生物電阻抗分析監測疾病的臨床狀態和診斷

生物組織的電特性根據電力來源分為主動或被動。我們談論當生物組織由於細胞內的離子而產生電能時的主動反應。這些電信號被稱為生物電勢，最著名的例子可以在心電圖和腦電圖中找到。當生物組織對外部電刺激（如電流或電壓發生器）作出反應時，這種反應是被動的。在這種情況下，我們正在處理生物阻抗。 

生物電阻抗分析 

生物電阻抗分析是一種用於測量人體成分和評估臨床狀況的低成本、無創技術。生物阻抗是一個複數，由電阻值 R（實部）和電抗值 Xc（虛部）（主要是由於細胞膜產生的電容）組成。阻抗也可以表示為一個向量，模塊 | Z | 和相位角φ。相位角在確定身體的組成方面起著基本作用。 

橫截面積為 S 和長度為 l 的導體的電阻 R 和距離為 d 的表面積為 S 的平板平行板電容器的電容 C 由以下等式給出： 

從公式 4 和公式 5 可以看出，電阻和電容取決於幾何參數（長度、距離和表面積），這意味著它們與所採用的測量系統和物理參數相關；即電阻率 ρ 和介電常數 ε，它們與待測材料（在本例中為生物組織）的類型密切相關。圖 1 顯示了生物阻抗和用於測量它的儀器的簡化電氣模型。RE考慮了細胞外液的阻力，RI代表細胞內液的阻力，Cm是細胞膜的電容。儀器與人體之間的連接是通過施加在皮膚上的電極實現的。儀器向電極提供激勵電壓並測量產生的電流。激勵信號通過連接到下游驅動器的數模轉換器 (DAC) 產生；DAC 由微控制器編程，以設置信號的幅度和頻率。對於電流測量，使用跨阻放大器 (TIA)，連接到高分辨率模數轉換器 (ADC) 以進行精確測量。採集的數據由系統微控制器處理，提取分析所需的信息。對於電流測量，使用跨阻放大器 (TIA)，連接到高分辨率模數轉換器 (ADC) 以進行精確測量。採集的數據由系統微控制器處理，提取分析所需的信息。對於電流測量，使用跨阻放大器 (TIA)，連接到高分辨率模數轉換器 (ADC) 以進行精確測量。採集的數據由系統微控制器處理，提取分析所需的信息。

圖 1. 生物阻抗測量系統框圖。 

對於生物阻抗測量，人體分為五個部分：兩個上肢、兩個下肢和軀幹。這種區別對於理解所使用的測量方法很重要。最常見的是手對腳、腳對腳和手對手。 

在生物電阻抗分析 (BIA) 測試期間需要考慮多個因素，包括人體測量參數；即身高、體重、皮膚厚度和體型。其他因素包括性別、年齡、種族，以及——尤其是——患者的健康狀況；也就是說，任何營養不良或脫水。如果不考慮這些因素，測試結果可能會失真。測量結果的解釋是基於統計數據和考慮了這些不同因素的方程。 

人體的組成 

在研究身體成分時，我們參考三室模型，其中包括以下內容： 

• 脂肪量 
• 細胞團 
• 細胞外質量 

圖 2 說明了這些概念，從眾所周知的兩室模型的瘦體重（無脂肪體重）和脂肪質量術語開始。脂肪量有兩種成分，必需脂肪和儲存脂肪。瘦體重分為由蛋白質質量和細胞內水組成的體細胞質量，以及由細胞外水和骨質量組成的細胞外質量。最後一個參數是確定水合程度的基礎，是由細胞內和細胞外水的總和給出的總體水。 

圖 2. 人體的組成。 

從電學的角度來看，細胞內和細胞外的電解溶液表現得像良導體，而脂肪和骨組織是不良導體。 

生物阻抗測量技術 

用於測量生物阻抗的最廣泛的技術在激發信號頻率的使用上有所不同。最簡單的儀器基於固定頻率的測量（單頻生物電阻抗分析，或 SF-BIA），一些採用多頻率系統（多頻生物電阻抗分析，或 MF-BIA），最複雜的儀器執行在一定頻率範圍內的真實光譜（生物阻抗光譜，或 BIS）。對結果的評估也有不同的技術，其中生物電阻抗矢量分析和實時分析是最重要的。 

在SF-BIA儀器中，注入人體的電流頻率為50 kHz；該操作基於測量的阻抗與全身水 (TBW) 之間的反比關係 - 阻抗的導電部分 - 依次由細胞內水 (ICW) 和細胞外水 (ECW) 組成。這種技術在正常水合作用條件下的受試者中提供了良好的結果，而在水合作用強烈改變的受試者中失去了有效性，這首先是由於評估 ICW 變化的能力有限。  

MF-BIA 技術通過在低頻和高頻下進行測量，克服了 SF-BIA 的局限性。低頻測量允許更準確地估計 ECW，而在高頻處，獲得 TBW 的估計。ICW 由兩個估計值之間的差異給出。然而，這種技術也並不完美，並且在估計受疾病影響的老年人群的體液方面存在局限性。 

