生物電阻抗分析在疾病臨床監測和診斷中的應用

　　Bioelectrical impedance analysis in monitoring of the clinical status and diagnosis of diseasesCosimo Carriero? （ADI 現場(chǎng)應用工程師）
　　摘? 要：生物電阻抗分析在疾病臨床監測和診斷中的應用。
　　關(guān)鍵詞：生物；電阻抗；診斷

　　生物組織的電特性按照電信號來(lái)源可分為主動(dòng)和被動(dòng)兩類(lèi)。如果生物組織的電流由細胞內部的離子產(chǎn)生，我們稱(chēng)之為主動(dòng)響應。這些電信號稱(chēng)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。如果生物組織對外部電刺激（例如電流或電壓發(fā)生器）做出響應，則該響應為被動(dòng)的。在這種情況下，我們需要考慮生物電阻抗。
　　1 生物電阻抗分析

　　生物電阻抗分析是一種用來(lái)測量人體組成和評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)數部分）和電抗值Xc（虛數部分）組成的復數，前者主要由人體內的水分總量所致，后者主要是由細胞膜產(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(lái)表示。相位角在確定人體組成方面起主要作用。

　　橫截面積為 S 、長(cháng)度為l的導體的電阻 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：

　　從式（4）和式（5）中可以看出，電阻和電容取決于幾何參數（長(cháng)度、距離和表面積），這意味著(zhù)它們與采用的測量系統和物理參數有關(guān)；也就是說(shuō)，電阻率 ρ 和介電常數 ε 與待測材料的類(lèi)型（在本示例中為生物組織）密切相關(guān)。圖1顯示了一個(gè)生物阻抗及其測量?jì)x器的電特性簡(jiǎn)化模型。 R_E 考慮的是細胞外液的電阻， R_I 代表細胞內液的電阻， C_m 是細胞膜的電容。儀器與人體之間的連接通過(guò)置于皮膚上的電極實(shí)現。儀器向電極提供激勵電壓并測量產(chǎn)生的電流。激勵信號通過(guò)連接到后端驅動(dòng)器的數模轉換器(DAC)產(chǎn)生。通過(guò)微控制器對DAC進(jìn)行編程，從而可設置信號幅度和頻率。對于電流測量，則采用跨阻放大器(TIA)，將其連接到高分辨率模數轉換器(ADC)以實(shí)現精確測量。使用系統微控制器處理采集到的數據，從中提取分析所需的信息。

　　在生物阻抗測量中，將人體分為5個(gè)部分：2個(gè)上肢、2個(gè)下肢和軀干。這樣區分對于理解所使用的測量方法很重要。最常見(jiàn)的是手到腳、腳到腳和手到手。
　　在生物電阻抗分析(BIA)測試過(guò)程中，需要考慮多個(gè)因素，包括人體測量參數，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)養不良或脫水。如果不考慮這些因素，測試結果可能會(huì )失真。根據統計數據和考慮了上述各種因素的公式來(lái)解讀測量結果。
　　2 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：

　　1）脂肪體質(zhì)量

　　2）細胞質(zhì)量

　　3）細胞外質(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(kāi)始，解釋說(shuō)明了這些概念。脂肪體質(zhì)量有兩個(gè)組成部分，即必需脂肪和儲存脂肪。瘦體質(zhì)量分為人體細胞質(zhì)量（由蛋白質(zhì)質(zhì)量和細胞內水分組成）和細胞外質(zhì)量（由細胞外水分和骨質(zhì)量組成）。最后一個(gè)參數是確定含水量的基礎，是由細胞內和細胞外水分的總和得到的人體水分總量。
　　從電特性角度來(lái)看，細胞內和細胞外電解溶液的行為就像是良導體，而脂肪和骨骼組織則是不良導體。
　　3 生物阻抗測量技術(shù)

