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生物電阻抗分析在疾病臨床監(jiān)測(cè)和診斷中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間:2020-03-02 來(lái)源:作者:ADI現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師 Cosimo Carriero 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】生物組織的電特性按照電信號(hào)來(lái)源可分為主動(dòng)和被動(dòng)兩類(lèi)。如果生物組織的電流由細(xì)胞內(nèi)部的離子產(chǎn)生,我們稱(chēng)之為主動(dòng)響應(yīng)。這些電信號(hào)稱(chēng)為生物電位,最為人所熟知的例子就是心電圖和腦電圖信號(hào)。如果生物組織對(duì)外部電刺激(例如電流或電壓發(fā)生器)做出響應(yīng),則該響應(yīng)為被動(dòng)的。在這種情況下,我們需要考慮生物電阻抗。
生物電阻抗分析
生物電阻抗分析是一種用來(lái)測(cè)量人體組成和評(píng)估臨床狀況的低成本、非侵入技術(shù)。生物阻抗是一個(gè)由電阻值R(實(shí)數(shù)部分)和電抗值Xc(虛數(shù)部分)組成的復(fù)數(shù),前者主要由人體內(nèi)的水分總量所致,后者主要是由細(xì)胞膜產(chǎn)生的電容所致。該阻抗也可以用模為| Z |、相位角為φ的矢量來(lái)表示。相位角在確定人體組成方面起主要作用。
(1)
(2)
(3)
橫截面積為S、長(zhǎng)度為l的導(dǎo)體的電阻R,以及表面積為S、距離為d的平行板電容的容值C由以下公式給出:
(4)
(5)
從公式4和公式5中可以看出,電阻和電容取決于幾何參數(shù)(長(zhǎng)度、距離和表面積),這意味著它們與采用的測(cè)量系統(tǒng)和物理參數(shù)有關(guān);也就是說(shuō),電阻率ρ和介電常數(shù)ε與待測(cè)材料的類(lèi)型(在本示例中為生物組織)密切相關(guān)。圖1顯示了一個(gè)生物阻抗及其測(cè)量?jī)x器的電特性簡(jiǎn)化模型。RE考慮的是細(xì)胞外液的電阻,RI代表細(xì)胞內(nèi)液的電阻,Cm是細(xì)胞膜的電容。儀器與人體之間的連接通過(guò)置于皮膚上的電極實(shí)現(xiàn)。儀器向電極提供激勵(lì)電壓并測(cè)量產(chǎn)生的電流。激勵(lì)信號(hào)通過(guò)連接到后端驅(qū)動(dòng)器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生。通過(guò)微控制器對(duì)DAC進(jìn)行編程,從而可設(shè)置信號(hào)幅度和頻率。對(duì)于電流測(cè)量,則采用跨阻放大器(TIA),將其連接到高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。使用系統(tǒng)微控制器處理采集到的數(shù)據(jù),從中提取分析所需的信息。
圖1.生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)框圖。
在生物阻抗測(cè)量中,將人體分為五個(gè)部分:兩個(gè)上肢、兩個(gè)下肢和軀干。這樣區(qū)分對(duì)于理解所使用的測(cè)量方法很重要。最常見(jiàn)的是手到腳、腳到腳和手到手。
在生物電阻抗分析(BIA)測(cè)試過(guò)程中,需要考慮多個(gè)因素,包括人體測(cè)量參數(shù);即身高、體重、皮膚厚度和體型。其他因素包括性別、年齡、族群以及(尤其是)患者的健康狀況;即任何營(yíng)養(yǎng)不良或脫水。如果不考慮這些因素,測(cè)試結(jié)果可能會(huì)失真。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和考慮了上述各種因素的公式來(lái)解讀測(cè)量結(jié)果。
人體組成
在研究人體組成時(shí),我們引用三室模型,其中包括:
● 脂肪體質(zhì)量
● 細(xì)胞質(zhì)量
● 細(xì)胞外質(zhì)量
圖2從眾所周知的二室模型瘦體質(zhì)量(去脂體質(zhì)量)和脂肪體質(zhì)量開(kāi)始,解釋說(shuō)明了這些概念。脂肪體質(zhì)量有兩個(gè)組成部分,即必需脂肪和儲(chǔ)存脂肪。瘦體質(zhì)量分為人體細(xì)胞質(zhì)量(由蛋白質(zhì)質(zhì)量和細(xì)胞內(nèi)水分組成)和細(xì)胞外質(zhì)量(由細(xì)胞外水分和骨質(zhì)量組成)。最后一個(gè)參數(shù)是確定含水量的基礎(chǔ),是由細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外水分的總和得到的人體水分總量。