最後，BIS 基於零頻率下的阻抗測量，根據圖 1 的模型，該阻抗是細胞外液引起的電阻 RE，在無限頻率下，它是 RE 與 RI 的平行。在這兩個極端頻率下，細胞膜引起的電容表現為開路或短路。中頻測量提供與電容值相關的信息。BIS 提供比其他技術更詳細的信息，但在這種情況下，測量需要更長的時間。 

生物阻抗矢量分析（生物電阻抗矢量分析，或BIVA）是一種基於生物阻抗絕對測量的人體健康評估技術。它使用了一個圖表，該圖表顯示了阻抗的矢量表示，其中橫坐標顯示了電阻值，縱坐標顯示容抗值，這兩個值都相對於患者的身高進行了標準化。該方法基於三個公差橢圓的公式：50%、75% 和 95%。50% 的公差橢圓定義了具有平均身體成分的人群。沿著橢圓的水平軸移動，右側識別出瘦體重百分比較低的個體，反之亦然；也就是說，在左側識別出瘦體重百分比高的那些。

圖 3. 生物電阻抗矢量—分析公差橢圓。 

觀察人體成分的波動——例如，去脂體重、脂肪量和全身水分與正常值的偏差——是確定患者健康狀況的關鍵因素。瘦體重的顯著減少和體液的不平衡是用於疾病診斷的主要參數。今天，生物電阻抗分析被用作診斷人體以下系統疾病的輔助手段： 


・肺系統 

1. 肺癌 
2. 肺水腫 

・心血管系統 

1. 手術後積液 

・循環系統 

1. 血管內容量 
2. 低鈉血症 
3. 補水 

・腎系統 

1. 血液透析 
2. 乾重評估 

・神經系統 

1. 阿爾茨海默氏病 
2. 神經性厭食症 

・肌肉系統 

1. 訓練期間身體成分的演變 

・免疫系統 

1. HIV感染者的評估 
2. 癌症患者的評估 
3. 登革熱

AD5940，一款靈活的高精度模擬前端 

ADI 公司擁有廣泛的阻抗分析產品組合，包括 ADuCM35x 等器件，這是一種專為阻抗譜設計的高度集成的片上系統 (SoC)。最近向市場推出的AD5940是一款高精度、低功耗的模擬前端，非常適合便攜式應用。AD5940 專為測量生物阻抗和皮膚電導率而設計，由兩個激勵迴路和一個公共測量通道組成。第一個激勵迴路能夠產生最大頻率為 200 Hz 的信號，並可配置為恆電位儀，用於測量不同類型的電化學電池。基本組件是一個雙輸出 DAC、一個提供激勵信號的精密放大器和一個用於電流測量的跨阻放大器。該環路工作在低頻下，功耗低，因此也稱為低功耗環路。第二個環路具有類似的配置，但能夠處理高達 200 kHz 的信號，因此稱為高速環路。該器件配備了一個帶有 16 位、800 kSPS SAR 型 ADC 的採集通道和一個位於轉換器上游的模擬信號處理鏈，其中包括一個緩衝器、一個可編程增益放大器 (PGA) 和一個可編程抗混疊濾波器。為了完善該架構，有一個開關矩陣多路復用器，它允許來自多個內部或外部源的多個信號連接到 ADC。這樣，除了主要的阻抗測量功能外，還可以執行準確的系統診斷來驗證儀器的全部功能。和一個可編程的抗混疊濾波器。為了完善該架構，有一個開關矩陣多路復用器，它允許來自多個內部或外部源的多個信號連接到 ADC。這樣，除了主要的阻抗測量功能外，還可以執行準確的系統診斷來驗證儀器的全部功能。和一個可編程的抗混疊濾波器。為了完善該架構，有一個開關矩陣多路復用器，它允許來自多個內部或外部源的多個信號連接到 ADC。這樣，除了主要的阻抗測量功能外，還可以執行準確的系統診斷來驗證儀器的全部功能。 

圖 4 顯示了 AD5940 的連接，用於四線配置的人體絕對阻抗測量。對於這種類型的測量，使用高頻環路；可編程交流電壓發生器提供激勵信號。第二個發生器提供共模電壓——有助於正確測量。由人體阻抗產生的電流由跨阻放大器測量，並通過 16 位 ADC 進行轉換。該系統能夠測量高達 200 kHz 的頻率，並在 50 kHz 時提供 100 dB 的信噪比 (SNR)。數字數據被發送到硬件加速器以提取感興趣的數量；即阻抗的實部和虛部。 

圖 4. 用於生物電阻抗分析的 AD5940 的四線連接。 

作為醫療設備，生物阻抗分析儀必須符合 IEC 60601 標準。該標準對可施加於人體的電壓和電流進行了限制。出於這個原因，提供了一個電阻 R limit來限制最大電流和四個耦合電容器 C iso X 以防止將直流分量施加到人體上。 

結論 

生物阻抗測量是一種多功能、快速、非侵入性和低成本的工具，用於評估人體成分和診斷某些類型的疾病。由於使用了 AD5940 等器件，當前的技術能夠實現緊湊、高性能、低功耗的可電池供電的生物阻抗分析儀。AD5940 的集成度、小尺寸和低功耗特性也使其特別適合可穿戴應用。