根據(jù)人體的電阻抗特性與體成分之間存在統(tǒng)計(jì)關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)相應(yīng)的電阻抗及其變化，依據(jù)生物電阻抗分析法，利用生物組織與器官的電特性及其變化規(guī)律提取與人體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)信息的檢測(cè)技術(shù)，是人體健康檢查的重要內(nèi)容之一。

　　中圖分類號(hào)：TM934.73   文章編號(hào)：1674-2583(2019)09-0009-02

　　DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2019.09.004

　　中文引用格式：張璐雅，趙靜，阮景.一種生物電阻抗家庭健康檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)[J].集成電路應(yīng)用, 2019, 36(09): 9-10.

　　Household Health Detection Device for Bioelectric Impedance

　　ZHANG Luya, ZHAO Jing, RUAN Jing

　　Abstract —  According to the statistical relationship between the electrical impedance characteristics of human body and the body components, by detecting the corresponding electrical impedance and its changes, according to the bioelectric impedance analysis method, It is one of the important contents of human health examination to extract biomedical information related to physiological and pathological conditions by using the electrical characteristics of biological tissues and organs and their changing laws.

　　Index Terms — bioelectricity, impedance analysis, excitation power supply, measurement frequency.

　　1  引言

　　生物電阻抗分析法是一種用以評(píng)估身體成分的間接方法，人體的電阻抗特性與體成分之間存在統(tǒng)計(jì)關(guān)系。鑒于人們生活對(duì)健康的需求，適用于家庭的人體健康狀況檢測(cè)儀受到越來(lái)越多的重視，結(jié)合現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展情況和信息技術(shù)的發(fā)展成果，我們對(duì)一種生物電阻抗家庭健康檢測(cè)裝置開展研究?！吧镫娮杩辜彝ソ】禉z測(cè)裝置”可以作為社區(qū)公共醫(yī)療健康保障的組成部分。該裝置主要完成生物電阻抗的信息采集功能，分布于社區(qū)的各個(gè)家庭，住戶個(gè)人可以按照約定時(shí)間自主完成自身生物電阻抗測(cè)量，通過(guò)社區(qū)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，將測(cè)量結(jié)果自動(dòng)傳遞到社區(qū)公共健康檢測(cè)中心，由檢測(cè)中心統(tǒng)一進(jìn)行信息處理、保存和管理。該系統(tǒng)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一套社區(qū)公共健康檢測(cè)及信息管理輔助系統(tǒng)。

　　2  關(guān)鍵問(wèn)題

　　根據(jù)生物電阻抗測(cè)量采集和信息管理需要，該生物電阻抗家庭檢測(cè)裝置，包括激勵(lì)電源生成、電阻抗檢測(cè)與轉(zhuǎn)換、計(jì)算處理、電阻抗顯示、按鍵輸入、無(wú)線通信接口等部分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括：（1）激勵(lì)電源生成：生成激勵(lì)電源恒流信號(hào)，通過(guò)電極給人體施加激勵(lì)信號(hào)，以便經(jīng)過(guò)人體流動(dòng)形成測(cè)量所需的電信號(hào)。（2）電阻抗檢測(cè)與轉(zhuǎn)換：實(shí)時(shí)提取測(cè)量電極的輸入信號(hào)，先進(jìn)行濾波、放大、整形等處理，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后送至處理機(jī)進(jìn)行處理。（3）計(jì)算處理：按照設(shè)定的時(shí)間間隔實(shí)時(shí)采集生物電阻抗信息，設(shè)計(jì)電阻抗算法，根據(jù)所測(cè)量信息計(jì)算出電阻抗值。（4）電阻抗顯示：顯示由處理機(jī)在規(guī)定時(shí)間段內(nèi)多次測(cè)量的平均電阻抗值，包括檢測(cè)裝置上的液晶顯示和社區(qū)公共健康檢測(cè)中心的測(cè)試結(jié)果顯示。（5）按鍵輸入：設(shè)置多個(gè)功能按鍵，處理機(jī)可以根據(jù)按鍵輸入設(shè)定相應(yīng)測(cè)量功能。（6）無(wú)線通信接口：提供家庭檢測(cè)裝置和社區(qū)檢測(cè)中心之間的信息傳遞通道，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，把來(lái)自家庭檢測(cè)裝置處理機(jī)的電阻抗值，通過(guò)通信協(xié)議，送至社區(qū)公共健康檢測(cè)中心，以便為住戶個(gè)人健康檔案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　3  系統(tǒng)方案

