生物电阻抗分析在疾病临床状态监测与诊断中的应用

生物组织的电学性质根据电源分为主动或被动。我们谈论当生物组织由于细胞内的离子而发电时的主动反应。这些电信号被称为生物电势，最著名的例子可以在心电图和脑电图中找到。当生物组织对外部电刺激（如电流或电压发生器）做出反应时，反应是被动的。在这种情况下，我们正在处理生物阻碍。

生物电阻抗分析

生物电阻抗分析是一种低成本，无创的技术，用于测量人体的组成和评估临床状况。生物阻抗是由电阻值R（实部）和反应值Xc（虚部）组成的复量，主要是由于细胞膜产生的电容。阻抗也可以表示为矢量，模块|Z |和相位角φ。相位角在决定身体的组成中起着至关重要的作用。

横截面积S和长度l的导体的电阻R和表面积为D的扁平平行板电容器的电容C由以下等式给出：

从公式4和公式5可以看出，电阻和电容取决于几何参数（长度，距离和表面积），这意味着它们与所采用的测量系统和物理参数相关联。即电阻率ρ和介电常数ε，它们与要测量的材料类型（在本例中为生物组织）密切相关。图1显示了生物阻抗和用于测量它的仪器的简化电气模型。RE考虑了细胞外液的阻力，RI象征着细胞内液的阻力，Cm是细胞膜的电容。仪器与人体之间的连接是通过施加在皮肤上的电极进行的。该仪器为电极提供激励电压并测量产生的电流。激励信号通过连接到下游驱动器的数模转换器（DAC）产生;DAC由微控制器编程，以启用信号幅度和频率的设置。对于电流测量，使用跨阻放大器（TIA），连接到高分辨率模数转换器（ADC）以进行精确测量。采集的数据由系统微控制器处理，该系统微控制器提取分析所需的信息。

图 1.生物阻抗测量系统的框图。

对于生物阻抗测量，人体分为五个部分：两个上肢，两个下肢和躯干。这种区别对于理解所使用的测量方法非常重要。最常见的是手对脚，脚对脚和手对手。

在生物电阻抗分析（BIA）测试期间需要考虑多个因素，包括人体测量参数;即身高，体重，皮肤厚度和身材。其他因素包括性别，年龄，种族群体，以及 - 尤其是 - 患者的健康状况;即任何营养不良或脱水。如果不考虑这些因素，测试结果可能会失真。测量的解释基于考虑这些不同因素的统计数据和方程式。

人体的组成

在研究身体成分时，我们参考三隔间模型，其中包括以下内容：

脂肪量

细胞质量

细胞外肿块

图2从两室模型的瘦体重（无脂肪质量）和脂肪质量的众所周知的术语开始说明了这些概念。脂肪量有两个组成部分，必需脂肪和储存脂肪。瘦体重分为由蛋白质质量和细胞内水组成的体细胞质量，以及细胞外质量，后者又包括细胞外水和骨量。最后一个参数是确定水合作用程度的基础，是由细胞内水和细胞外水的总和给出的身体总水。

从电学的角度来看，细胞内和细胞外电解溶液的行为就像良好的导体，而脂肪和骨组织是不良的导体。

图 2.人体的组成。

生物阻抗测量技术

用于测量生物阻抗的最广泛技术在激励信号频率的使用上有所不同。最简单的仪器基于固定频率的测量（单频生物电阻抗分析或SF-BIA），一些采用具有多个频率的系统（多频生物电阻抗分析或MF-BIA），最复杂的仪器在一系列频率（生物阻抗谱或BIS）上执行真实光谱。还有不同的技术用于评估结果，其中生物电阻抗矢量分析和实时分析是最重要的。

在SF-BIA仪器中，注入人体的电流频率为50 kHz;该操作基于测量的阻抗与全身水（TBW）之间的反比关系 - 阻抗的导电部分 - 依次由细胞内水（ICW）和细胞外水（ECW）组成。该技术在正常水合条件下的受试者中提供了良好的结果，而在水合作用强烈改变的受试者中，它失去了有效性，尤其是由于评估ICW变化的能力有限。

MF-BIA 技术通过在低频和高频下执行测量，克服了 SF-BIA 的局限性。低频测量可以更准确地估计ECW，而在高频下，可以获得TBW的估计值。国际妇女理事会由两个估计数之间的差额决定。然而，这种技术也不完美，并且在估计受疾病影响的老年人群的体液方面显示出局限性。

