基于生物电阻抗法的人体成分测量系统的研究与评价.docx
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－4833－
2014年3月
中国医学物理学杂志
Mar．,2104
第31卷第2期
ChineseJournalofMedicalPhysics
Vol．31．No．2
基于生物电阻抗法的人体成分测量系统的研究与评价
苌飞霸，尹军，颜乐先，彭润（第三军医大学大坪医院野战外科研究所医学工程科,重庆400042）
摘要：
目的：
本文探讨了生物电阻抗测量系统对人体成分的测量效果与适用性。
从而为测量人体成分时选择合适的测量系统提供了技术支持与理论依据。
方法：
对生物电阻抗测量系统进行了深入的研究与评价，剖析总结了生物电阻抗法测量系统存在的问题，并对生物电阻抗法测量人体成分的影响因素进行了归纳与总结 ，最后对生物电阻抗法测量人体成分的未来发展进行了展望。
结果：
生物电阻抗法测量系统经历了从单频率全身测量系统到多频率人体分段电阻抗测量系统的发展过程，测量系统本身所具有的特性及外界因素都会对整个测量系统有一定干扰 ，所以针对不同的测量需要选择合适的测量系统与测量方案可以最大限度的减少干扰。
结论：
生物电阻抗法是测量人体成分的理想方法，生物电阻抗法测量系统的选择是人体成分测量的关键。
随着研究推进，将会出现适用于人体局部的电阻抗测量系统。
关键词：
生物电阻抗法；人体成分；测量系统
DOI编码：
ｄｏｉ：
１０．３９６-９２／０ｊ２．Ｘｉ．ｓ２ｓ０ｎ１．４１．０００２５．０２６中图分类号:
Ｒ３１８ 文献标识码：
Ａ 文章编号：
ResearchandEvaluationonBodyCompositionMeasurementSystemBasedonBioelectricalImpedance
ＣＨＡＮＦＧｅｉ－ＹｂＩＪＮｕ，ＹｎＡ，ＮＬｅ－ｘＰｉＥａＮｎＲＧ，ｕｎ
（ＭｅｄｉＥｃｎａｇｌｉｎｅＤｅｐｉａｎｒｇｔＩｍｎｅｓｎｔｏｔｉｆＳ，ｔｕｕｒｔｇＲｅｅｅｒｓｙｅａＤｒａｃｐｈｉｈ，ｎｏｇｓｐＴｉｈｔＴｅａｈｌｉＭ，ｒｉｄｌｉＭｔｅａｄｒｉＵｙｃｎａｉｌ－ｖｅｒｓＣｉｈｔｏｙｎ，ｇ４ｑ０ｉ０ｎ０，ｇＣ４ｈ２ｉ）ｎａ
Abstract：
Objective:
ｔｈｐｉａｓｐｄｅｉｒｓｃｕｔｓｈｅｓｅｆｅｆｓｏｅｆｂｃｉｔｏｅｌｅｉｃｍｔｐｒｅｉｄｃｍａａｅｎｌａｃｓｅｕｒｓｅｙｍｓｅｔｏｎｅｆｈｔｍｕｍａｂｎｏｄｃｙｏｍｐｏｓｉ－ｔｉｍｏｅｎａｓｕｒａｅｎｍａｄｅｐｎｐｔｌｉｃＴａｏｂｍｉｅｌａｉｓｂｔｕｏｙｒｄ．ｅｃｙｏｍｐｏｓｗｉｈｔｅｃｉｎｈｏｏｎｏｓｔｉｈａｎｅｐｇｐｒｏｐｍｒｅｉａａｓｔｕｅｒｓｅｙｍｓｅｔｐｎｅｒｔｍｏ－ｖｉｄｔｅｈｔｓｅｅｃｈｎｓｉｕｃｐａｐａｏｎｒｔｄｔｈｅｏｒｂｅａｔｓｉMｉｃetｓhａo．dｌs:
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ｅｌｅｃ ｐｉｃｅａｄｍａｅｎａｃｓｅｕｒｓｅｙｍｓｅｔｎｅｔｍ．
Keywords:
ｂｉｏｅｌｅｉｃｍｔｐｒｅｉｄｃｍａａｅｎｌｔｃｈ；ｅｂｏｏｄｄｃｙｏｍｐｏｓ；ｍｉｅｔａｉｓｏｕｎｒｓｅｙｍｓｅｔｎｅｔｍ
收稿日期：
2013-10-09
作者简介：
苌飞霸（1985-），男，安徽人，第三军医大学大坪医院医学工程科科研组组员，主要研究方向:
生物医学信号检测、处理及传输。
E-mail:
chang573788260@。
通信作者：
尹军（1968-），女，安徽人，高级工程师，第三军医大学大坪
医院医学工程科主任，主要研究方向：
医学仪器管理与研发。
E-mail：
gaiety@。
前言
目前，评估人体营养状况变化对人体成分测量的需要变得越来越重要。
由于疾病、暴饮暴食、体育、营养不良（神经性厌食症）或由于营养干预计划，可以影响身体储备差异例如身体脂肪，非脂肪的质量，骨矿物质的质量或细胞质量组件可能增加或减少。
而这些变化都需要有效的人体成分测量技术得以检测得到。
此
外，对于人体成分及其分布的研究对肥胖诱发的疾病如非胰岛素依赖性糖尿病、胆囊疾病、冠心病、高血压等的治疗都有积极意义。
测量人体成分的方法有水下称重法、人体测量法、总体水法、总体钾法、全身水量测定法、密度测定法和全身水量测定法的结合、超声检测、核磁共振、Ｘ射线成像及ＣＴ、光子吸收法，中子活化分析等。
然而这些测量方法或者设备昂贵，或者操作复杂，或者精确度不高，且有些测试方法在测试过程中对人体有一定的辐射或者需要其它特殊的要
求，因此仅适用于实验研究，限制其大范围应用。