　　運用廣泛的各種生物阻抗測量技術(shù)在使用激勵信號的頻率方面有所不同。最簡(jiǎn)單的儀器是基于固定頻率測量（單頻生物電阻抗分析或SFBIA），有些儀器采用多頻率系統（多頻生物電阻抗分析或MF-BIA），而最復雜的儀器則在一定頻率范圍內執行實(shí)際頻譜測量（生物阻抗頻譜或BIS）。評估結果的技術(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5 0kHz；這是基于所測得的阻抗與人體水分總量(TBW) （阻抗的導電性部分）之間成反比關(guān)系，而人體水分總量由細胞內水分(ICW)和細胞外水分(ECW)組成。這項技術(shù)針對含水量正常的測試對象可以提供良好的結果，而對于含水量發(fā)生了劇烈改變的測試對象，由于該技術(shù)評估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(guò)在低頻和高頻下執行測量來(lái)克服SF-BIA的局限性。低頻測量允許對ECW進(jìn)行更準確的估算，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基于阻抗測量，根據圖1的模型，該阻抗在零頻率下是由細胞外液產(chǎn)生的電阻 R_E ，而在無(wú)窮大頻率下則是 R_E 與 R_I 的并聯(lián)。在這2個(gè)極端頻率下，由細胞膜產(chǎn)生的電容表現為開(kāi)路或短路。中頻測量提供與電容值有關(guān)的信息。BIS相比其他技術(shù)可提供更多的詳細信息，但是在這種情況下，測量需要更長(cháng)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值測量的人體健康評估技術(shù)。它使用一個(gè)圖形來(lái)顯示阻抗的矢量表示，其中橫坐標軸顯示電阻值，而縱坐標軸顯示容性阻抗值，這兩個(gè)值均按照患者的身高設定了基準。該方法基于3個(gè)公差橢圓的公式：50%、75%和95%（如圖3）。50%的公差橢圓定義了具有人體組成平均值的人群。沿著(zhù)橢圓的水平軸移動(dòng)，在右側可識別出瘦體質(zhì)量百分比較低的個(gè)體，反之亦然；也就是說(shuō)，在左側識別出的是瘦體質(zhì)量百分比較高的個(gè)體。沿著(zhù)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準水平，而橢圓的下半部分則高于標準水平。

　　觀(guān)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。當前，生物電阻抗分析已用于診斷以下人體系統疾?。?/p>

　　1）肺系統

　　■ 肺癌

　　■ 肺水腫

　　2）心血管系統

　　■ 術(shù)后積液

　　3）循環(huán)系統

　　■ 血管內容積

　　■ 低鈉血癥

　　■ 水合作用

　　4）腎臟系統

　　■ 血液透析

　　■ 評估干重

　　5）神經(jīng)系統

　　■ 阿爾茨海默氏病

　　■ 神經(jīng)性厭食癥

　　6）肌肉系統

　　■ 訓練期間身體組成的變化

　　7）免疫系統

　　■ 艾滋病病毒感染者評估

　　■ 癌癥患者評估

　　■ 登革熱

　　4 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(zhuān)為阻抗頻譜設計的高度集成的片內系統(SoC)。最近投放市場(chǎng)的AD5940是一款高精度、低功耗模擬前端，非常適合便攜式應用。AD5940專(zhuān)為測量生物阻抗和皮膚電導率而設計，由2個(gè)激勵環(huán)路和1個(gè)通用測量通道組成。

　　 第1個(gè)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勢器，用于測量不同類(lèi)型的電化學(xué)電池。其基本組件包括一個(gè)雙輸出DAC、1個(gè)可提供激勵信號的精密放大器以及1個(gè)用于測量電流的跨阻放大器。該環(huán)路在低頻下工作，功耗低，因此也稱(chēng)為低功耗環(huán)路。 

　　第2個(gè)激勵環(huán)路具有類(lèi)似的配置，但能夠處理最高200 kHz的信號，因此稱(chēng)之為高速環(huán)路。該器件配備了1個(gè)采集通道，內置1個(gè)16位、800 kSPS SAR型ADC和轉換器模擬信號處理鏈前端，其中包括1個(gè)緩沖器、1個(gè)可編程增益放大器(PGA)和1個(gè)可編程抗混疊濾波器。為了完善該架構，采用了1個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣復用器，它允許將來(lái)自多個(gè)器件內部或外部信號源的多個(gè)信號連接到ADC。這樣，除了主要的阻抗測量功能外，還可以執行準確的系統診斷以驗證儀器的全部功能。

　　圖4顯示了采用四線(xiàn)配置將AD5940用于人體絕對阻抗測量的連接方式（如圖4）。對于這種類(lèi)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2個(gè)發(fā)生器可提供共模電壓，以實(shí)現正確測量。通過(guò)跨阻放大器測量由人體阻抗產(chǎn)生的電流，并采用16位ADC進(jìn)行轉換。該系統能夠在最高200 kHz的頻率下進(jìn)行測量，在50 kHz下可提供100 dB的信噪比(SNR)。將數字數據發(fā)送到硬件加速器以提取所需數值；即阻抗的實(shí)數部分和虛數部分。

　　作為醫療設備，生物阻抗分析儀必須符合IEC60601標準。該標準設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 R_limit 來(lái)限制最大電流，并提供了4個(gè)耦合電容 C_isoX ，以防止將直流分量施加于人體上。
　　5 結論

　　生物阻抗測量是一種快速無(wú)創(chuàng )評估人體組成和診斷某些類(lèi)型疾病的低成本通用方法。由于使用AD5940等器件，當前的技術(shù)可以實(shí)現緊湊、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用。

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第02期第25頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。