　　基于生物電阻抗技術(shù)的體成分測(cè)量方法是一種間接推算的過(guò)程，其準(zhǔn)確性依賴于人體的成分模型。由于人體可以簡(jiǎn)化為脂肪物質(zhì)和非脂肪物質(zhì)，非脂肪物質(zhì)又可以分為水分、蛋白質(zhì)和無(wú)機(jī)鹽。非脂肪組織具有比脂肪組織更小的電阻抗，當(dāng)交流電加于人體時(shí)，電流將主要通過(guò)非脂肪組織。引起非脂肪組織導(dǎo)電的主要物質(zhì)是電解質(zhì)水，包括細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液。由于細(xì)胞膜電容的存在，在低頻情況下，細(xì)胞膜的容抗很大，電流基本上不能穿過(guò)細(xì)胞膜，只能通過(guò)細(xì)胞外液；隨著電流頻率的增加，細(xì)胞膜的容抗逐漸減小，通過(guò)細(xì)胞內(nèi)路徑的電流的比例將隨之增大。

　　由于測(cè)量所得的是電壓降，通過(guò)計(jì)算得出電阻抗值 Z，該電阻抗包括了電極與被測(cè)阻抗間的接觸阻抗 Z1、Z2，即 Z＝U/I＝Z1＋Z2＋Zx，并且接觸阻抗會(huì)隨著人體皮膚與電極之間的接觸狀況而發(fā)生變化, 因此需要采用敏感電極來(lái)測(cè)量電壓，只要電流恒定并且敏感電極對(duì)輸入阻抗足夠大就能消除接觸電阻抗（Z1、Z2）的影響，才能得到準(zhǔn)確性較高的電阻抗值 Zx。因此，我們所研制的人體電阻抗家庭健康檢測(cè)裝置，基于四電極結(jié)構(gòu)，以 50 kHz 正弦波為激勵(lì)，站立式測(cè)量腿對(duì)腿間的電阻抗。系統(tǒng)總體思路是：四電極結(jié)構(gòu)由一對(duì)激勵(lì)電極和一對(duì)敏感電極組成，利用 MSP430 單片機(jī)控制生成 50 kHz 正弦波恒流信號(hào)；該信號(hào)通過(guò)與人體腳掌皮膚接觸的激勵(lì)電極對(duì)施加到被測(cè)人體上，形成被測(cè)人體等效電阻抗的電壓；利用敏感電極對(duì)所測(cè)量的電壓來(lái)計(jì)算被測(cè)人體腿對(duì)腿間的生物電阻抗，并在顯示單元顯示測(cè)量結(jié)果。

　　需要說(shuō)明的是，研究表明在人體中阻抗和電阻的值僅僅相差約 2～3 Ω，這樣的阻值差可以被忽視掉，因此在生物體電阻抗法中，可以用電阻值來(lái)近似代替阻抗。

　　（1）電極位置選擇。系統(tǒng)所用的四電極結(jié)構(gòu)，通過(guò)高輸入電阻和高共模抑制比的差分放大器，既解決接觸電阻的問(wèn)題，又可以忽略共模電壓。

　　（2）測(cè)量頻率。根據(jù)文獻(xiàn)[1]所提供的人體電阻抗譜圖和文獻(xiàn)[2]研究結(jié)果，在特征頻率 fc 上，人體電阻抗的虛部 |X| 最大，人體中的脂肪和非脂肪成分同時(shí)得到最大的體現(xiàn)，因此選 fc 作為測(cè)量頻率。通常人體特征頻率為 50 kHz。

