基于阻抗测量与蓝牙技术的水肿监护系统的研制

喻聪龙，赵兴群

东南大学 生物科学与医学工程学院，江苏 南京 210096

基于阻抗测量与蓝牙技术的水肿监护系统的研制

喻聪龙，赵兴群

东南大学 生物科学与医学工程学院，江苏 南京 210096

人体水肿通常能够预示多种内部的疾病，如高血压、糖尿病、充血性心脏病等。本文介绍了一种实时监护身体健康状态（尤其是老年人）的水肿监护系统的设计。 系统采用四电极测量法测量人体阻抗，通过人体阻抗值评估人体水肿状态，从而达到间接监护人体健康的目的；采用蓝牙4.0低功耗无线技术，将采集、分析、处理过的相关数据实时传送、显示、存储到移动电子设备（如智能手机）。与临床系统相比，该水肿监护系统具有便携、实时的优势。

阻抗测量；蓝牙技术；水肿监护；四电极测量法；移动医疗

0 前言

水肿是指血管外的组织间隙中有过多的体液积聚，是一种常见的病理过程。水肿通常会预示着一些内部的疾病，如高血压、糖尿病、充血性心脏病等疾病。因此，对水肿的检测在临床中有着重要的意义。当疾病发生时,相关组织与器官的功能性病变往往会先于器质性病变及其它临床症状发生,如能在疾病的潜伏期或功能代偿期及时检测和确认这些变化,对于相关疾病的普查、预防和早期治疗将是非常有利的。生物电阻抗技术的生理信息丰富、无创、安全等特点，使得其在临床预防和监测方面有着很广的应用，因此，生物电阻抗测量系统，对于水肿相关病情的及时发现和诊断有着重要的意义。

近年来，移动医疗逐渐兴起，成为疾病管理、健康行为评估、健康行为干预的重要领域[1]。根据全球移动通信系统协会发布报告预测和艾媒咨询的数据则显示，到2017年底，全球移动医疗市场的发展规模将到达230亿美元，而中国移动医疗市场收入也将突破百亿元,其中可穿戴便携医疗设备市场销售规模将近50亿元。随着智能手机的普及，医疗数据将逐渐集中到智能手机终端平台，实现存储和远程诊断。随着生理传感器和无线通信市场以及云平台的成熟，每个家庭将自己的智能手机或平板电脑作为生理参数的监护中心，将成为必然的趋势。

本课题设计的水肿监护系统，能够将采集、分析、处理过的水肿阻抗数据在智能手机上显示、存储，这对于该监护系统的便携化、实时性的实现以及普及推广具有重要意义。

1 生物阻抗和水肿研究现状

在国外，Hoe等人[2]通过对子宫颈阻抗的测量来鉴别早产（2004）；Mellert，F等人[3]采用电生物阻抗进行心肌局部缺血的诊断（2011）；Kristie L.Bell等人[4]通过生物电阻抗评估脑性瘫痪儿童的全身含水量（2012）；Kristina Norman等[5]利用生物电阻抗分析对人体进行营养评估和监测（2012）；Zina Maria等人[6]通过生物电阻抗，尤其是容抗参数来预测败血性休克和器官功能障碍在儿童体内的演化（2013）。在国内，陆骏等人[7]利用生物阻抗法进行心排血量的测量（2006）,李章勇等人[8]利用生物阻抗技术进行消化不良和胃动力方面的研究（2009）；丁强等人[9]利用生物阻抗进行肉制品品质的检测(2009)。目前，对水肿的研究主要集中于脑部水肿血肿方面，如Mingxin Qin[10]利用FDTD方法鉴别脑部水肿;其他的水肿研究有利用短期倒谱分析进行声带水肿的检测[11]等。对于下肢水肿检测的研究较少，Fontaine,C[12]利用光电感应装置进行水肿程度的检测；Michael Mimouni[13]等人利用断层扫描研究黄斑囊样水肿病人的黄斑体积参数与视敏度的关系。Chia-Wen Chiang[14]等用磁共振成像技术定量血管性水肿中的白质束扩散参数，但是这样的方法是在器质性病变发生之后才能进行检测的，这样就不能进行疾病的早期检测，而生物阻抗技术能反应组织的功能性病变，对疾病的早期检测有着重要的意义。

2 系统硬件设计

系统主要由控制芯片、DDS信号发生、信号放大处理、信号检测和无线通信5个模块组成，见图1。

图1 系统硬件框图

2.1 微处理器模块

根据系统的低功耗和稳定处理数据能力的需要，微处理器单元采用TI公司的cc2540芯片。该芯片的功能十分强大，除了满足CPU对其他各个模块的控制、数据传输的要求，还能实现信号的采集、处理以及无线传输。其丰富的I/O资源更能为其他模块的加入整合提供了可能，方便了产品的升级、扩展，使产品具有更好的功能集成性。

2.2 DDS信号发生模块

直接数字频率合成（DDS）技术的诞生，使信号发生器有了进一步的飞跃。系统采用TI公司的AD9838芯片构成DDS信号发生模块，其主要作用是通过向人体注入合适的正弦电流信号来进行阻抗测量。