從電特性角度來(lái)看,細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外電解溶液的行為就像是良導(dǎo)體,而脂肪和骨骼組織則是不良導(dǎo)體。
圖2.人體組成
生物阻抗測(cè)量技術(shù)
運(yùn)用廣泛的各種生物阻抗測(cè)量技術(shù)在使用激勵(lì)信號(hào)的頻率方面有所不同。最簡(jiǎn)單的儀器是基于固定頻率測(cè)量(單頻生物電阻抗分析或SF-BIA),有些儀器采用多頻率系統(tǒng)(多頻生物電阻抗分析或MF-BIA),而最復(fù)雜的儀器則在一定頻率范圍內(nèi)執(zhí)行實(shí)際頻譜測(cè)量(生物阻抗頻譜或BIS)。評(píng)估結(jié)果的技術(shù)也有很多種,其中最重要的是生物電阻抗矢量分析和實(shí)時(shí)分析。
在SF-BIA儀器中,注入人體的電流頻率為50 kHz;這是基于所測(cè)得的阻抗與人體水分總量(TBW)(阻抗的導(dǎo)電性部分)之間成反比關(guān)系,而人體水分總量由細(xì)胞內(nèi)水分(ICW)和細(xì)胞外水分(ECW)組成。這項(xiàng)技術(shù)針對(duì)含水量正常的測(cè)試對(duì)象可以提供良好的結(jié)果,而對(duì)于含水量發(fā)生了劇烈改變的測(cè)試對(duì)象,由于該技術(shù)評(píng)估ICW變化的能力有限,因此會(huì)喪失其有效性。
MF-BIA技術(shù)通過(guò)在低頻和高頻下執(zhí)行測(cè)量來(lái)克服SF-BIA的局限性。低頻測(cè)量允許對(duì)ECW進(jìn)行更準(zhǔn)確的估算,而在高頻下則可獲得TBW的估值。由兩個(gè)估值的差得出ICW。然而,該技術(shù)也并非十全十美,它在對(duì)患有疾病的老年人群進(jìn)行體液估算時(shí)顯示出局限性。
最后,BIS基于阻抗測(cè)量,根據(jù)圖1的模型,該阻抗在零頻率下是由細(xì)胞外液產(chǎn)生的電阻RE,而在無(wú)窮大頻率下則是RE與RI的并聯(lián)。在這兩個(gè)極端頻率下,由細(xì)胞膜產(chǎn)生的電容表現(xiàn)為開(kāi)路或短路。中頻測(cè)量提供與電容值有關(guān)的信息。BIS相比其他技術(shù)可提供更多的詳細(xì)信息,但是在這種情況下,測(cè)量需要更長(zhǎng)的時(shí)間。
生物阻抗矢量分析(生物電阻抗矢量分析或BIVA)是一種基于生物阻抗絕對(duì)值測(cè)量的人體健康評(píng)估技術(shù)。它使用一個(gè)圖形來(lái)顯示阻抗的矢量表示,其中橫坐標(biāo)軸顯示電阻值,而縱坐標(biāo)軸顯示容性阻抗值,這兩個(gè)值均按照患者的身高設(shè)定了基準(zhǔn)。該方法基于3個(gè)公差橢圓的公式:50%、75%和95%。50%的公差橢圓定義了具有人體組成平均值的人群。沿著橢圓的水平軸移動(dòng),在右側(cè)可識(shí)別出瘦體質(zhì)量百分比較低的個(gè)體,反之亦然;也就是說(shuō),在左側(cè)識(shí)別出的是瘦體質(zhì)量百分比較高的個(gè)體。沿著垂直軸移動(dòng)可確定含水量,趨向橢圓上半部分代表低于標(biāo)準(zhǔn)水平,而橢圓的下半部分則高于標(biāo)準(zhǔn)水平。
圖3.生物電阻抗矢量-分析公差橢圓。
觀(guān)察人體組成的波動(dòng)(例如,與瘦體質(zhì)量、脂肪體質(zhì)量和人體水分總量正常值的偏差)是確定患者健康狀況的關(guān)鍵因素。瘦體質(zhì)量明顯減少和體液失衡都是診斷疾病時(shí)使用的主要參數(shù)。當(dāng)前,生物電阻抗分析已用于診斷以下人體系統(tǒng)疾?。?/div>
● 肺系統(tǒng)
■肺癌
■肺水腫
● 心血管系統(tǒng)
■術(shù)后積液
● 循環(huán)系統(tǒng)
■血管內(nèi)容積
■低鈉血癥
■水合作用
● 腎臟系統(tǒng)
■血液透析
■評(píng)估干重
?神經(jīng)系統(tǒng)
■阿爾茨海默氏病
■神經(jīng)性厭食癥
● 肌肉系統(tǒng)
■訓(xùn)練期間身體組成的變化
● 免疫系統(tǒng)
■艾滋病病毒感染者評(píng)估
■癌癥患者評(píng)估
■登革熱
AD5940,一款靈活的高精度模擬前端
