人体成分测量装置的设计

2009年09月18日 08:09    贾延安
关键词: 人体 , 设计 , 装置
作者:赵深林 牟东兰 重庆邮电大学生物医学工程研究中心   时间:2009-09-08  来源:电子产品世界  

  人体的组成成份及变化情况是评价人们营养状况和健康水平的重要因素。人体成分的分析越来越受到生理学家、营养学家及医生的重视。肥胖已成为在全球范围患病人数迅速增加的一种流行性疾病,我国也不例外。特别是人体体内的脂肪含量的分析,对于评价人的营养状况、体质研究、临床疾病治疗具有重要的意义。对人体成分的测定方法有很多,如水下称重法、核磁共振法、同位素稀释法等,这些方法都需要特殊的仪器和设备,且仪器设备大多价格昂贵。针对这种情况,本文根据生物组织电阻抗特性,应用生物电阻抗技术设计制作了安全、无损伤、价廉的人体成分测量装置。生物电阻抗技术是利用生物组织与器官的电特性来提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的无创检测技术。其基本测量方式是通过体表电极向检测对象施加安全的激励电流,并使用体表电极检测相应的电压变化,获取相关信息。

  检测原理

  人体阻抗特性

  人体的基本构造是细胞,每个细胞有一层细胞膜,细胞膜内包裹着细胞内液,在细胞间充盈着细胞外液。细胞膜由双层磷脂分子和蛋白质组成,细胞内液和细胞外液都相当于电解质溶液,因此细胞膜的导电性远小于细胞内外液,近似为绝缘体。当直流或低频电流施加于生物组织时,由于细胞膜的存在,电流将以任意一种可能的方式绕过细胞,主要流经细胞外液;当施加高频电流时,电流穿过细胞膜,流经细胞内液。

  实验表明,当电流频率小于50kHz时,电流主要流过细胞外液体;当电流频率在200kHz以上时,电流可穿过细胞膜。

  电流流过生物组织时细胞膜等效于电容,而细胞内外液等效于电阻。对于整个生物组组织,可视为无数的细胞的集合,在低频电流流过时,由于细胞膜的容抗作用,等效于无数的电容并联对电流具有容抗作用,等效于一个总电容,根据cole-cole模型,当高频的电流施加于生物组织时,由于细胞内外液的电阻抗远大于细胞膜电容抗,可忽略容抗作用,只考虑电阻抗。其等效电路模型如图1所示,图中Ri、Rm分别是细胞内液、外液电阻,C为细胞膜电容。

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  生物电阻抗测量原理及与人体成分含量的关系

  ● 人体环段假设

  当电信号导入人体时,电流主要流过导电性好的肌肉等含水的组织,而脂肪和骨骼基本没有电流通过。头颅和手足中含脂肪和肌肉很少,对其体成分的分析没有什么意义,只取人体的四肢和躯干进行分析。然而肌肉等含水的组织在人体四肢和躯干中的含量不同,如大腿的肌肉多于手臂的肌肉,因此必须对人体进行分段。对于肢体或躯干,导电组织的分布也是不均匀的,可以将其理想化为电阻率均匀的圆柱体。综上所述,可以将人体分为5环段,每个环段都为圆柱体,如图2所示。图中将人体分为5个环段,包括左右手、左右腿及躯干。

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  ● 生物电阻抗测量原理

  生物电阻抗测量是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理状况相关的信息的生物医学检测技术。

  测量生物电阻抗时,采用三个频率的电流信号输入,即10kHz、50kHz、100kHz。采用8电极,其电极的位置如图3所示,图中用数字1至8分别标记电极的位置。其中 1、3电极置于掌心,2、4电极置于掌根,5、7电极置于足心,6、8电极置于足跟;1、3、5、7为电流极、2、4、6、8为电压极。假设人体环段电阻为R,由欧姆定律知它是测量电极两端的电压与输入电流的商,即:

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  当安全电流通过1和5电极输入时,将测量电极分别置于2和4、2和8、6和8处,测量两端的电压,从而分别计算出人体左手、躯干、左腿的电阻抗;然后将安全电流由电极3和7输入,测量电极置于4和2、8和6处,分别测出两端的电压,分别计算出右手、右腿的电阻抗。

  对于人体各个环段,假设电阻率均匀则:

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  式中r为人体环段的电阻率,L为环段长度,A为环段横截面积;将式(2)的分子分母同时乘得到L/L:

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  即得被测环段体积Vm为:

