生物電阻抗分析在疾病臨床狀態(tài)監(jiān)測與診斷中的應(yīng)用

生物組織的電學(xué)性質(zhì)根據(jù)電源分為主動或被動。我們談?wù)摦?dāng)生物組織由于細(xì)胞內(nèi)的離子而發(fā)電時的主動反應(yīng)。這些電信號被稱為生物電勢，最著名的例子可以在心電圖和腦電圖中找到。當(dāng)生物組織對外部電刺激（如電流或電壓發(fā)生器）做出反應(yīng)時，反應(yīng)是被動的。在這種情況下，我們正在處理生物阻礙。

生物電阻抗分析

生物電阻抗分析是一種低成本，無創(chuàng)的技術(shù)，用于測量人體的組成和評估臨床狀況。生物阻抗是由電阻值R（實部）和反應(yīng)值Xc（虛部）組成的復(fù)量，主要是由于細(xì)胞膜產(chǎn)生的電容。阻抗也可以表示為矢量，模塊|Z |和相位角φ。相位角在決定身體的組成中起著至關(guān)重要的作用。

橫截面積S和長度l的導(dǎo)體的電阻R和表面積為D的扁平平行板電容器的電容C由以下等式給出：

從公式4和公式5可以看出，電阻和電容取決于幾何參數(shù)（長度，距離和表面積），這意味著它們與所采用的測量系統(tǒng)和物理參數(shù)相關(guān)聯(lián)。即電阻率ρ和介電常數(shù)ε，它們與要測量的材料類型（在本例中為生物組織）密切相關(guān)。圖1顯示了生物阻抗和用于測量它的儀器的簡化電氣模型。RE考慮了細(xì)胞外液的阻力，RI象征著細(xì)胞內(nèi)液的阻力，Cm是細(xì)胞膜的電容。儀器與人體之間的連接是通過施加在皮膚上的電極進(jìn)行的。該儀器為電極提供激勵電壓并測量產(chǎn)生的電流。激勵信號通過連接到下游驅(qū)動器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）產(chǎn)生;DAC由微控制器編程，以啟用信號幅度和頻率的設(shè)置。對于電流測量，使用跨阻放大器（TIA），連接到高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）以進(jìn)行精確測量。采集的數(shù)據(jù)由系統(tǒng)微控制器處理，該系統(tǒng)微控制器提取分析所需的信息。

圖 1.生物阻抗測量系統(tǒng)的框圖。

對于生物阻抗測量，人體分為五個部分：兩個上肢，兩個下肢和軀干。這種區(qū)別對于理解所使用的測量方法非常重要。最常見的是手對腳，腳對腳和手對手。

在生物電阻抗分析（BIA）測試期間需要考慮多個因素，包括人體測量參數(shù);即身高，體重，皮膚厚度和身材。其他因素包括性別，年齡，種族群體，以及 - 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，測試結(jié)果可能會失真。測量的解釋基于考慮這些不同因素的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和方程式。

人體的組成

在研究身體成分時，我們參考三隔間模型，其中包括以下內(nèi)容：

脂肪量

細(xì)胞質(zhì)量

細(xì)胞外腫塊

圖2從兩室模型的瘦體重（無脂肪質(zhì)量）和脂肪質(zhì)量的眾所周知的術(shù)語開始說明了這些概念。脂肪量有兩個組成部分，必需脂肪和儲存脂肪。瘦體重分為由蛋白質(zhì)質(zhì)量和細(xì)胞內(nèi)水組成的體細(xì)胞質(zhì)量，以及細(xì)胞外質(zhì)量，后者又包括細(xì)胞外水和骨量。最后一個參數(shù)是確定水合作用程度的基礎(chǔ)，是由細(xì)胞內(nèi)水和細(xì)胞外水的總和給出的身體總水。

從電學(xué)的角度來看，細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外電解溶液的行為就像良好的導(dǎo)體，而脂肪和骨組織是不良的導(dǎo)體。

圖 2.人體的組成。

生物阻抗測量技術(shù)

用于測量生物阻抗的最廣泛技術(shù)在激勵信號頻率的使用上有所不同。最簡單的儀器基于固定頻率的測量（單頻生物電阻抗分析或SF-BIA），一些采用具有多個頻率的系統(tǒng)（多頻生物電阻抗分析或MF-BIA），最復(fù)雜的儀器在一系列頻率（生物阻抗譜或BIS）上執(zhí)行真實光譜。還有不同的技術(shù)用于評估結(jié)果，其中生物電阻抗矢量分析和實時分析是最重要的。

在SF-BIA儀器中，注入人體的電流頻率為50 kHz;該操作基于測量的阻抗與全身水（TBW）之間的反比關(guān)系 - 阻抗的導(dǎo)電部分 - 依次由細(xì)胞內(nèi)水（ICW）和細(xì)胞外水（ECW）組成。該技術(shù)在正常水合條件下的受試者中提供了良好的結(jié)果，而在水合作用強烈改變的受試者中，它失去了有效性，尤其是由于評估ICW變化的能力有限。

MF-BIA 技術(shù)通過在低頻和高頻下執(zhí)行測量，克服了 SF-BIA 的局限性。低頻測量可以更準(zhǔn)確地估計ECW，而在高頻下，可以獲得TBW的估計值。國際婦女理事會由兩個估計數(shù)之間的差額決定。然而，這種技術(shù)也不完美，并且在估計受疾病影響的老年人群的體液方面顯示出局限性。

