基于生物电阻抗原理人体成分分析仪的设计与研究

肖晓明，何为，贺玉成

重庆大学 电气工程学院，重庆 400030

基于生物电阻抗原理人体成分分析仪的设计与研究

肖晓明，何为，贺玉成

重庆大学 电气工程学院，重庆 400030

本文设计了一种基于电阻抗原理人体成分分析仪。该分析仪包括上位机、微型打印机、体重测量电路、电极和阻抗测量电路5个部分。通过检测体重和阻抗参数，运用相敏检波的计算原理设计分析仪的软硬件系统。实验评估证实，该分析仪具有较高的测量精度，达到了预期设计标准，可以广泛运用于人体健康检测。

生物电阻抗；人体成分分析仪；相敏检波；人体成分

人体成分分析是当今医疗健康检测领域不可缺少的重要手段。通过对人体的正常成分范围监控，一方面能预防和检测肝脏疾病、糖尿病、肾衰竭等疾病，另一方面能对科学锻炼，合理健身和减肥，以及康复治疗做出有效地指导。青少年在身体发育阶段特别重要，通过人体成分监控可以很好的指导青少年的生长发育。而基于生物电阻抗原理的人体成分分析是建立在不同生物组织和器官具有不同电特性这一基本原理基础之上，通过向人体注入和测量电信号的手段来得到人体相应部位阻抗和相位信息，从而分析出人体相应部位的成分信息[1]。生物电阻抗原理的人体成分分析法也因其无创、无辐射、设备比较简单、成本低廉、可连续使用、不要求特殊的使用环境等鲜明的特点而备受到当今生物医学工程学界的广泛关注。

人体成分检测的准确程度，一方面来自于仪器的测量精度，另一方面来自于算法的计算。本文针对算法不做探讨，而针对仪器设计上，目前电阻抗原理测量人体成分的仪器，大多来自于韩、德、美等国家，国内制作的人体成分分析仪与外国的仪器还存在一定差距，为了进一步促进国内人体成分分析仪的发展。本文针对人体成分分析仪的设计，提出了一种高精度、低成本的设计方法和思路，并对关键技术进行了探讨。

1 测量原理

1.1 人体成分分析方法

生物电阻分析法[2]（Bioelectrical Impedance Analysis，BIA）是当今基于电阻抗原理的人体成分分析仪用得最多，且技术最为成熟的方法。本文设计的人体成分分析仪就是建立在生物电阻抗分析法的基础之上的。

生物电阻抗的基本原理指出：生物组织中包含有许多的细胞，而细胞间还有许多的液体，这些液体可以被看作电解质。当施加低频或直流电流通过生物组织时，电流将绕过细胞组织，从细胞外液流过；当流过生物组织的电流频率变高时，由于细胞膜等效的电容容抗值变小，所以一部分电流会穿进细胞膜流过细胞内液。生物组织在频率较低时阻抗较大，这时候测量的阻抗值主要是细胞外液的电阻；随着注入信号频率的增高，当达到某一值时（频率＞200kHz）电流可以部分地穿过细胞膜，这时候可以同时测量到细胞外液和细胞内液的电阻[3]。

根据上述原理，BIA法以统计学为工具，通过研究人体相应部位的不同频率的阻抗值与一些人体成分参数的相关性，结合人体体重、年龄、性别等基本参数，建立相应阻抗与相应人体成分的经验公式，并通过已知人体成分推算未知人体成分[4]。

1.2 测量方法

在实现用BIA法测量人体成分当中，首先要实现相应人体部位的不同频率下的阻抗的测量，其次是通过测量的阻抗值建立人体成分的经验计算公式，并通过临床实验测量，对建立的经验公式系数进行校准。本文对BIA法经验公式的建立和校准不进行讨论。而针对人体阻抗的测量，早期的BIA法是将人体看作一个圆柱形的导通进行测量[5]，然而这种测量方法并不能很好的反映躯干的成分，误差较大，人体测量模型逐步地发展为现在常用的分段阻抗测量法，而本文所用的测量方法也是分段阻抗测量法[6]。

分段阻抗测量法中将人体分为左上肢、右上肢、左下肢、右下肢和躯干五个身体部分，见图1。其中的每个部分都可以看作是理想的圆柱体，测量电极采用的是8个电极。检测时，在每个手和脚处都有激励电极和测量电极，不同四肢之间的激励电极施加各种频率的交流电信号，然后使测量电极进行电压采集测量，分析计算出身体每个段的等效阻抗值，为后续的人体成分分析计算做好准备工作。

图1 人体分段阻抗测量示意图

人体分为5段的阻抗模型。测量时在手和脚分别通过注入相应频率的电流，同时测量电压，得到左手和右手间的阻抗值Z12，左手和左脚间的阻抗值Z13，左手和右脚的间的阻抗值Z14，右手和左脚间的阻抗值Z23，右手和右脚间的阻抗值Z24，左脚和右脚间的阻抗值Z34。

