生物电阻抗分析在疾病临床状态和诊断中的应用

生物组织的电特性根据电力来源分为有源或无源。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抗。

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，用于测量人体成分和评估临床状况。生物阻抗是由电阻值R（实部）和电抗值Xc（虚部）组成的复数，前者主要是由于体内水的总值，后者主要是由于细胞膜产生的电容。阻抗也可以表示为矢量，带有模块|Y _和相位角φ。相位角在决定物体的组成方面起着根本性的作用。

横截面积为S、长度为l的导体的电阻R和表面积为s的扁平平行板电容器的电容C由以下公式给出：

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;也就是说，电阻率ρ和介电常数ε，它们与要测量的材料类型（在这种情况下为生物组织）密切相关。图1显示了生物阻抗和用于测量生物阻抗的仪器的简化电气模型。RE考虑了细胞外液的电阻，RI表示细胞内液的电阻，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。仪器向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，以设置信号的幅度和频率。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）进行精确测量。采集的数据由系统微控制器处理，提取分析所需的信息。

图1.生物阻抗测量系统框图。

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种因素，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，尤其是患者的健康状况;也就是说，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。测量值的解释基于考虑到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 从两隔间模型的瘦体重（无脂肪质量）和脂肪质量等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。瘦质量分为体细胞质量，由蛋白质质量和细胞内水组成，细胞外质量又包括细胞外水和骨质量。确定水合作用程度的最后一个参数是由细胞内和细胞外水的总和给出的全身水分。

图2.人体的组成。

从电学的角度来看，细胞内和细胞外电解液表现得像良好的导体，而脂肪和骨组织是不良导体。

生物阻抗测量技术

最普遍的生物阻抗测量技术在使用激励信号的频率方面有所不同。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），而最复杂的仪器在一定频率范围内执行真实光谱（生物阻抗谱或BIS）。评估结果也有不同的技术，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总体水（TBW）（阻抗的导电部分）之间的反比关系，该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失去了有效性，这主要是由于评估ICW变化的能力有限。

MF-BIA技术通过在低频和高频下进行测量来克服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。国际妇女理事会由两个估计数之间的差额给出。然而，这种技术也不是完美的，并且在估计受疾病影响的老年人群的体液方面存在局限性。

最后，BIS基于零频率下的阻抗测量，根据图1的模型，这是细胞外液引起的电阻RE，以及无限频率下的阻抗，这是RE与RI的平行。在这两个极端频率下，细胞膜产生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提供比其他技术更详细的信息，但在这种情况下，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。它使用一个图形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，右侧识别瘦体重百分比低的个体，反之亦然;也就是说，那些瘦体重百分比高的人在左侧标识。沿纵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，瘦体重、脂肪量和全身水分与正常值的偏差）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

手术后积液

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）。最近向市场发布的AD5940是一款高精度、低功耗模拟前端，非常适合便携式应用。AD5940专为测量生物阻抗和皮肤电导率而设计，由两个激励环路和一个公共测量通道组成。第一个激励环路能够产生最大频率为200 Hz的信号，并可配置为恒电位仪，用于测量不同类型的电化学电池。基本元件包括双输出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。该环路工作在低频时功耗低，因此也称为低功率环路。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16位、800 kSPS SAR型ADC的采集通道和一个转换器上游的模拟信号处理链，其中包括一个缓冲器、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，允许将来自多个内部或外部源的多个信号连接到ADC。这样，除了主要阻抗测量功能外，还可以执行准确的系统诊断，以验证仪器的全部功能。

图4显示了AD5940采用四线制配置进行人体绝对阻抗测量的连接。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，并使用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。

图4.AD5940的四线连接，用于生物电阻抗分析。

作为医疗设备，生物阻抗分析仪必须符合IEC 60601标准。该标准对可施加于人体的电压和电流设定了限制。因此，电阻，R限制，已提供限制最大电流和四个耦合电容，C.isoX、防止直流分量被施加到人体上。

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，目前的技术可以实现紧凑、高性能、低功耗的生物阻抗分析仪，该分析仪可由电池供电。AD5940的集成度、小尺寸和低功耗特性也使其特别适合可穿戴应用。

审核编辑：郭婷