生物電阻抗分析在疾病臨床監(jiān)測(cè)和診斷中的應(yīng)用

作者：ADI現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師?Cosimo Carriero

生物組織的電特性按照電信號(hào)來源可分為主動(dòng)和被動(dòng)兩類。如果生物組織的電流由細(xì)胞內(nèi)部的離子產(chǎn)生，我們稱之為主動(dòng)響應(yīng)。這些電信號(hào)稱為生物電位，最為人所熟知的例子就是心電圖和腦電圖信號(hào)。如果生物組織對(duì)外部電刺激（例如電流或電壓發(fā)生器）做出響應(yīng)，則該響應(yīng)為被動(dòng)的。在這種情況下，我們需要考慮生物電阻抗。

生物電阻抗分析

生物電阻抗分析是一種用來測(cè)量人體組成和評(píng)估臨床狀況的低成本、非侵入技術(shù)。生物阻抗是一個(gè)由電阻值R（實(shí)數(shù)部分）和電抗值Xc（虛數(shù)部分）組成的復(fù)數(shù)，前者主要由人體內(nèi)的水分總量所致，后者主要是由細(xì)胞膜產(chǎn)生的電容所致。該阻抗也可以用模為| Z |、相位角為φ的矢量來表示。相位角在確定人體組成方面起主要作用。

(1)

(2)

(3)

橫截面積為S、長(zhǎng)度為l的導(dǎo)體的電阻R，以及表面積為S、距離為d的平行板電容的容值C由以下公式給出：

(4)

(5)

從公式4和公式5中可以看出，電阻和電容取決于幾何參數(shù)（長(zhǎng)度、距離和表面積），這意味著它們與采用的測(cè)量系統(tǒng)和物理參數(shù)有關(guān)；也就是說，電阻率ρ和介電常數(shù)ε與待測(cè)材料的類型（在本示例中為生物組織）密切相關(guān)。圖1顯示了一個(gè)生物阻抗及其測(cè)量?jī)x器的電特性簡(jiǎn)化模型。RE考慮的是細(xì)胞外液的電阻，RI代表細(xì)胞內(nèi)液的電阻，Cm是細(xì)胞膜的電容。儀器與人體之間的連接通過置于皮膚上的電極實(shí)現(xiàn)。儀器向電極提供激勵(lì)電壓并測(cè)量產(chǎn)生的電流。激勵(lì)信號(hào)通過連接到后端驅(qū)動(dòng)器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生。通過微控制器對(duì)DAC進(jìn)行編程，從而可設(shè)置信號(hào)幅度和頻率。對(duì)于電流測(cè)量，則采用跨阻放大器(TIA)，將其連接到高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。使用系統(tǒng)微控制器處理采集到的數(shù)據(jù)，從中提取分析所需的信息。

圖1.生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)框圖。

在生物阻抗測(cè)量中，將人體分為五個(gè)部分：兩個(gè)上肢、兩個(gè)下肢和軀干。這樣區(qū)分對(duì)于理解所使用的測(cè)量方法很重要。最常見的是手到腳、腳到腳和手到手。

在生物電阻抗分析(BIA)測(cè)試過程中，需要考慮多個(gè)因素，包括人體測(cè)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、族群以及（尤其是）患者的健康狀況；即任何營(yíng)養(yǎng)不良或脫水。如果不考慮這些因素，測(cè)試結(jié)果可能會(huì)失真。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和考慮了上述各種因素的公式來解讀測(cè)量結(jié)果。

人體組成

在研究人體組成時(shí)，我們引用三室模型，其中包括：

• 脂肪體質(zhì)量
• 細(xì)胞質(zhì)量
• 細(xì)胞外質(zhì)量

圖2從眾所周知的二室模型瘦體質(zhì)量（去脂體質(zhì)量）和脂肪體質(zhì)量開始，解釋說明了這些概念。脂肪體質(zhì)量有兩個(gè)組成部分，即必需脂肪和儲(chǔ)存脂肪。瘦體質(zhì)量分為人體細(xì)胞質(zhì)量（由蛋白質(zhì)質(zhì)量和細(xì)胞內(nèi)水分組成）和細(xì)胞外質(zhì)量（由細(xì)胞外水分和骨質(zhì)量組成）。最后一個(gè)參數(shù)是確定含水量的基礎(chǔ)，是由細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外水分的總和得到的人體水分總量。