可知上述测量得到的阻抗值与人体各部分的阻抗值之间的关系为：

最终计算出人体各部分的阻抗值为：

2 系统设计与实现

2.1 总体结构

本文所设计的人体成分分析仪系统设计，见图2。该系统包括上位机、微型打印机、体重测量电路、电极和阻抗测量电路5个部分。体重测量电路完成被测者体重的测量；阻抗测量电路通过给电极施加安全电流作用在人体上，然后又通过电极检测人体相应部位的电压，经过数据采集、计算得到人体相应阻抗值，然后传给上位机完成人体成分计算。阻抗测量电路包括单片机和现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）两个控制芯片，FPGA完成将采集的电压电流信号计算成阻值信息值，单片机则控制恒流源的产生，开关阵列的导通，FPGA的启动停止，并与上位机、FPGA和体重测量电路进行通讯。上位机则负责应用软件的运行，进行人机交互，控制单片机进行数据采集并完成人体成分分析运算，最终显示给用户。如果用户有打印需求，上位机则控制微型打印机完成打印功能。

图2 人体成分分析仪系统设计

2.2 关键技术的实现

2.2.1 体重测量电路

体重测量电路主要是通过体重传感器和数据采集电路组成。本文的体重传感器采用的是电阻式应变传感器，体重传感器安装于脚踏板底部正中间位置。数据采集电路是将电阻式应变传感器采集的数据经过模数转换器后传输给单片机进行处理，它主要是由ADI公司生产的AD7799模数转化芯片构成的。

2.2.2 恒流源模块

人体阻抗信息的测量需要向人体通入电流来实现，而进入人体的安全电流有着严格的限制，一般不过超过5mA。本文设计的恒流源模块主要是实现输出频率为1kHz～1MHz，幅值在100 μA～5mA可调的恒定电流（图3）。正弦波形的输出是通过ADI公司生产的直接数字频率合成器集成芯片AD9833得到的，其中AD9833由单片机控制其输出和正弦波形频率的改变，AD9833输出的正弦波形为电压信号，为了得到可控的恒流源，AD9833输出的信号经过放大和电压控制电流源便得到想要的输出电流。其中恒流源的输出阻抗直接关系着输出恒流源信号的稳定情况，补偿电路应用于恒流源的输出端来提高恒流源的输出稳定性[7]。

图3 恒流源电路结构图

2.2.3 开关阵列

本文采用8个电极进行人体阻抗测量，其中4个用于恒定电流的输出，4个用于电压检测。而恒流源模块和电压电流采集模块都只有一个通道，于是四选一的开关电路便应用于电流的输出，电流的检测和电压的检测。本文采用的四选一开关电路芯片为MAX4051，其良好的导通性能可以满足本文的设计要求。

2.2.4 电压采集模块

电压采集电路主要实现电压信号的采集。电压信息的计算是通过电压采集模块将电压信息送入FPGA中，进行数字相敏检波运算分离出阻抗的幅值和相位信息[8]。电极检测的电压信号经过AD8065组成的缓冲电路增大输入阻抗，经过四选一的开关电路之后，由AD8130将差分信号转化为单端信号，同时AD8130还能提供20dB的信号放大（图4）。由于有效信号频率范围为1kHz～1MHz，经过1kHz～1MHz的带通滤波电路后，再由AD8331进行信号放大，进入由FPGA控制的AD9238将模拟信号转化为数字信号后送入FPGA进行相敏检波运算。其中AD8331为可控增益放大器，使得整个电压采集模块的增益能在27.5～75.5dB之间可调。

图4 电压采集模块示意图

2.2.5 电流采集模块

恒流源输出的恒定电流幅值虽然能通过恒流源模块调节为已知的固定值，但实际中开关电路和印制电路板布线等影响，恒定电流的输出并不是理想的值，同时为了得到人体阻抗信息的相位值，实际恒流源输出的电流信息就必须要进行采集（图5）。本文通过在恒流源输出端并联一个10Ω左右的电阻将电流信号转化为电压信号进行采集。转化的电压信号其采集通道和电压采集模块一致，采集得到的信号最终送入FPGA中进行相敏检波运算[9]。

图5 电流采集模块示意图

2.3 系统软件设计

人体成分分析仪的控制部分包括上位机、单片机和FPGA。上位机是整个人体成分分析仪的核心，它负责实现人机交互，同时控制单片机和FPGA实现阻抗和体重测量，并分析人体成分显示给用户。

本文的上位机硬件为由ARM开发板构成，上位机软件是由VC语言实现（图6）。整个应用分析软件包括数据分析、时间管理、网络管理、触屏管理、储存管理5个部分。数据池直接对单片机进行控制，通过单片机控制FPGA实现阻抗和体重信息的采集，并在检测参数中实现人体成分的计算。

