人體成分測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

人體的組成成份及變化情況是評(píng)價(jià)人們營(yíng)養(yǎng)狀況和健康水平的重要因素。人體成分的分析越來(lái)越受到生理學(xué)家、營(yíng)養(yǎng)學(xué)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(guó)也不例外。特別是人體體內(nèi)的脂肪含量的分析，對(duì)于評(píng)價(jià)人的營(yíng)養(yǎng)狀況、體質(zhì)研究、臨床疾病治療具有重要的意義。對(duì)人體成分的測(cè)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(shè)備，且儀器設(shè)備大多價(jià)格昂貴。針對(duì)這種情況，本文根據(jù)生物組織電阻抗特性，應(yīng)用生物電阻抗技術(shù)設(shè)計(jì)制作了安全、無(wú)損傷、價(jià)廉的人體成分測(cè)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(lái)提取與人體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)。其基本測(cè)量方式是通過(guò)體表電極向檢測(cè)對(duì)象施加安全的激勵(lì)電流，并使用體表電極檢測(cè)相應(yīng)的電壓變化，獲取相關(guān)信息。

檢測(cè)原理

人體阻抗特性

人體的基本構(gòu)造是細(xì)胞，每個(gè)細(xì)胞有一層細(xì)胞膜，細(xì)胞膜內(nèi)包裹著細(xì)胞內(nèi)液，在細(xì)胞間充盈著細(xì)胞外液。細(xì)胞膜由雙層磷脂分子和蛋白質(zhì)組成，細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液都相當(dāng)于電解質(zhì)溶液，因此細(xì)胞膜的導(dǎo)電性遠(yuǎn)小于細(xì)胞內(nèi)外液，近似為絕緣體。當(dāng)直流或低頻電流施加于生物組織時(shí)，由于細(xì)胞膜的存在，電流將以任意一種可能的方式繞過(guò)細(xì)胞，主要流經(jīng)細(xì)胞外液;當(dāng)施加高頻電流時(shí)，電流穿過(guò)細(xì)胞膜，流經(jīng)細(xì)胞內(nèi)液。

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電流頻率小于50kHz時(shí)，電流主要流過(guò)細(xì)胞外液體;當(dāng)電流頻率在200kHz以上時(shí)，電流可穿過(guò)細(xì)胞膜。

電流流過(guò)生物組織時(shí)細(xì)胞膜等效于電容，而細(xì)胞內(nèi)外液等效于電阻。對(duì)于整個(gè)生物組組織，可視為無(wú)數(shù)的細(xì)胞的集合，在低頻電流流過(guò)時(shí)，由于細(xì)胞膜的容抗作用，等效于無(wú)數(shù)的電容并聯(lián)對(duì)電流具有容抗作用，等效于一個(gè)總電容，根據(jù)cole-cole模型，當(dāng)高頻的電流施加于生物組織時(shí)，由于細(xì)胞內(nèi)外液的電阻抗遠(yuǎn)大于細(xì)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(xì)胞內(nèi)液、外液電阻，C為細(xì)胞膜電容。

生物電阻抗測(cè)量原理及與人體成分含量的關(guān)系

● 人體環(huán)段假設(shè)

當(dāng)電信號(hào)導(dǎo)入人體時(shí)，電流主要流過(guò)導(dǎo)電性好的肌肉等含水的組織，而脂肪和骨骼基本沒(méi)有電流通過(guò)。頭顱和手足中含脂肪和肌肉很少，對(duì)其體成分的分析沒(méi)有什么意義，只取人體的四肢和軀干進(jìn)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(duì)人體進(jìn)行分段。對(duì)于肢體或軀干，導(dǎo)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(gè)環(huán)段都為圓柱體，如圖2所示。圖中將人體分為5個(gè)環(huán)段，包括左右手、左右腿及軀干。

● 生物電阻抗測(cè)量原理

生物電阻抗測(cè)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(xué)檢測(cè)技術(shù)。

測(cè)量生物電阻抗時(shí)，采用三個(gè)頻率的電流信號(hào)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(biāo)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(shè)人體環(huán)段電阻為R，由歐姆定律知它是測(cè)量電極兩端的電壓與輸入電流的商，即：

當(dāng)安全電流通過(guò)1和5電極輸入時(shí)，將測(cè)量電極分別置于2和4、2和8、6和8處，測(cè)量?jī)啥说碾妷海瑥亩謩e計(jì)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(cè)量電極置于4和2、8和6處，分別測(cè)出兩端的電壓，分別計(jì)算出右手、右腿的電阻抗。