最后，BIS基于零頻率下的阻抗測量，根據(jù)圖1的模型，這是由于細(xì)胞外流體引起的電阻RE，并且在無限頻率下，這是RE與RI的平行。在這兩個極端頻率下，由于細(xì)胞膜引起的電容表現(xiàn)得像開路或短路。中頻測量提供與電容值相關(guān)的信息。BIS提供了比其他技術(shù)更詳細(xì)的信息，但是在這種情況下，測量需要更長的時間。

生物阻抗矢量分析（生物電阻抗矢量分析，或BIVA）是一種基于生物阻抗絕對測量的人類健康評估技術(shù)。它使用一個圖表來顯示阻抗的矢量表示，其中電阻值顯示在橫坐標(biāo)上，電容電抗值顯示在縱坐標(biāo)上，這兩個值都相對于患者的身高進(jìn)行了歸一化。該方法基于三個公差橢圓的公式：50%、75% 和 95%。50% 的公差橢圓定義了具有平均身體成分的人口。沿著橢圓的水平軸移動，在右側(cè)識別瘦體重百分比較低的個體，反之亦然;也就是說，那些瘦體重百分比高的人在左邊被識別出來。沿垂直軸移動可識別水合水平，橢圓頂部低于標(biāo)準(zhǔn)水平，下部高于標(biāo)準(zhǔn)水平。

圖 3.生物電阻抗矢量 - 分析公差橢圓。

觀察人體成分的波動 - 例如，與瘦體重，脂肪量和全身水的正常值的偏差 - 是確定患者健康狀況的關(guān)鍵因素。瘦體重的顯著損失和體液的不平衡是用于診斷疾病的主要參數(shù)。今天，生物電阻抗分析被用作診斷人體以下系統(tǒng)疾病的輔助手段：

肺系統(tǒng)

肺癌

肺水腫

心血管系統(tǒng)

術(shù)后積液

循環(huán)系統(tǒng)

血管內(nèi)容量

低鈉血癥

水合

腎臟系統(tǒng)

血液透析

干重評估

神經(jīng)系統(tǒng)

阿爾茨海默病

神經(jīng)性厭食

肌肉系統(tǒng)

訓(xùn)練期間身體成分的演變

免疫系統(tǒng)

艾滋病毒感染患者的評估

癌癥患者的評估

登革熱

AD5940，一款靈活的高精度模擬前端

ADI公司擁有廣泛的阻抗分析產(chǎn)品組合，包括ADuCM35x等器件，這是一款專為阻抗譜設(shè)計的高度集成的片上系統(tǒng)（SoC）。AD5940推出的一款高精度、低功耗模擬前端，非常適合便攜式應(yīng)用。AD5940設(shè)計用于測量生物阻抗和皮膚電導(dǎo)率，由兩個激勵回路和一個通用測量通道組成。第一個激勵環(huán)路能夠產(chǎn)生最大頻率為200 Hz的信號，并且可以配置為恒電位儀，用于測量不同類型的電化學(xué)電池?；窘M件包括雙路輸出DAC、提供激勵信號的精密放大器和用于電流測量的跨阻放大器。該環(huán)路在低頻下工作，功耗低，因此也稱為低功耗環(huán)路。第二個環(huán)路具有類似的配置，但能夠處理高達(dá)200 kHz的信號;因此，它被稱為高速環(huán)路。該器件配備一個帶有 16 位、800 kSPS SAR 型 ADC 的采集通道和轉(zhuǎn)換器上游的模擬信號處理鏈，該鏈包括一個緩沖器、一個可編程增益放大器 （PGA） 和一個可編程抗混疊濾波器。為了完善該架構(gòu)，有一個開關(guān)矩陣多路復(fù)用器，允許來自多個內(nèi)部或外部源的多個信號連接到器件，以連接到ADC。通過這種方式，除了初級阻抗測量功能外，還可以執(zhí)行精確的系統(tǒng)診斷，以驗證儀器的全部功能。

圖4顯示了AD5940的連接，用于人體的絕對阻抗測量，采用四線配置。對于這種類型的測量，使用高頻環(huán)路;可編程交流電壓發(fā)生器提供激勵信號。第二個發(fā)生器提供共模電壓，這對于正確測量非常有用。人體阻抗產(chǎn)生的電流由跨阻放大器測量，并用16位ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)能夠測量高達(dá)200 kHz的頻率，并在50 kHz時提供100 dB的信噪比（SNR）。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被發(fā)送到硬件加速器，以提取感興趣的數(shù)量;即阻抗的實部和虛部。

作為醫(yī)療設(shè)備，生物阻抗分析儀必須符合IEC 60601標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了可施加到人體的電壓和電流的限制。因此，提供了電阻Rlimit來限制最大電流和四個耦合電容器CisoX，以防止直流分量施加到人體上。

圖 4.AD5940的四線連接，用于生物電阻抗分析。

結(jié)論

生物阻抗測量是一種多功能，快速，無創(chuàng)且低成本的工具，用于評估人體成分和診斷某些類型的疾病。由于使用了AD5940等器件，目前的技術(shù)可實現(xiàn)可由電池供電的緊湊、高性能、低功耗生物阻抗分析儀。AD5940具有集成、小尺寸和低功耗等特性，特別適合可穿戴應(yīng)用。

審核編輯：郭婷