生物電阻抗分析監(jiān)測疾病的臨床狀態(tài)和診斷

生物組織的電特性根據(jù)電力來源分為主動或被動。我們談?wù)摦?dāng)生物組織由于細(xì)胞內(nèi)的離子而產(chǎn)生電能時的主動反應(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）作出反應(yīng)時，這種反應(yīng)是被動的。在這種情況下，我們正在處理生物阻抗。

生物電阻抗分析

生物電阻抗分析是一種用于測量人體成分和評估臨床狀況的低成本、無創(chuàng)技術(shù)。生物阻抗是一個復(fù)數(shù)，由電阻值 R（實部）和電抗值 Xc（虛部）（主要是由于細(xì)胞膜產(chǎn)生的電容）組成。阻抗也可以表示為一個向量，模塊 | Z | 和相位角φ。相位角在確定身體的組成方面起著基本作用。

橫截面積為 S 和長度為 l 的導(dǎo)體的電阻 R 和距離為 d 的表面積為 S 的平板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)；即電阻率 ρ 和介電常數(shù) ε，它們與待測材料（在本例中為生物組織）的類型密切相關(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代表細(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實現(xiàn)的。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，以設(shè)置信號的幅度和頻率。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，提取分析所需的信息。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，提取分析所需的信息。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，提取分析所需的信息。

圖 1. 生物阻抗測量系統(tǒng)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很重要。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、皮膚的厚度和體型。其他因素包括性別、年齡、種族，以及——尤其是——患者的健康狀況；也就是說，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。測量結(jié)果的解釋是基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)和考慮了這些不同因素的方程。

人體的組成

在研究身體成分時，我們參考三室模型，其中包括以下內(nèi)容：

脂肪量

細(xì)胞團(tuán)

細(xì)胞外質(zhì)量

圖 2 說明了這些概念，從眾所周知的兩室模型的瘦體重（無脂肪體重）和脂肪質(zhì)量術(shù)語開始。脂肪量有兩種成分，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，以及由細(xì)胞外水和骨質(zhì)量組成的細(xì)胞外質(zhì)量。最后一個參數(shù)是確定水合程度的基礎(chǔ)，是由細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外水的總和給出的總體水。

從電學(xué)的角度來看，細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的電解溶液表現(xiàn)得像良導(dǎo)體，而脂肪和骨組織是不良導(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的技術(shù)在激發(fā)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），一些采用多頻系統(tǒng)（多頻生物電阻抗分析，或 MF-BIA），最復(fù)雜的儀器執(zhí)行在一定頻率范圍內(nèi)的真實光譜（生物阻抗光譜，或 BIS）。對結(jié)果的評估也有不同的技術(shù)，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。這種技術(shù)在正常水合作用條件下的受試者中提供了良好的結(jié)果，而在水合作用強(qiáng)烈改變的受試者中失去了有效性，這首先是由于評估 ICW 變化的能力有限。

MF-BIA 技術(shù)通過在低頻和高頻下進(jìn)行測量，克服了 SF-BIA 的局限性。低頻測量允許更準(zhǔn)確地估計 ECW，而在高頻處，獲得 TBW 的估計。ICW 由兩個估計值之間的差異給出。然而，這種技術(shù)也并不完美，并且在估計受疾病影響的老年人群的體液方面存在局限性。

最后，BIS 基于零頻率下的阻抗測量，根據(jù)圖 1 的模型，該阻抗是細(xì)胞外液引起的電阻 RE，并且在無限頻率下，即 RE 與 RI 平行。在這兩個極端頻率下，細(xì)胞膜引起的電容表現(xiàn)為開路或短路。中頻測量提供與電容值相關(guān)的信息。BIS 提供比其他技術(shù)更詳細(xì)的信息，但在這種情況下，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體健康評估技術(shù)。它使用了一個圖表，該圖表顯示了阻抗的矢量表示，其中橫坐標(biāo)顯示了電阻值，縱坐標(biāo)顯示容抗值，這兩個值都相對于患者的身高進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)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群。沿著橢圓的水平軸移動，右側(cè)識別出瘦體重百分比較低的個體，反之亦然；也就是說，在左側(cè)識別出瘦體重百分比高的那些。

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，去脂體重、脂肪量和全身水分與正常值的偏差——是確定患者健康狀況的關(guān)鍵因素。瘦體重的顯著減少和體液的不平衡是用于疾病診斷的主要參數(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)

手術(shù)后積液

循環(huán)系統(tǒng)

血管內(nèi)容量

低鈉血癥

補(bǔ)水

腎系統(tǒng)

血液透析

干重評估

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)練期間身體成分的演變

免疫系統(tǒng)

HIV感染者的評估

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，這是一種專為阻抗譜設(shè)計的高度集成的片上系統(tǒng) （SoC）。最近向市場推出的 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專為測量生物阻抗和皮膚電導(dǎo)率而設(shè)計由兩個激勵回路和一個公共測量通道組成。第一個激勵回路能夠產(chǎn)生最大頻率為 200 Hz 的信號，并可配置為恒電位儀，用于測量不同類型的電化學(xué)電池。基本組件是一個雙輸出 DAC、一個提供激勵信號的精密放大器和一個用于電流測量的跨阻放大器。該環(huán)路工作在低頻下，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，它被稱為高速回路。該器件配備了一個帶有 16 位、800 kSPS SAR 型 ADC 的采集通道和一個位于轉(zhuǎn)換器上游的模擬信號處理鏈，其中包括一個緩沖器、可編程增益放大器 （PGA） 和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，它允許來自多個內(nèi)部或外部源的多個信號連接到 ADC。這樣，除了主要的阻抗測量功能外，還可以執(zhí)行準(zhǔn)確的系統(tǒng)診斷來驗證儀器的全部功能。

圖 4 顯示了 AD5940 的連接，用于四線配置的人體絕對阻抗測量。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——有助于正確測量。由人體阻抗產(chǎn)生的電流由跨阻放大器測量，并通過 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)對可施加于人體的電壓和電流進(jìn)行了限制。出于這個原因，提供了一個電阻 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. 用于生物電阻抗分析的 AD5940 的四線連接。

結(jié)論

生物阻抗測量是一種多功能、快速、非侵入性和低成本的工具，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，當(dāng)前的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊、高性能、低功耗的可電池供電的生物阻抗分析儀。AD5940 的集成度、小尺寸和低功耗特性也使其特別適合可穿戴應(yīng)用。

審核編輯：郭婷