　?。?）測(cè)量電路。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，總體框架如圖 1 所示。其工作過(guò)程如下：首先利用 MSP430 單片機(jī)的可編程時(shí)鐘輸出，產(chǎn)生 50 kHz 的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波電路后變成正弦電壓 Ui；借助電壓-電流轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換出幅值不超過(guò) 800μA 的恒流 I，經(jīng)電極先后通過(guò)被測(cè)人體電阻 Rx 和標(biāo)準(zhǔn)電阻 Ro；由單片機(jī)控制多路選擇開關(guān)電路，分別選通被測(cè)電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻，經(jīng)過(guò)差分放大器，將被測(cè)人體阻抗和標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓降 Ux 和 Uo 送至整流電路，并經(jīng)低通濾波器轉(zhuǎn)換成直流量 Ux 和 Uo；經(jīng) ADC 轉(zhuǎn)換器將 Ux 和 Uo 模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果送給 MSP430 單片機(jī)，按照預(yù)定算法計(jì)算得到結(jié)果 Rx，并送至液晶顯示電路顯示和無(wú)線接口上傳。

　　（4）對(duì)外接口。① USB 接口：用于注冊(cè)信息寫入（小區(qū)編號(hào)+裝置編號(hào)等）。② 無(wú)線接口：用于家庭檢測(cè)裝置與健康檢測(cè)中心之間的數(shù)據(jù)傳遞。

　?。?）操作功能設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)按鍵輸入電路，用于功能選擇和操作（如同一裝置的不同個(gè)體）。① 功能鍵初步考慮：?jiǎn)?dòng)鍵 GO 用于啟動(dòng)檢測(cè)開始。設(shè)置鍵 SET 用于功能設(shè)置的進(jìn)入和退出。選擇鍵 DAT 用于相關(guān)初始值的選擇。② 操作舉例：步驟 1 打開檢測(cè)裝置電源開關(guān)，液晶初始顯示“電阻抗值：0000”。步驟 2 第一次按下 SET 鍵，顯示“測(cè)量次數(shù)：XX”，XX 閃爍（默認(rèn)上次設(shè)置值），此時(shí)每按一次 DAT 鍵，則按照 10，20，30，10,…… 的順序依次變更 XX 顯示值。步驟 3 第二次按下 SET 鍵，顯示“測(cè)量個(gè)體：0X”，X 閃爍（默認(rèn)上次設(shè)置值），此時(shí)每按一次 DAT 鍵，則按照 0，1，2，3，……，7，0，…… 的順序依次變更 X 顯示值。步驟 4 第三次按下 SET 鍵，退出設(shè)置狀態(tài)，顯示“電阻抗值：XXXX”（默認(rèn)值 0000）。步驟 5 人體腳踩測(cè)量電極，按下 GO 鍵，電極加電裝置進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)，3 s 后顯示實(shí)際測(cè)量電阻抗值 XXXX，待所需測(cè)量次數(shù)完成后，提示音提示檢測(cè)結(jié)束，并通過(guò)無(wú)線接口發(fā)送給檢測(cè)中心。如果液晶能同時(shí)顯示 3 行不同值，并且“測(cè)量次數(shù)”和“測(cè)量個(gè)體”所顯示的正是被測(cè)人，則可以直接按下 GO 鍵進(jìn)行檢測(cè)（即步驟 2，步驟 3，步驟 4 可以省略）。

　　4   結(jié)語(yǔ)

　　本系統(tǒng)針對(duì)社區(qū)家庭健康個(gè)人檢測(cè)問(wèn)題，提出并設(shè)計(jì)了基于生物電阻抗的家庭健康檢測(cè)裝置系統(tǒng)，其創(chuàng)新點(diǎn)如下：（1）分析研究了人體健康和家庭檢測(cè)模式的需求，選擇了生物電阻抗作為日常觀測(cè)人體健康狀態(tài)的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)；（2）研究提出了人體生物電阻抗的檢測(cè)方法和實(shí)現(xiàn)方案；（3）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了家庭健康檢測(cè)裝置的系統(tǒng)軟硬件方案。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Cole K S,Cole R H.Dispersion and absorption in dielectrics[J].The Journal of Chemical Physics,1941,9(4)：341-35.

　　[2] 劉加恩,董永貴,葛凱.適用于家庭健康檢測(cè)的生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007(08):1330-1333.