從電特性角度來看，細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外電解溶液的行為就像是良導(dǎo)體，而脂肪和骨骼組織則是不良導(dǎo)體。

圖2.人體組成

生物阻抗測(cè)量技術(shù)

運(yùn)用廣泛的各種生物阻抗測(cè)量技術(shù)在使用激勵(lì)信號(hào)的頻率方面有所不同。最簡(jiǎn)單的儀器是基于固定頻率測(cè)量（單頻生物電阻抗分析或SF-BIA），有些儀器采用多頻率系統(tǒng)（多頻生物電阻抗分析或MF-BIA），而最復(fù)雜的儀器則在一定頻率范圍內(nèi)執(zhí)行實(shí)際頻譜測(cè)量（生物阻抗頻譜或BIS）。評(píng)估結(jié)果的技術(shù)也有很多種，其中最重要的是生物電阻抗矢量分析和實(shí)時(shí)分析。

在SF-BIA儀器中，注入人體的電流頻率為50 kHz；這是基于所測(cè)得的阻抗與人體水分總量(TBW)（阻抗的導(dǎo)電性部分）之間成反比關(guān)系，而人體水分總量由細(xì)胞內(nèi)水分(ICW)和細(xì)胞外水分(ECW)組成。這項(xiàng)技術(shù)針對(duì)含水量正常的測(cè)試對(duì)象可以提供良好的結(jié)果，而對(duì)于含水量發(fā)生了劇烈改變的測(cè)試對(duì)象，由于該技術(shù)評(píng)估ICW變化的能力有限，因此會(huì)喪失其有效性。

MF-BIA技術(shù)通過在低頻和高頻下執(zhí)行測(cè)量來克服SF-BIA的局限性。低頻測(cè)量允許對(duì)ECW進(jìn)行更準(zhǔn)確的估算，而在高頻下則可獲得TBW的估值。由兩個(gè)估值的差得出ICW。然而，該技術(shù)也并非十全十美，它在對(duì)患有疾病的老年人群進(jìn)行體液估算時(shí)顯示出局限性。

最后，BIS基于阻抗測(cè)量，根據(jù)圖1的模型，該阻抗在零頻率下是由細(xì)胞外液產(chǎn)生的電阻RE，而在無窮大頻率下則是RE與RI的并聯(lián)。在這兩個(gè)極端頻率下，由細(xì)胞膜產(chǎn)生的電容表現(xiàn)為開路或短路。中頻測(cè)量提供與電容值有關(guān)的信息。BIS相比其他技術(shù)可提供更多的詳細(xì)信息，但是在這種情況下，測(cè)量需要更長(zhǎng)的時(shí)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(duì)值測(cè)量的人體健康評(píng)估技術(shù)。它使用一個(gè)圖形來顯示阻抗的矢量表示，其中橫坐標(biāo)軸顯示電阻值，而縱坐標(biāo)軸顯示容性阻抗值，這兩個(gè)值均按照患者的身高設(shè)定了基準(zhǔn)。該方法基于3個(gè)公差橢圓的公式：50%、75%和95%。50%的公差橢圓定義了具有人體組成平均值的人群。沿著橢圓的水平軸移動(dòng)，在右側(cè)可識(shí)別出瘦體質(zhì)量百分比較低的個(gè)體，反之亦然；也就是說，在左側(cè)識(shí)別出的是瘦體質(zhì)量百分比較高的個(gè)體。沿著垂直軸移動(dòng)可確定含水量，趨向橢圓上半部分代表低于標(biāo)準(zhǔn)水平，而橢圓的下半部分則高于標(biāo)準(zhǔn)水平。

圖3.生物電阻抗矢量-分析公差橢圓。

觀察人體組成的波動(dòng)（例如，與瘦體質(zhì)量、脂肪體質(zhì)量和人體水分總量正常值的偏差）是確定患者健康狀況的關(guān)鍵因素。瘦體質(zhì)量明顯減少和體液失衡都是診斷疾病時(shí)使用的主要參數(shù)。當(dāng)前，生物電阻抗分析已用于診斷以下人體系統(tǒng)疾?。?/span>

●?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)容積

? ?■低鈉血癥

? ?■水合作用

●?腎臟系統(tǒng)

? ?■血液透析

? ?■評(píng)估干重

●?神經(jīng)系統(tǒng)

? ?■阿爾茨海默氏病

? ?■神經(jīng)性厭食癥

●?肌肉系統(tǒng)

