生物电阻抗分析监测疾病的临床状态和诊断
生物组织的电特性根据电力来源分为主动或被动。我们谈论当生物组织由于细胞内的离子而产生电能时的主动反应。这些电信号被称为生物电势，最著名的例子可以在心电图和脑电图中找到。当生物组织对外部电刺激（如电流或电压发生器）作出反应时，这种反应是被动的。在这种情况下，我们正在处理生物阻抗。
生物电阻抗分析
生物电阻抗分析是一种用于测量人体成分和评估临床状况的低成本、无创技术。生物阻抗是一个复数，由电阻值 R（实部）和电抗值 Xc（虚部）（主要是由于细胞膜产生的电容）组成。阻抗也可以表示为一个向量，模块 | Z | 和相位角φ。相位角在确定身体的组成方面起着基本作用。
横截面积为 S 和长度为 l 的导体的电阻 R 和距离为 d 的表面积为 S 的平板平行板电容器的电容 C 由以下等式给出：
从公式 4 和公式 5 可以看出，电阻和电容取决于几何参数（长度、距离和表面积），这意味着它们与所采用的测量系统和物理参数相关；即电阻率 ρ 和介电常数 ε，它们与待测材料（在本例中为生物组织）的类型密切相关。图 1 显示了生物阻抗和用于测量它的仪器的简化电气模型。RE考虑了细胞外液的阻力，RI代表细胞内液的阻力，Cm是细胞膜的电容。仪器与人体之间的连接是通过施加在皮肤上的电极实现的。仪器向电极提供激励电压并测量产生的电流。激励信号通过连接到下游驱动器的数模转换器 （DAC） 产生；DAC 由微控制器编程，以设置信号的幅度和频率。对于电流测量，使用跨阻放大器 （TIA），连接到高分辨率模数转换器 （ADC） 以进行精确测量。采集的数据由系统微控制器处理，提取分析所需的信息。对于电流测量，使用跨阻放大器 （TIA），连接到高分辨率模数转换器 （ADC） 以进行精确测量。采集的数据由系统微控制器处理，提取分析所需的信息。对于电流测量，使用跨阻放大器 （TIA），连接到高分辨率模数转换器 （ADC） 以进行精确测量。采集的数据由系统微控制器处理，提取分析所需的信息。
图 1. 生物阻抗测量系统框图。
对于生物阻抗测量，人体分为五个部分：两个上肢、两个下肢和躯干。这种区别对于理解所使用的测量方法很重要。最常见的是手对脚、脚对脚和手对手。
在生物电阻抗分析 （BIA） 测试期间需要考虑多个因素，包括人体测量参数；即身高、体重、皮肤的厚度和体型。其他因素包括性别、年龄、种族，以及——尤其是——患者的健康状况；也就是说，任何营养不良或脱水。如果不考虑这些因素，测试结果可能会失真。测量结果的解释是基于统计数据和考虑了这些不同因素的方程。
人体的组成
在研究身体成分时，我们参考三室模型，其中包括以下内容：
脂肪量
细胞团
细胞外质量
图 2 说明了这些概念，从众所周知的两室模型的瘦体重（无脂肪体重）和脂肪质量术语开始。脂肪量有两种成分，必需脂肪和储存脂肪。瘦体重分为由蛋白质质量和细胞内水组成的体细胞质量，以及由细胞外水和骨质量组成的细胞外质量。最后一个参数是确定水合程度的基础，是由细胞内和细胞外水的总和给出的总体水。
从电学的角度来看，细胞内和细胞外的电解溶液表现得像良导体，而脂肪和骨组织是不良导体。
图 2. 人体的组成。
生物阻抗测量技术
用于测量生物阻抗的最广泛的技术在激发信号频率的使用上有所不同。最简单的仪器基于固定频率的测量（单频生物电阻抗分析，或 SF-BIA），一些采用多频系统（多频生物电阻抗分析，或 MF-BIA），最复杂的仪器执行在一定频率范围内的真实光谱（生物阻抗光谱，或 BIS）。对结果的评估也有不同的技术，其中生物电阻抗矢量分析和实时分析是最重要的。
在SF-BIA仪器中，注入人体的电流频率为50 kHz；该操作基于测量的阻抗与全身水（TBW）之间的反比关系——阻抗的导电部分——依次由细胞内水（ICW）和细胞外水（ECW）组成。这种技术在正常水合作用条件下的受试者中提供了良好的结果，而在水合作用强烈改变的受试者中失去了有效性，这首先是由于评估 ICW 变化的能力有限。