图6 上位机软件结构框图

数据池也是数据分析部分的核心，它直接控制着单片机的运行。单片机为连接上位机与检测电路的桥梁，它控制恒定电流的频率和输出，控制开关阵列的导通，控制体重测量电路的采集，控制FPGA的运行和数据的接受，并将汇总的信息发送给上位机（图7）。而FPGA实现接受电流电压信号，完成阻抗的相敏检波运算，并将数据发送给单片机，由单片机将数据发送给上位机。其整个系统上位机、单片机、FPGA层层控制，实现人体成分分析仪的运行。

图7 数据池结构框图

3 系统性能评估

3.1 恒流源输出阻抗

恒流源的输出阻抗是影响系统测量精度的一个重要因素。选取负载为1kΩ，频率为10kHz、100kHz、300kHz和1MHz对恒流源输出阻抗进行测试，阻抗值分别为4.8MΩ、3.7MΩ、1.3MΩ、300kΩ。可见由于分布电容的存在，随着频率增大其输出阻抗越低，但是在1MHz的频率下输出阻抗还有300kΩ，已经可以满足人体成分的测量要求。

3.2 信噪比测试

系统的信噪比是直接体现系统抗干扰性能的重要指标，其中信噪比的测量公式为[10]：

式子中k是检测电极对中差分电压的测量次数，其每次测量的值为A（k），k为1到K的值。而A-为A（k）的平均值。

测量时电流从左手输出电极注入，右手输出电极流出，电流的峰值将其调节为0.5mA。电压的差分信号选在左手检测电极与右手检测电极之间。其中测量次数为1000次，选择频率为100kHz，不同采样周期、采样频率下每个周期采样点数的信噪比，见图8。

图8 不同采样周期、采样频率下每个周期采样点数的信噪比

可以看出采样周期数越大，信噪比越高；频率越高，信噪比越低；采样点数越多，信噪比基本是逐渐增大后保持稳定。而本文的人体成分分析仪实际采样频率为20MHz，采样的周期数＞32，可知恒定电流频率为1MHz时，信噪比持续＞67dB，抗干扰性能良好。

3.3 系统相对测量精度

检测时，采用电阻箱为被测对象，设置电流输出频率为1kHz，电流幅值为0.5mA，电阻箱的电阻值变化范围为10～1000Ω，各个通道的电阻测量结果见图9。可以看出各个通道的测量结果基本一致，不同通道的测量结果影响可以忽略不计，而随着电阻值的增大，测量值与实际值差值之所以逐渐变大是由于基准值增大，而误差基本没变，整体误差在2％左右波动。

信号输出频率的变化也是影响仪器测量的重要指标。用电阻箱设置被测电阻为1kΩ并固定不变，选取左手和右手间测量通道，频率变化范围为1kHz～1MHz，其测量结果见图10。可以看出频率越高误差越大，其原因为系统测量的是阻抗值，分布电容的影响进一步增加了测量的误差，1MHz时的误差达到了17％，而实际使用中用到的最高频率为500kHz，其误差在10％左右，整体测量误差在可接受的范围之内。

图9 各个通道电阻测量结果图

图10 阻抗测量频率变化曲线

3.4 分析仪测量结果

本文设计的人体成分分析仪与DBA-550人体成分分析仪（北京东华原医疗设备有限责任公司）对人体成分进行测量。被测者为男性，年龄27岁，身高170cm，体重70.8kg。笔者对两台仪器的测量结果进行了对比，结果见表1。

表1 人体成分测量结果对比

由上面的数据可以看出，除了少数数据存在一定的差异，大部分的参数基本一致。证明本文设计的人体成分分析仪其测量结果比较准确，可以运用于临床健康检测。

4 结论

本文主要介绍了一种基于电阻抗原理的人体成分分析仪的设计方法。从系统的硬件到软件进行关键技术的介绍，并针对设计的人体成分分析仪系统进行了系统测试，各方面的测量参数反映本文设计的人体成分分析仪检测精度较高，而设计的成本较低，其人体成分分析的结果较为准确可靠。

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Design and Research of a Human Body Composition Analyzer Based on the Principle of Bio-Electrical Resistance

XIAO Xiao-ming, HE Wei, HE Yu-cheng
College of Electrical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030

A human body composition analyzer wasdesigned in the paper based on the principle of bioelectrical resistance, which consisted of 5sectors including the upper computer, micro printer, weight measurement circuit, electrodes and the impedance measurement circuit. Throughdetection of the weight and impedance parameters, the hardware andsoftwaresystem of the analyzer weredesigned with the adoption of the principle of phasesensitivedetection. According to the experimental evaluation, the analyzer proved its high accuracy of measurement and conformity to the intendeddesignstandards, which could be widely applied in human health examinations.

bio-electrical impedance；human body composition analyzer；phasesensitivedetection；human body composition

R318.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.08.003

1674-1633（2015）08-0009-05

2015-06-28

国家自然科学基金（51377186）；国家973计划（2014 CB541600）。

作者邮箱：hzh186@cqu.edu.cn