? ?■訓(xùn)練期間身體組成的變化

●?免疫系統(tǒng)

? ?■艾滋病病毒感染者評(píng)估

? ?■癌癥患者評(píng)估

? ?■登革熱

AD5940，一款靈活的高精度模擬前端

ADI公司具有廣泛的阻抗分析產(chǎn)品組合，包括ADuCM35x等器件，ADuCM35x是專為阻抗頻譜設(shè)計(jì)的高度集成的片內(nèi)系統(tǒng)(SoC)。最近投放市場(chǎng)的AD5940是一款高精度、低功耗模擬前端，非常適合便攜式應(yīng)用。AD5940專為測(cè)量生物阻抗和皮膚電導(dǎo)率而設(shè)計(jì)，由兩個(gè)激勵(lì)環(huán)路和一個(gè)通用測(cè)量通道組成。第一激勵(lì)環(huán)路能夠產(chǎn)生最大頻率為200 Hz的信號(hào)，并且可以配置為恒電勢(shì)器，用于測(cè)量不同類型的電化學(xué)電池。其基本組件包括一個(gè)雙輸出DAC、一個(gè)可提供激勵(lì)信號(hào)的精密放大器以及一個(gè)用于測(cè)量電流的跨阻放大器。該環(huán)路在低頻率下工作，功耗低，因此也稱為低功耗環(huán)路。第二個(gè)激勵(lì)環(huán)路具有類似的配置，但能夠處理最高200 kHz的信號(hào)，因此稱之為高速環(huán)路。該器件配備了一個(gè)采集通道，內(nèi)置一個(gè)16位、800 kSPS SAR型ADC和轉(zhuǎn)換器模擬信號(hào)處理鏈前端，其中包括一個(gè)緩沖器、一個(gè)可編程增益放大器(PGA)和一個(gè)可編程抗混疊濾波器。為了完善該架構(gòu)，采用了一個(gè)開關(guān)矩陣復(fù)用器，它允許將來自多個(gè)器件內(nèi)部或外部信號(hào)源的多個(gè)信號(hào)連接到ADC。這樣，除了主要的阻抗測(cè)量功能外，還可以執(zhí)行準(zhǔn)確的系統(tǒng)診斷以驗(yàn)證儀器的全部功能。

圖4顯示了采用四線配置將AD5940用于人體絕對(duì)阻抗測(cè)量的連接方式。對(duì)于這種類型的測(cè)量，使用高頻環(huán)路；可編程交流電壓發(fā)生器提供激勵(lì)信號(hào)。第二個(gè)發(fā)生器可提供共模電壓，以實(shí)現(xiàn)正確測(cè)量。通過跨阻放大器測(cè)量由人體阻抗產(chǎn)生的電流，并采用16位ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)能夠在最高200 kHz的頻率下進(jìn)行測(cè)量，在50 kHz下可提供100 dB的信噪比(SNR)。將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到硬件加速器以提取所需數(shù)值；即阻抗的實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分。

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)設(shè)定了可施加于人體的電壓和電流限值。為此，這款器件提供了一個(gè)電阻Rlimit來限制最大電流，并提供了四個(gè)耦合電容CisoX，以防止將直流分量施加于人體上。

圖4.AD5940用于生物電阻抗分析的四線連接。

結(jié)論

生物阻抗測(cè)量是一種快速無創(chuàng)評(píng)估人體組成和診斷某些類型疾病的低成本通用方法。由于使用AD5940等器件，當(dāng)前的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)緊湊、高性能、低功耗的生物阻抗分析儀，并且該分析儀可以使用電池供電。AD5940的高集成度、小尺寸和低功耗特性也使其特別適合可穿戴應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介

Cosimo Carriero于2006年加入ADI公司，擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，為戰(zhàn)略和關(guān)鍵客戶提供技術(shù)支持。他擁有意大利米蘭Università degli Studi的物理學(xué)碩士學(xué)位。他過去的經(jīng)歷包括：在意大利核物理研究所(INFN)定義和開發(fā)核物理實(shí)驗(yàn)儀器，與小公司合作開發(fā)工廠自動(dòng)化傳感器和系統(tǒng)，以及在Thales Alenia Space擔(dān)任衛(wèi)星電源管理系統(tǒng)高級(jí)設(shè)計(jì)工程師。聯(lián)系方式：cosimo.carriero@analog.com。