ADI公司具有廣泛的阻抗分析產(chǎn)品組合,包括ADuCM35x等器件,ADuCM35x是專(zhuān)為阻抗頻譜設(shè)計(jì)的高度集成的片內(nèi)系統(tǒng)(SoC)。最近投放市場(chǎng)的AD5940是一款高精度、低功耗模擬前端,非常適合便攜式應(yīng)用。AD5940專(zhuān)為測(cè)量生物阻抗和皮膚電導(dǎo)率而設(shè)計(jì),由兩個(gè)激勵(lì)環(huán)路和一個(gè)通用測(cè)量通道組成。第一激勵(lì)環(huán)路能夠產(chǎn)生最大頻率為200 Hz的信號(hào),并且可以配置為恒電勢(shì)器,用于測(cè)量不同類(lèi)型的電化學(xué)電池。其基本組件包括一個(gè)雙輸出DAC、一個(gè)可提供激勵(lì)信號(hào)的精密放大器以及一個(gè)用于測(cè)量電流的跨阻放大器。該環(huán)路在低頻率下工作,功耗低,因此也稱(chēng)為低功耗環(huán)路。第二個(gè)激勵(lì)環(huán)路具有類(lèi)似的配置,但能夠處理最高200 kHz的信號(hào),因此稱(chēng)之為高速環(huán)路。該器件配備了一個(gè)采集通道,內(nèi)置一個(gè)16位、800 kSPS SAR型ADC和轉(zhuǎn)換器模擬信號(hào)處理鏈前端,其中包括一個(gè)緩沖器、一個(gè)可編程增益放大器(PGA)和一個(gè)可編程抗混疊濾波器。為了完善該架構(gòu),采用了一個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣復(fù)用器,它允許將來(lái)自多個(gè)器件內(nèi)部或外部信號(hào)源的多個(gè)信號(hào)連接到ADC。這樣,除了主要的阻抗測(cè)量功能外,還可以執(zhí)行準(zhǔn)確的系統(tǒng)診斷以驗(yàn)證儀器的全部功能。
圖4顯示了采用四線(xiàn)配置將AD5940用于人體絕對(duì)阻抗測(cè)量的連接方式。對(duì)于這種類(lèi)型的測(cè)量,使用高頻環(huán)路;可編程交流電壓發(fā)生器提供激勵(lì)信號(hào)。第二個(gè)發(fā)生器可提供共模電壓,以實(shí)現(xiàn)正確測(cè)量。通過(guò)跨阻放大器測(cè)量由人體阻抗產(chǎn)生的電流,并采用16位ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)能夠在最高200 kHz的頻率下進(jìn)行測(cè)量,在50 kHz下可提供100 dB的信噪比(SNR)。將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到硬件加速器以提取所需數(shù)值;即阻抗的實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分。
作為醫(yī)療設(shè)備,生物阻抗分析儀必須符合IEC 60601標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了可施加于人體的電壓和電流限值。為此,這款器件提供了一個(gè)電阻Rlimit來(lái)限制最大電流,并提供了四個(gè)耦合電容CisoX,以防止將直流分量施加于人體上。
圖4.AD5940用于生物電阻抗分析的四線(xiàn)連接。
結(jié)論
生物阻抗測(cè)量是一種快速無(wú)創(chuàng)評(píng)估人體組成和診斷某些類(lèi)型疾病的低成本通用方法。由于使用AD5940等器件,當(dāng)前的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)緊湊、高性能、低功耗的生物阻抗分析儀,并且該分析儀可以使用電池供電。AD5940的高集成度、小尺寸和低功耗特性也使其特別適合可穿戴應(yīng)用。
作者簡(jiǎn)介
Cosimo Carriero于2006年加入ADI公司,擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師,為戰(zhàn)略和關(guān)鍵客戶(hù)提供技術(shù)支持。他擁有意大利米蘭Università degli Studi的物理學(xué)碩士學(xué)位。他過(guò)去的經(jīng)歷包括:在意大利核物理研究所(INFN)定義和開(kāi)發(fā)核物理實(shí)驗(yàn)儀器,與小公司合作開(kāi)發(fā)工廠(chǎng)自動(dòng)化傳感器和系統(tǒng),以及在Thales Alenia Space擔(dān)任衛(wèi)星電源管理系統(tǒng)高級(jí)設(shè)計(jì)工程師。聯(lián)系方式:cosimo.carriero@analog.com。
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