對(duì)于人體各個(gè)環(huán)段，假設(shè)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(zhǎng)度，A為環(huán)段橫截面積;將式(2)的分子分母同時(shí)乘得到L/L：

即得被測(cè)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(dǎo)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(dāng)高頻電流流過(guò)人體時(shí)，導(dǎo)電體近似認(rèn)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(dāng)?shù)皖l電流輸入人體時(shí)，由生物組織電阻抗特性(如圖1所示)可知，導(dǎo)電體是細(xì)胞外液，細(xì)胞等效于電容，由于細(xì)胞的容抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于細(xì)胞外液的阻抗，因此由公式(4)可以計(jì)算出細(xì)胞外液的體積，進(jìn)而得到細(xì)胞外液的含量。

根據(jù)人體總水由細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液組成可知，細(xì)胞內(nèi)液的含量是細(xì)胞總水與細(xì)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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4所示為人體成分測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，通過(guò)置于手和足的電極向人體外加激勵(lì)電流，提取對(duì)側(cè)電極間的電壓信息。測(cè)量系統(tǒng)由單片機(jī)、正弦信號(hào)發(fā)生器、恒流源電路、液晶顯示器、存儲(chǔ)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(shí)，首先對(duì)單片機(jī)編程，經(jīng)過(guò)光電耦合器件控制正弦信號(hào)發(fā)生器發(fā)出多個(gè)頻率(10kHz、50kHz、200kHz)的正弦電壓信號(hào)，再由恒流源電路(電壓控制電流源)將信號(hào)發(fā)生器的正弦波電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)電流電極輸入到人體;電壓電極采集電壓信號(hào)，由于電壓信號(hào)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(jī)完成相應(yīng)的處理。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的作用是：控制電極通道的選擇，產(chǎn)生控制信號(hào)送正弦信號(hào)發(fā)生器，對(duì)采集的電壓信號(hào)與輸入的電流源信號(hào)完成相應(yīng)運(yùn)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(jì)算出人體成分含量的各個(gè)參數(shù)。

本裝置為在體測(cè)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(jìn)行電氣隔離。另外，激勵(lì)電極施加于人體上的激勵(lì)電流的幅值也控制在100mA，遠(yuǎn)低于人體對(duì)電流的最小感覺(jué)闋值，從而保證了受試者的安全。

電極選擇開(kāi)關(guān)電路用來(lái)選通8個(gè)電極中的4個(gè)電極，從而測(cè)量人體各個(gè)環(huán)段阻抗。本裝置設(shè)計(jì)了一種多路選擇開(kāi)關(guān)來(lái)控制相應(yīng)的電極，如圖5所示。圖中電極的標(biāo)號(hào)與圖3電極標(biāo)記對(duì)應(yīng)，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(kāi)關(guān)，由單片機(jī)控制其選擇的通道。

根據(jù)人體的5環(huán)段模型，測(cè)量每個(gè)環(huán)段的電阻抗，通道開(kāi)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(lì)下產(chǎn)生的壓降也很小，因此在模數(shù)轉(zhuǎn)換前需對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。為滿足信號(hào)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(jī)處理后得到的人體成分含量，所以要用到顯示設(shè)備。在設(shè)計(jì)中，選用分辨率為320×240的SYM320240B點(diǎn)陣式液晶顯示器。液晶顯示器通過(guò)液晶顯示控制器SED1335與單片機(jī)直接相連，接受單片機(jī)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(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。單片機(jī)內(nèi)部只有256B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，不足以存儲(chǔ)本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)還添加了外部存儲(chǔ)模塊，采用64kB的靜態(tài)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器(SRAM6264)。

系統(tǒng)軟件流程

本測(cè)量裝置的功能是在不同的頻率點(diǎn)測(cè)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(jì)算出受試者體脂、總水、細(xì)胞內(nèi)外液的含量，最后顯示計(jì)算結(jié)果。本裝置的系統(tǒng)軟件程序用C語(yǔ)言與匯編共同編寫(xiě)，采用模塊化結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，便于以后進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)軟件由主程序、正弦信號(hào)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(duì)人體阻抗特性進(jìn)行了詳細(xì)介紹，根據(jù)人體環(huán)段模型，采用8個(gè)電極測(cè)量人體的分段阻抗，通過(guò)相應(yīng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)人體成分含量測(cè)量。該裝置主要測(cè)量人體體脂含量，從而評(píng)估人體營(yíng)養(yǎng)狀況，可作為診斷肥胖癥的依據(jù)。它具有便攜、無(wú)創(chuàng)傷、低成本、測(cè)量簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)人體成分分析儀器的發(fā)展方向。

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