你的健康密碼，原來就藏在身體的『阻抗』里！

疫情影響下，消費(fèi)者對健康管理的需求也在提升。特別是與健康相關(guān)的可穿戴設(shè)備，必將成為下一個(gè)趨勢。擁有健康的身體，是抗擊疫情最好的武器。

隨時(shí)了解自己的身體狀況，是做好健康防護(hù)的第一步。身體狀況的檢測有很多方法，今天我們就來討論一下人體阻抗測試的原理、應(yīng)用和方案，一起學(xué)習(xí)如何通過人體阻抗測試來“破譯”身體健康的“密碼”。

 人體阻抗測試結(jié)果往往能夠反映了一個(gè)人的健康狀況。

?皮膚表面的阻抗反映了人的精神狀態(tài)

在精神狀態(tài)改變期間或當(dāng)人們變得緊張時(shí)，人體的交感神經(jīng)系統(tǒng)激活皮膚中的汗腺。這種效應(yīng)會(huì)增加皮膚導(dǎo)電性，從而使阻抗下降。因此，可以通過觀察皮膚電活動(dòng) (EDA) 或皮膚電反應(yīng) (GSR)的相對測量，來監(jiān)測壓力或心理健康。

?生物阻抗測量反映了人的健康狀態(tài)

下圖把人體簡化對應(yīng)的電氣模型：

圖1：人體構(gòu)成與電氣模型 

從電學(xué)的角度來看，細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的電解質(zhì)溶液表現(xiàn)為良導(dǎo)體，而脂肪和骨組織則是不良導(dǎo)體。人體不同組織，對應(yīng)不同的導(dǎo)電特性。對于生物阻抗測量，人體分為五個(gè)部分：兩個(gè)上肢、兩個(gè)下肢和軀干。最常見的是手對腳、腳對腳、手對手。通過測量阻抗可以確定人體的組成成分，例如總體脂百分比或人體含水量。

?生物阻抗矢量分析（BIVA），反映身體的結(jié)構(gòu)信息

生物阻抗是一個(gè)復(fù)量，由電阻值R（實(shí)部）和反應(yīng)值Xc（虛部）組成，相位角在決定物體的組成方面起著基礎(chǔ)性的作用。

圖2：生物阻抗矢量分析（BIVA）

上圖X軸是根據(jù)身高折算后的電阻R，Y軸坐標(biāo)是根據(jù)身高折算過的Xc。

其中50%的橢圓反映了平均人群身體結(jié)構(gòu)。沿著橢圓的X軸Y軸移動(dòng)，反映了身體成分與平均人群的差異。

?皮膚電活動(dòng) (EDA) 或皮膚電反應(yīng) (GSR)的相對測量

在皮膚上施加激勵(lì)信號(hào)，并測量阻抗兩端的電壓。然后測量通過皮膚的電流，既可求出對應(yīng)電阻與電阻的變化。相對阻抗（或阻抗的變化值）可以直接采用2線測量法來測量。

下圖為AD594x測試電路，顯示了2線測量法的原理。 

圖3：EDA或GSR的測量原理

?小貼士：人體不同成分對應(yīng)不同測試頻率

對于皮膚表面的阻抗測量，建議使用低頻激勵(lì)（而非直流電壓）進(jìn)行測量，以防止電極極化并消除對人體組織的傷害。通常，最大激勵(lì)信號(hào)頻率可達(dá)200 Hz，因?yàn)檩^高的頻率可穿透進(jìn)入人體，而不會(huì)僅測量皮膚表面。將電極在人體上的某些位置，電導(dǎo)率會(huì)隨著人的情緒或精神狀態(tài)變化而變化。

阻抗變化與精神壓力之間的關(guān)系并沒有直接公式，因此該測量通常與心率和/或心率變異性等其他測量并行進(jìn)行。需要開發(fā)一種算法來將各種測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為心理壓力水平。

最常見的4線生物阻抗分析（BIA）應(yīng)用之一是人體成分測量，以測量瘦體重。此外，這種設(shè)置也可用于監(jiān)測人體內(nèi)的含水量或通過生物阻抗譜測量心臟行為。此外，這種設(shè)置也可用于監(jiān)測人體內(nèi)的含水量或通過生物阻抗譜測量心臟行為。其測量原理都是一樣的，但是我們可以通過改變交流激勵(lì)頻率和電極在人體的位置來實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用。

下圖為AD594x測試電路，顯示了4線測量法的原理。此設(shè)置中的未知量Z代表人體。對人體施加交流激勵(lì)電壓，在此之上疊加一合適的共模電壓并用電壓表測量，利用高速跨阻放大器測量響應(yīng)電流。最終阻抗可通過下式計(jì)算：Z = VCOMMON/I。

圖4：用于人體阻抗分析的4線測量

在上圖3的功能框圖中，可以看到阻抗通過電阻和電容與測量前端隔離。電阻限制了可流過人體的最大電流。CISO確保在電極與地或其他電極之間不會(huì)產(chǎn)生直流信號(hào)。這是滿足醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn) （如IEC 60601）的要求之一。

從硬件和軟件的角度來看，使用AD5940進(jìn)行開發(fā)非常方便。

由于它完全集成了所需的硬件子系統(tǒng)，AD5940使開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)，如4線BIA測量回路，只需很少的外部組件。開發(fā)人員可以使用AD5940兩個(gè)模擬輸入（AIN）端口，即（如下圖AIN2和AIN3），來配置低帶寬環(huán)路，從而處理所需的低頻測量。同時(shí)，可以使用設(shè)備的CE0和AIN1端口來實(shí)現(xiàn)BIA應(yīng)用所需的高頻激勵(lì)和測量。

圖 5 Analog Devices AD5940參考電路

?硬件支持

一套開發(fā)板可以減少很多硬件接口設(shè)計(jì)，從而快速開發(fā)產(chǎn)品。把Analog Devices EVAL-ADICUP3029與Arduino UNO一起使用，搭建一個(gè)基于 ADUCM3029 的開發(fā)平臺(tái)。再附上一個(gè) AD5940 擴(kuò)展板bio-electric shield, 開發(fā)者能迅速使用 AD5940來開發(fā)生物測量如BIA。另外，開發(fā)者能附加其他擴(kuò)展板e(cuò)lectrochemical shield 以及加一些擴(kuò)展氣體傳感器gas sensors來實(shí)現(xiàn)某種特定有毒氣體分析。

?軟件支持

開發(fā)者可獲得開源C語言 AD5490 firmware library。

生物電阻分析法本身不是在數(shù)學(xué)物理定義上嚴(yán)格推導(dǎo)出來的，而是由大量數(shù)據(jù)依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律發(fā)展而來的。在人體阻抗測試測試中，需要考慮多種因素，包括人體測量參數(shù)，即身高、體重、皮膚厚度和體型。其他因素包括性別、年齡、種族，尤其是患者的健康狀況，即任何營養(yǎng)不良或脫水。如果不考慮這些因素，試驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)失真。測量的解釋是基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和考慮到這些不同因素的方程。

最后，祝大家有個(gè)健康的身體，平安開心度過這次肺炎疫情。  

更多有關(guān)測量的技術(shù)資料，請參閱digikey.cn官網(wǎng)內(nèi)文章：

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