生物电阻抗法提供了一种相对比较简便的测量人体成分的方法，其利用生物组织与器官的电特性及其变化规
律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的
检测技术，具有无创、无害、廉价、操作简单和功能信息丰富的特点，而且测量结果准确、测量可重复性高等优点［１。
］
基于生物电阻抗法测量人体成分的原理是由于
人体是由不同的成分组成，所以当电流刺激与人体时会以不同的速率穿过人体。
人体主要的组成部分是以离子形式存在于人体的水；另一方面，人体还包括一些非导电成分例如脂肪，它将以电阻的形式阻碍电流在人体中的流动。
脂肪组织对电流的传导性比肌肉和骨骼的还要小。
所以生物电阻抗法的原理就是根据人体不同成分对电流的传导性不同这么一个特性。
因此，人体不同成分的离子浓度与电导率之间存在着直接的关系，而人体不同成分的离子浓度与人体溶液的阻抗之间存在着间接关系［２。
］
所以，生物电阻抗分析法就是通过激励电极向人
体刺激微小的恒定交变电流源，然后通过测量电极测
量所得到流经人体组织的交变电流源所产生的电势
差信号，以此计算、分析与人体成分相关的电阻抗信息［３。
］
1生物电阻抗法测量系统分类
基于生物电阻抗法的人体成分测量，在不同频段有不同的测量方法，用于不同部位时情况也稍不一样，但总体测量结构大致如图１所示。
图1生物电阻抗测量系统
Fig.1Bioelectricalimpedancemeasurementsystem
生物电阻抗法测量系统主要包括激励源模块、调制解调模块、以及电极系统。
测量的关键在于电极系统的选择。
根据采用的电极数目，可以把测量系统分为两电极、四电极、六电极、和八电极等测量系统。
合适的选择测量系统是测量不同身体部位的关键。
而从测量时激励源所使用的频率来分可以分为单频测量
方法、多频测量方法。
1.1电极数目划分的测量系统
（１）二电极测量系统
基于生物电阻抗法的二电极测量系统进行人体
组织的电阻抗测量时，恒流源Io通过两个电极刺激于人体的组织，同时又通过这两个电极测量人体组织的电压信号。
即这两个电极既作为激励电极又作为测量电极。
二电极系统的优点是电极的极数少，用于测量人体组织时候操作比较简捷。
但是由于二电极测量系统容易产生皮肤与电极之间的未知可变的接触电阻 ，所以极易造成系统的测量误差。
其二电极测量系统的等效电路如图２所示。
电极与皮肤之间的接触阻抗为Ze１、Ze２，人体的测
量阻抗为ZX。
所以当测量电压V发生改变时，就很难说明是接触阻抗造成的电势差改变，还是由于人体组织电阻抗造成的电势差改变；另一方面由于激励电极和测量电极是同一对电极，这对电极被当作为激励刺激人体组织时，那么它附近的电流密度要比被测组织其他地方的电流密度要大；当作为测量电极时，它只是测量了处于电极附近大的电流密度组织的电势差。
所以测量电极并没有测量电流密度比较均匀处的电
势差。
所以测量的电阻抗会有一定的误差。
所以，二电极测量系统无法避免皮肤与人体接触阻抗以及系统本身局限造成电流密度不均匀的影响。
（２）四电极测量系统
基于生物电阻抗的四电极测量系统中，恒定电流源Io通过一对电极激励人体被测组织，被测组织的电压V通过另一对电极测量得到。
四电极测量系统的优点是电极系统与皮肤的接触阻抗对整个测量系统的影响甚微。
四电极测量系统的等效电路如图３所示，
只要电流源输出电阻ZS和查分放大电路的输入电阻
Zv比电极与人体的接触阻抗和人体被测的组织阻抗足够的大，那么电流is、iv的大小就可以忽略不计。
图2二电极测量系统等效电路
Fig.2Twoelectrodemeasuringsystemequivalentcircuit
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第31卷第2期
2014年3月
中国医学物理学杂志
图3四电极测量系统等效电路
Fig.3Fourelectrodemeasuringsystemequivalentcircuit
假定整个四电极测量系统等效电路的总阻抗为
Zt
阻抗。
同理，位于左手和左脚上的测量电极可以测出躯干的阻抗，左脚和右脚的电极可以测出下肢的阻抗。
六电极的分段阻抗模型如图４所示。
六电极分段测量法根据人体的组成把人体分成
I
Zt＝V
０
（１）
这里假设电极与人体皮肤接触阻抗Ze１、Ze２、Ze３、
Ze４相等。
Ze１＝Ze２＝Ze３＝Ze４＝Z （２）
则系统的总阻抗Z为
图4六电极的分段阻抗模型
Zt＝
t ：
Zx
４Z＋ZZ
ZZ （３）
Fig.4S
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