根據人體的電阻抗特性與體成分之間存在統(tǒng)計關系，通過檢測相應的電阻抗及其變化，依據生物電阻抗分析法，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、病理狀況相關的生物醫(yī)學信息的檢測技術，是人體健康檢查的重要內容之一。
中圖分類號：TM934.73 文章編號：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裝置的設計[J].集成電路應用, 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)計關系。鑒于人們生活對健康的需求，適用于家庭的人體健康狀況檢測儀受到越來越多的重視，結合現代生物醫(yī)學工程技術的發(fā)展情況和信息技術的發(fā)展成果，我們對一種生物電阻抗家庭健康檢測裝置開展研究。“生物電阻抗家庭健康檢測裝置”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)的各個家庭，住戶個人可以按照約定時間自主完成自身生物電阻抗測量，通過社區(qū)的無線通信網絡，將測量結果自動傳遞到社區(qū)公共健康檢測中心，由檢測中心統(tǒng)一進行信息處理、保存和管理。該系統(tǒng)的最終目標是實現一套社區(qū)公共健康檢測及信息管理輔助系統(tǒng)。
2 關鍵問題
根據生物電阻抗測量采集和信息管理需要，該生物電阻抗家庭檢測裝置，包括激勵電源生成、電阻抗檢測與轉換、計算處理、電阻抗顯示、按鍵輸入、無線通信接口等部分，系統(tǒng)設計需要解決的關鍵問題包括：（1）激勵電源生成：生成激勵電源恒流信號，通過電極給人體施加激勵信號，以便經過人體流動形成測量所需的電信號。（2）電阻抗檢測與轉換：實時提取測量電極的輸入信號，先進行濾波、放大、整形等處理，并將模擬信號轉換為數字信號，然后送至處理機進行處理。（3）計算處理：按照設定的時間間隔實時采集生物電阻抗信息，設計電阻抗算法，根據所測量信息計算出電阻抗值。（4）電阻抗顯示：顯示由處理機在規(guī)定時間段內多次測量的平均電阻抗值，包括檢測裝置上的液晶顯示和社區(qū)公共健康檢測中心的測試結果顯示。（5）按鍵輸入：設置多個功能按鍵，處理機可以根據按鍵輸入設定相應測量功能。（6）無線通信接口：提供家庭檢測裝置和社區(qū)檢測中心之間的信息傳遞通道，通過無線網絡，把來自家庭檢測裝置處理機的電阻抗值，通過通信協(xié)議，送至社區(qū)公共健康檢測中心，以便為住戶個人健康檔案提供基礎數據。
3 系統(tǒng)方案
基于生物電阻抗技術的體成分測量方法是一種間接推算的過程，其準確性依賴于人體的成分模型。由于人體可以簡化為脂肪物質和非脂肪物質，非脂肪物質又可以分為水分、蛋白質和無機鹽。非脂肪組織具有比脂肪組織更小的電阻抗，當交流電加于人體時，電流將主要通過非脂肪組織。引起非脂肪組織導電的主要物質是電解質水，包括細胞內液和細胞外液。由于細胞膜電容的存在，在低頻情況下，細胞膜的容抗很大，電流基本上不能穿過細胞膜，只能通過細胞外液；隨著電流頻率的增加，細胞膜的容抗逐漸減小，通過細胞內路徑的電流的比例將隨之增大。
由于測量所得的是電壓降，通過計算得出電阻抗值 Z，該電阻抗包括了電極與被測阻抗間的接觸阻抗 Z1、Z2，即 Z＝U/I＝Z1＋Z2＋Zx，并且接觸阻抗會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測量電壓，只要電流恒定并且敏感電極對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裝置，基于四電極結構，以 50 kHz 正弦波為激勵，站立式測量腿對腿間的電阻抗。系統(tǒng)總體思路是：四電極結構由一對激勵電極和一對敏感電極組成，利用 MSP430 單片機控制生成 50 kHz 正弦波恒流信號；該信號通過與人體腳掌皮膚接觸的激勵電極對施加到被測人體上，形成被測人體等效電阻抗的電壓；利用敏感電極對所測量的電壓來計算被測人體腿對腿間的生物電阻抗，并在顯示單元顯示測量結果。
需要說明的是，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，可以用電阻值來近似代替阻抗。
（1）電極位置選擇。系統(tǒng)所用的四電極結構，通過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題，又可以忽略共模電壓。
（2）測量頻率。根據文獻[1]所提供的人體電阻抗譜圖和文獻[2]研究結果，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得到最大的體現，因此選 fc 作為測量頻率。通常人體特征頻率為 50 kHz。
（3）測量電路。系統(tǒng)以單片機為核心，總體框架如圖 1 所示。其工作過程如下：首先利用 MSP430 單片機的可編程時鐘輸出，產生 50 kHz 的方波信號，經過濾波電路后變成正弦電壓 Ui；借助電壓-電流轉換電路，轉換出幅值不超過 800μA 的恒流 I，經電極先后通過被測人體電阻 Rx 和標準電阻 Ro；由單片機控制多路選擇開關電路，分別選通被測電阻和標準電阻，經過差分放大器，將被測人體阻抗和標準電阻兩端的電壓降 Ux 和 Uo 送至整流電路，并經低通濾波器轉換成直流量 Ux 和 Uo；經 ADC 轉換器將 Ux 和 Uo 模數轉換的結果送給 MSP430 單片機，按照預定算法計算得到結果 Rx，并送至液晶顯示電路顯示和無線接口上傳。
（4）對外接口。① USB 接口：用于注冊信息寫入（小區(qū)編號+裝置編號等）。② 無線接口：用于家庭檢測裝置與健康檢測中心之間的數據傳遞。
（5）操作功能設計。設計按鍵輸入電路，用于功能選擇和操作（如同一裝置的不同個體）。① 功能鍵初步考慮：啟動鍵 GO 用于啟動檢測開始。設置鍵 SET 用于功能設置的進入和退出。選擇鍵 DAT 用于相關初始值的選擇。② 操作舉例：步驟 1 打開檢測裝置電源開關，液晶初始顯示“電阻抗值：0000”。步驟 2 第一次按下 SET 鍵，顯示“測量次數：XX”，XX 閃爍（默認上次設置值），此時每按一次 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“測量個體：0X”，X 閃爍（默認上次設置值），此時每按一次 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，退出設置狀態(tài)，顯示“電阻抗值：XXXX”（默認值 0000）。步驟 5 人體腳踩測量電極，按下 GO 鍵，電極加電裝置進入測量狀態(tài)，3 s 后顯示實際測量電阻抗值 XXXX，待所需測量次數完成后，提示音提示檢測結束，并通過無線接口發(fā)送給檢測中心。如果液晶能同時顯示 3 行不同值，并且“測量次數”和“測量個體”所顯示的正是被測人，則可以直接按下 GO 鍵進行檢測（即步驟 2，步驟 3，步驟 4 可以省略）。
4 結語
本系統(tǒng)針對社區(qū)家庭健康個人檢測問題，提出并設計了基于生物電阻抗的家庭健康檢測裝置系統(tǒng)，其創(chuàng)新點如下：（1）分析研究了人體健康和家庭檢測模式的需求，選擇了生物電阻抗作為日常觀測人體健康狀態(tài)的一項標準；（2）研究提出了人體生物電阻抗的檢測方法和實現方案；（3）設計實現了家庭健康檢測裝置的系統(tǒng)軟硬件方案。
參考文獻
[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的生物電阻抗測量系統(tǒng)[J].清華大學學報(自然科學版),2007(08):1330-1333.