?20.

[2] YONG Jin. Low?cost and active control of radiation of wearable medical health device for wireless body area network [J]. Springer US， 2019， 43（5）： 1?11.

[3] LILIYA Daim， TUGRUL Hogaboam. Technology adoption potential of medical devices： the case of wearable sensor products for pervasive care in neurosurgery and orthopedics [J]. Health policy and technology， 2018， 7（4）： 102.

[4] 周陶，劉玉蘭，丁小容.可穿戴醫(yī)療設(shè)備用于生命體征測(cè)量的效果探討[J].護(hù)理學(xué)雜志，2018，33（21）：39?42.

[5] 佚名.可穿戴醫(yī)療設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)[J].科技導(dǎo)報(bào)，2017，35（2）：97.

[6] 張彩霞，王向東.可穿戴醫(yī)療設(shè)備的安全方法研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2016，43（z1）：365?369.

[7] 劉銳崗，史學(xué)濤，付峰，等.多頻電阻抗掃描的Cole?Cole模型分析[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2006，19（6）：438?441.

[8] 樂(lè)珺，姚恩濤，張明偉，等.基于AD637的直流電源紋波真有效值測(cè)量電路設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2014，38（10）：1926?1929.

[9] 谷飛，鮑昌昊，黃蓉萍，等.碳納米材料在修飾電極領(lǐng)域的應(yīng)用[J].化學(xué)研究，2017，28（2）：263?268.

[10] LIU Renhe， WONGKITTISUKSA Booncharoen. The study of arm joint angle movement using onechannel and multi?frequency bio?impedance measurement [J]. International electrical engineering congress， 2017， 36（4）： 332?335.

[11] KIM T， HAN G， HAN M. Bio?impedance analysis for high?speed and wide?band application by using pulse stimulation [J]. Midwest symposium on circuits and systems， 2017， 3（5）： 1621?1623.

[12] CHUNG W Y， SILVERIO A A， TSAI V F S， et al. Design of a multi?frequency bio?impedance spectroscopy system analog front?end and digital back?end with on?chip implementation [C]// 2015 International Symposium on Bioelectronics and Bioinformatics. [S.l.]： IEEE， 2015： 103?106.

[13] 王欣陽(yáng)，魏云冰，徐浩.基于FFT和三次Hermite插值的人體觸電判據(jù)初探[J].電氣工程學(xué)報(bào)，2023，18（1）：133?142.