最后，BIS基于零频率下的阻抗测量，根据图1的模型，这是由于细胞外流体引起的电阻RE，并且在无限频率下，这是RE与RI的平行。在这两个极端频率下，由于细胞膜引起的电容表现得像开路或短路。中频测量提供与电容值相关的信息。BIS提供了比其他技术更详细的信息，但是在这种情况下，测量需要更长的时间。

生物阻抗矢量分析（生物电阻抗矢量分析，或BIVA）是一种基于生物阻抗绝对测量的人类健康评估技术。它使用一个图表来显示阻抗的矢量表示，其中电阻值显示在横坐标上，电容电抗值显示在纵坐标上，这两个值都相对于患者的身高进行了归一化。该方法基于三个公差椭圆的公式：50%、75% 和 95%。50% 的公差椭圆定义了具有平均身体成分的人口。沿着椭圆的水平轴移动，在右侧识别瘦体重百分比较低的个体，反之亦然;也就是说，那些瘦体重百分比高的人在左边被识别出来。沿垂直轴移动可识别水合水平，椭圆顶部低于标准水平，下部高于标准水平。

图 3.生物电阻抗矢量 - 分析公差椭圆。

观察人体成分的波动 - 例如，与瘦体重，脂肪量和全身水的正常值的偏差 - 是确定患者健康状况的关键因素。瘦体重的显着损失和体液的不平衡是用于诊断疾病的主要参数。今天，生物电阻抗分析被用作诊断人体以下系统疾病的辅助手段：

肺系统

肺癌

肺水肿

心血管系统

术后积液

循环系统

血管内容量

低钠血症

水合

肾脏系统

血液透析

干重评估

神经系统

阿尔茨海默病

神经性厌食

肌肉系统

训练期间身体成分的演变

免疫系统

艾滋病毒感染患者的评估

癌症患者的评估

登革热

AD5940，一款灵活的高精度模拟前端

ADI公司拥有广泛的阻抗分析产品组合，包括ADuCM35x等器件，这是一款专为阻抗谱设计的高度集成的片上系统（SoC）。AD5940推出的一款高精度、低功耗模拟前端，非常适合便携式应用。AD5940设计用于测量生物阻抗和皮肤电导率，由两个激励回路和一个通用测量通道组成。第一个激励环路能够产生最大频率为200 Hz的信号，并且可以配置为恒电位仪，用于测量不同类型的电化学电池。基本组件包括双路输出DAC、提供激励信号的精密放大器和用于电流测量的跨阻放大器。该环路在低频下工作，功耗低，因此也称为低功耗环路。第二个环路具有类似的配置，但能够处理高达200 kHz的信号;因此，它被称为高速环路。该器件配备一个带有 16 位、800 kSPS SAR 型 ADC 的采集通道和转换器上游的模拟信号处理链，该链包括一个缓冲器、一个可编程增益放大器 （PGA） 和一个可编程抗混叠滤波器。为了完善该架构，有一个开关矩阵多路复用器，允许来自多个内部或外部源的多个信号连接到器件，以连接到ADC。通过这种方式，除了初级阻抗测量功能外，还可以执行精确的系统诊断，以验证仪器的全部功能。

图4显示了AD5940的连接，用于人体的绝对阻抗测量，采用四线配置。对于这种类型的测量，使用高频环路;可编程交流电压发生器提供激励信号。第二个发生器提供共模电压，这对于正确测量非常有用。人体阻抗产生的电流由跨阻放大器测量，并用16位ADC进行转换。该系统能够测量高达200 kHz的频率，并在50 kHz时提供100 dB的信噪比（SNR）。数字数据被发送到硬件加速器，以提取感兴趣的数量;即阻抗的实部和虚部。

作为医疗设备，生物阻抗分析仪必须符合IEC 60601标准。该标准规定了可施加到人体的电压和电流的限制。因此，提供了电阻Rlimit来限制最大电流和四个耦合电容器CisoX，以防止直流分量施加到人体上。

图 4.AD5940的四线连接，用于生物电阻抗分析。

结论

生物阻抗测量是一种多功能，快速，无创且低成本的工具，用于评估人体成分和诊断某些类型的疾病。由于使用了AD5940等器件，目前的技术可实现可由电池供电的紧凑、高性能、低功耗生物阻抗分析仪。AD5940具有集成、小尺寸和低功耗等特性，特别适合可穿戴应用。

审核编辑：郭婷