生物電阻抗分析在疾病臨床狀態(tài)和診斷中的應(yīng)用

生物組織的電特性根據(jù)電力來源分為有源或無源。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(shí)的主動(dòng)反應(yīng)。這些電信號(hào)被稱為生物電勢(shì)，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(duì)外部電刺激（如電流或電壓發(fā)生器）做出反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)是被動(dòng)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低成本、無創(chuàng)的技術(shù)，用于測(cè)量人體成分和評(píng)估臨床狀況。生物阻抗是由電阻值R（實(shí)部）和電抗值Xc（虛部）組成的復(fù)數(shù)，前者主要是由于體內(nèi)水的總值，后者主要是由于細(xì)胞膜產(chǎn)生的電容。阻抗也可以表示為矢量，帶有模塊|Y _和相位角φ。相位角在決定物體的組成方面起著根本性的作用。

橫截面積為S、長(zhǎng)度為l的導(dǎo)體的電阻R和表面積為s的扁平平行板電容器的電容C由以下公式給出：

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(zhǎng)度、距離和表面積），這意味著它們與所采用的測(cè)量系統(tǒng)和物理參數(shù)相關(guān)聯(lián);也就是說，電阻率ρ和介電常數(shù)ε，它們與要測(cè)量的材料類型（在這種情況下為生物組織）密切相關(guān)。圖1顯示了生物阻抗和用于測(cè)量生物阻抗的儀器的簡(jiǎn)化電氣模型。RE考慮了細(xì)胞外液的電阻，RI表示細(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是通過施加在皮膚上的電極進(jìn)行的。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)通過連接到下游驅(qū)動(dòng)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(hào)的幅度和頻率。對(duì)于電流測(cè)量，使用跨阻放大器（TIA），連接到高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行精確測(cè)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(cè)量系統(tǒng)框圖。

對(duì)于生物阻抗測(cè)量，人體分為五個(gè)部分：兩個(gè)上肢，兩個(gè)下肢和軀干。這種區(qū)別對(duì)于理解所使用的測(cè)量方法非常重要。最常見的是手對(duì)腳、腳對(duì)腳和手對(duì)手。

在生物電阻抗分析 （BIA） 測(cè)試期間需要考慮多種因素，包括人體測(cè)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，尤其是患者的健康狀況;也就是說，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。測(cè)量值的解釋基于考慮到這些不同因素的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和方程式。

人體的組成

在研究身體成分時(shí)，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 從兩隔間模型的瘦體重（無脂肪質(zhì)量）和脂肪質(zhì)量等眾所周知的術(shù)語(yǔ)開始說明了這些概念。脂肪量有兩個(gè)組成部分，必需脂肪和儲(chǔ)存脂肪。瘦質(zhì)量分為體細(xì)胞質(zhì)量，由蛋白質(zhì)質(zhì)量和細(xì)胞內(nèi)水組成，細(xì)胞外質(zhì)量又包括細(xì)胞外水和骨質(zhì)量。確定水合作用程度的最后一個(gè)參數(shù)是由細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外水的總和給出的全身水分。

圖2.人體的組成。

從電學(xué)的角度來看，細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外電解液表現(xiàn)得像良好的導(dǎo)體，而脂肪和骨組織是不良導(dǎo)體。

生物阻抗測(cè)量技術(shù)

最普遍的生物阻抗測(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)單的儀器基于固定頻率的測(cè)量（單頻生物電阻抗分析或SF-BIA），一些采用具有多個(gè)頻率的系統(tǒng)（多頻生物電阻抗分析或MF-BIA），而最復(fù)雜的儀器在一定頻率范圍內(nèi)執(zhí)行真實(shí)光譜（生物阻抗譜或BIS）。評(píng)估結(jié)果也有不同的技術(shù)，其中生物電阻抗矢量分析和實(shí)時(shí)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(cè)量的阻抗與總體水（TBW）（阻抗的導(dǎo)電部分）之間的反比關(guān)系，該部分依次由細(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(qiáng)烈改變的受試者中失去了有效性，這主要是由于評(píng)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(cè)量來克服SF-BIA的局限性。低頻測(cè)量可以更準(zhǔn)確地估計(jì)ECW，而在高頻下，可以獲得TBW的估計(jì)。國(guó)際婦女理事會(huì)由兩個(gè)估計(jì)數(shù)之間的差額給出。然而，這種技術(shù)也不是完美的，并且在估計(jì)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(cè)量，根據(jù)圖1的模型，這是細(xì)胞外液引起的電阻RE，以及無限頻率下的阻抗，這是RE與RI的平行。在這兩個(gè)極端頻率下，細(xì)胞膜產(chǎn)生的電容表現(xiàn)得像開路或短路。中頻測(cè)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(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)測(cè)量的人類健康評(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(gè)值都相對(duì)于患者的身高進(jìn)行歸一化。該方法基于三個(gè)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(dòng)，右側(cè)識(shí)別瘦體重百分比低的個(gè)體，反之亦然;也就是說，那些瘦體重百分比高的人在左側(cè)標(biāo)識(shí)。沿縱軸移動(dòng)可識(shí)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(dòng)（例如，瘦體重、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)

手術(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(píng)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(píng)估

癌癥患者的評(píng)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(jì)的高度集成的片上系統(tǒng)（SoC）。最近向市場(chǎng)發(fā)布的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)公共測(cè)量通道組成。第一個(gè)激勵(lì)環(huán)路能夠產(chǎn)生最大頻率為200 Hz的信號(hào)，并可配置為恒電位儀，用于測(cè)量不同類型的電化學(xué)電池?；驹p輸出DAC、提供激勵(lì)信號(hào)的精密放大器和用于電流測(cè)量的跨阻放大器。該環(huán)路工作在低頻時(shí)功耗低，因此也稱為低功率環(huán)路。第二個(gè)環(huán)路具有類似的配置，但能夠處理高達(dá)200 kHz的信號(hào)，因此它被稱為高速環(huán)路。該器件配備一個(gè)帶16位、800 kSPS SAR型ADC的采集通道和一個(gè)轉(zhuǎn)換器上游的模擬信號(hào)處理鏈，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)，有一個(gè)開關(guān)矩陣多路復(fù)用器，允許將來自多個(gè)內(nèi)部或外部源的多個(gè)信號(hào)連接到ADC。這樣，除了主要阻抗測(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AD5940采用四線制配置進(jìn)行人體絕對(duì)阻抗測(cè)量的連接。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)生器提供共模電壓，這對(duì)于正確測(cè)量非常有用。人體阻抗產(chǎn)生的電流由跨阻放大器測(cè)量，并使用16位ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)能夠測(cè)量高達(dá) 200 kHz 的頻率，并在 50 kHz 時(shí)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(shí)部和虛部。

圖4.AD5940的四線連接，用于生物電阻抗分析。

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(duì)可施加于人體的電壓和電流設(shè)定了限制。因此，電阻，R限制，已提供限制最大電流和四個(gè)耦合電容，C.isoX、防止直流分量被施加到人體上。

結(jié)論

生物阻抗測(cè)量是一種多功能、快速、無創(chuàng)且低成本的工具，用于評(píng)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)可以實(shí)現(xiàn)緊湊、高性能、低功耗的生物阻抗分析儀，該分析儀可由電池供電。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