MF-BIA 技术通过在低频和高频下进行测量，克服了 SF-BIA 的局限性。低频测量允许更准确地估计 ECW，而在高频处，获得 TBW 的估计。ICW 由两个估计值之间的差异给出。然而，这种技术也并不完美，并且在估计受疾病影响的老年人群的体液方面存在局限性。
最后，BIS 基于零频率下的阻抗测量，根据图 1 的模型，该阻抗是细胞外液引起的电阻 RE，并且在无限频率下，即 RE 与 RI 平行。在这两个极端频率下，细胞膜引起的电容表现为开路或短路。中频测量提供与电容值相关的信息。BIS 提供比其他技术更详细的信息，但在这种情况下，测量需要更长的时间。
生物阻抗矢量分析（生物电阻抗矢量分析，或BIVA）是一种基于生物阻抗绝对测量的人体健康评估技术。它使用了一个图表，该图表显示了阻抗的矢量表示，其中横坐标显示了电阻值，纵坐标显示容抗值，这两个值都相对于患者的身高进行了标准化。该方法基于三个公差椭圆的公式：50%、75% 和 95%。50% 的公差椭圆定义了具有平均身体成分的人群。沿着椭圆的水平轴移动，右侧识别出瘦体重百分比较低的个体，反之亦然；也就是说，在左侧识别出瘦体重百分比高的那些。
图 3. 生物电阻抗矢量—分析公差椭圆。
观察人体成分的波动——例如，去脂体重、脂肪量和全身水分与正常值的偏差——是确定患者健康状况的关键因素。瘦体重的显着减少和体液的不平衡是用于疾病诊断的主要参数。今天，生物电阻抗分析被用作诊断人体以下系统疾病的辅助手段：
肺系统
肺癌
肺水肿
心血管系统
手术后积液
循环系统
血管内容量
低钠血症
补水
肾系统
血液透析
干重评估
神经系统
阿尔茨海默氏病
神经性厌食症
肌肉系统
训练期间身体成分的演变
免疫系统
HIV感染者的评估
癌症患者的评估
登革热
ADI 公司拥有广泛的阻抗分析产品组合，包括 ADuCM35x 等器件，这是一种专为阻抗谱设计的高度集成的片上系统 （SoC）。最近向市场推出的 AD5940 是一款高精度、低功耗模拟前端，非常适合便携式应用。AD5940专为测量生物阻抗和皮肤电导率而设计由两个激励回路和一个公共测量通道组成。第一个激励回路能够产生最大频率为 200 Hz 的信号，并可配置为恒电位仪，用于测量不同类型的电化学电池。基本组件是一个双输出 DAC、一个提供激励信号的精密放大器和一个用于电流测量的跨阻放大器。该环路工作在低频下，功耗低，因此也称为低功耗环路。第二个环路具有类似的配置，但能够处理高达 200 kHz 的信号；因此，它被称为高速回路。该器件配备了一个带有 16 位、800 kSPS SAR 型 ADC 的采集通道和一个位于转换器上游的模拟信号处理链，其中包括一个缓冲器、可编程增益放大器 （PGA） 和可编程抗混叠滤波器。为了完善该架构，有一个开关矩阵多路复用器，它允许来自多个内部或外部源的多个信号连接到 ADC。这样，除了主要的阻抗测量功能外，还可以执行准确的系统诊断来验证仪器的全部功能。
图 4 显示了 AD5940 的连接，用于四线配置的人体绝对阻抗测量。对于这种类型的测量，使用高频环路；可编程交流电压发生器提供激励信号。第二个发生器提供共模电压——有助于正确测量。由人体阻抗产生的电流由跨阻放大器测量，并通过 16 位 ADC 进行转换。该系统能够测量高达 200 kHz 的频率，并在 50 kHz 时提供 100 dB 的信噪比 （SNR）。数字数据被发送到硬件加速器以提取感兴趣的数量；即阻抗的实部和虚部。
作为医疗设备，生物阻抗分析仪必须符合 IEC 60601 标准。该标准对可施加于人体的电压和电流进行了限制。出于这个原因，提供了一个电阻 Rlimit 来限制最大电流和四个耦合电容器 CisoX，以防止直流分量施加到人体上。
图 4. 用于生物电阻抗分析的 AD5940 的四线连接。
结论
生物阻抗测量是一种多功能、快速、非侵入性和低成本的工具，用于评估人体成分和诊断某些类型的疾病。由于使用了 AD5940 等器件，当前的技术能够实现紧凑、高性能、低功耗的可电池供电的生物阻抗分析仪。AD5940 的集成度、小尺寸和低功耗特性也使其特别适合可穿戴应用。
审核编辑：郭婷
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