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  ● 生物电阻抗与人体成分含量的关系

  在人体瘦组织中含有大量的水和导电的电介质,其电阻较小,而脂肪组织含电介质较少,其电阻值较高。当高频电流流过人体时,导电体近似认为只有肌肉组织,而脂肪组织被视为绝缘体。在理论上组织的电阻抗反映人体总体水的体积含量,由体积与密度的乘积可得人体总水的含量。当低频电流输入人体时,由生物组织电阻抗特性(如图1所示)可知,导电体是细胞外液,细胞等效于电容,由于细胞的容抗远远小于细胞外液的阻抗,因此由公式(4)可以计算出细胞外液的体积,进而得到细胞外液的含量。

  根据人体总水由细胞内液和细胞外液组成可知,细胞内液的含量是细胞总水与细胞外液的差值。人体总水含量就近似等于人体肌肉含量,用人体总质量减去总水含量就等于人体的体脂含量。

  测量系统设计

  图4所示为人体成分测量系统的系统框图,通过置于手和足的电极向人体外加激励电流,提取对侧电极间的电压信息。测量系统由单片机、正弦信号发生器、恒流源电路、液晶显示器、存储器、光电隔离器件、差分放大电路、外置12位模数转换器(A/D)组成。

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  系统工作时,首先对单片机编程,经过光电耦合器件控制正弦信号发生器发出多个频率(10kHz、50kHz、200kHz)的正弦电压信号,再由恒流源电路(电压控制电流源)将信号发生器的正弦波电压信号转换为电流信号,经过电流电极输入到人体;电压电极采集电压信号,由于电压信号幅值很小,经差分放大后送入模数转换器(A/D),再输入单片机完成相应的处理。

  系统硬件设计

  在设计中,单片机的作用是:控制电极通道的选择,产生控制信号送正弦信号发生器,对采集的电压信号与输入的电流源信号完成相应运算求出生物电阻抗,再根据生物电阻抗与人体成分含量的关系计算出人体成分含量的各个参数。

  本装置为在体测量装置,考虑到受试者的安全,与受试者相连的电路部分和电网电压之间用光电耦合管进行电气隔离。另外,激励电极施加于人体上的激励电流的幅值也控制在100mA,远低于人体对电流的最小感觉阕值,从而保证了受试者的安全。

  电极选择开关电路用来选通8个电极中的4个电极,从而测量人体各个环段阻抗。本装置设计了一种多路选择开关来控制相应的电极,如图5所示。图中电极的标号与图3电极标记对应,1、3、5、7电极为电流电极,2、4、6、8电极为电压电极, K1、K2、K3、K4均为选择开关,由单片机控制其选择的通道。

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  根据人体的5环段模型,测量每个环段的电阻抗,通道开关的选通表如表1所示。生物电阻抗一般都很小,在微弱的电流的激励下产生的压降也很小,因此在模数转换前需对信号进行放大。为满足信号采集的要求,采用12位、逐次比较型模数转换器件AD1674,其转换速度最大为35ms,转换精度≤0.05%。

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  系统要求显示出单片机处理后得到的人体成分含量,所以要用到显示设备。在设计中,选用分辨率为320×240的SYM320240B点阵式液晶显示器。液晶显示器通过液晶显示控制器SED1335与单片机直接相连,接受单片机的指令,完成显示功能。

  为了便于数据的记录,本装置还设计了数据存储模块。单片机内部只有256B的数据存储空间,不足以存储本设计的数据,因此系统还添加了外部存储模块,采用64kB的静态读写存储器(SRAM6264)。

  系统软件流程

  本测量装置的功能是在不同的频率点测量人体的阻抗值,然后根据人体的阻抗值与人体的成分含量的关系,计算出受试者体脂、总水、细胞内外液的含量,最后显示计算结果。本装置的系统软件程序用C语言与汇编共同编写,采用模块化结构,使系统结构清晰,便于以后进一步扩展系统的功能。系统软件由主程序、正弦信号发生程序、 A/D转换控制程序、显示程序、数据处理程序等构成。软件流程图如图6所示。

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  结论

  本文对人体阻抗特性进行了详细介绍,根据人体环段模型,采用8个电极测量人体的分段阻抗,通过相应的软硬件实现人体成分含量测量。该装置主要测量人体体脂含量,从而评估人体营养状况,可作为诊断肥胖症的依据。它具有便携、无创伤、低成本、测量简便等优点,是未来人体成分分析仪器的发展方向。

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