系统中的信号发生器由DDS芯片AD9838、缓冲放大、低通滤波等三个部分组成，为输出平滑的正弦信号提供了保证。

2.3 信号处理模块和信号检测模块

信号处理模块主要由OPA4344和INA2322芯片构成，其功能是对要测量的阻抗信号进行多级放大处理，便于之后的信号测量采样。

信号检测模块则是以 AD8032芯片为核心构建而成的电路模块。AD8302主要有测量、控制和电平比较3种工作方式，本文使用它的测量模式，幅相测量电路主要由输入缓冲、AD8302两部分组成。

2.4 无线通信模块

无线通信模块采用TI公司推出的CC2540芯片进行无线通信。CC2540集成了2.4 GHz射频收发器，是一款完全兼容8051内核的无线射频单片机，它与蓝牙低功耗4.0协议栈共同构成高性价比、低功耗的片上系统解决方案，非常适合蓝牙低功耗应用。

3 系统软件设计

系统软件的功能主要分为DDS驱动、系统的软件校准、Cole模型和人体阻抗等效模型参数的求取、蓝牙数据的传输以及手机客户端的监护。

3.1 DDS驱动

DDS驱动系统AD9838的操作采用并行模式，在并行模式下寄存器的操作是通过8位总线实现的。通过反复进行5次写操作将40位字频率控制字写入寄存器，可以控制生成具有不同频率的正弦信号，为本系统实现多频条件下测量人体阻抗提供了基础。

3.2 系统校准

由于芯片、电阻、电容等模拟器件的性能和参数与理想器件状态间的差异，并且AD8302在低频部分使用时本身存在误差，因此，系统需要进行校准。

系统校准采用最小二乘法进行线性回归拟合，从而得到各频率点的斜率和截距两个值，斜率用mV/dB表示，截距为回归直线外延与水平轴的交点。

设（xi,yi）（i=1，2，3….，n）为取得的一组测量数据，则回归函数为：

样本回归直线为：

在20 kHz处对系统实测数据拟合的结果，见图2，（a）图为对幅值的拟合，得到ȃ =30.7，bˆ =923.9；（b）图为对相位的拟合，ȃ =-10.8，bˆ =843.7。

即有

这样根据公V式（7）（8）即可较精确的求出待测阻抗的幅值和相位信息。再用同样的方法分别对其他频率点进行校准。

图2 20 kHz时人体阻抗幅值和相位数据的拟合

3.3 Cole模型参数和人体阻抗等效模型参数的求取[15-16]

建立生物组织内单细胞的等效电路模型（图3a），其中Re是细胞外液的电阻，Ce是细胞外液并联电容；Ri是细胞内液的电阻，Ci是细胞内液并联电容；Rm是细胞膜的电阻，Cm是细胞膜并联电容。在低频范围内（低于1MHz）,细胞膜的漏电阻Rm很大，可视为开路，故可得到简化等效电路模型（图3b）所示的，其中Ri代表整个生物组织内细胞内液的电阻， Re代表整个生物组织内细胞外液的电阻，Cm代表整个生物组织内细胞膜并联电容。

图3 生物组织等效电路模型

由图3(b)所示的模型可以推导电阻抗方程为：

根据Cole的分析，实际生物电阻抗在复平面的轨迹是第四象限的一段圆弧，并非半圆，圆心在第一象限，称为阻抗圆图或Cole-Plot,其圆心位于实轴以下，由此提出了Cole-Cole电阻抗特征方程

其 中，τ=(Ri+Re)Cm，R0=Re，R∞=RiRe/(Ri+Re)。Cole-Cole电阻抗特征方程含有4个参数τ、R0、R∞、α，其中τ代表时间常数，R0代表频率为0处的电阻抗，R∞代表频率为∞处的电阻抗，α为松弛因子，一般在0～1之间取值，其大小决定圆心的位置。本系统将最小二乘拟合法应用于Cole-Cole圆图拟合，得到理论圆心坐标（a,b）及半径R，进而得出τ、R0、R∞、α。

然后根据Cole-Cole模型与阻抗方程(9)式的关系可以得到模型中的参数量：

3.4 蓝牙数据的传输

蓝牙数据传输模块实现的软件平台为IAR Embedded Workbench。硬件基础则采用了cc2540芯片内部集成的蓝牙模块。检测模块采集到的模拟信号，经过A/D转换、算法处理后得到数字信号，蓝牙模块以及外配的陶瓷天线将信号手机客户端。cc2540内部蓝牙模块采用了4.0低功耗技术，使用它进行数据的无线传输，既节省了硬件资源，又满足了系统低功耗、节能的要求。

3.5 手机客户端的监护

手机客户端接收系统处理、传输过来的无线数据。并在配套的手机客户端APP上显示（图4）。绿色、蓝色线分别代表了人体阻抗的幅值和相位的变化情况，十分清晰易懂，便于受试者直接观察以及后期的数据收集和处理。

4 总结与展望

本文在研究生物阻抗和水肿发展背景的基础上，基于蓝牙4.0技术，设计一套生物阻抗测量系统。此后，利用本系统进行水肿监护的初步研究。在数名受试者静坐模拟腿部水肿过程中记录阻抗值，研究阻抗和水肿时间的关系，并比较不同频率间阻抗变化区别。在此基础上进行多频测量，利用最小二乘法进行Cole模型拟合，并结合阻抗方程，寻找水肿程度检测的参数。

由于整个系统设计到的功能模块较多，并且只利用系统做了初步试验，所以后期还需要做以下工作：

（1）由于系统本身电路结构的限制，使其在低频部分的测量精度不是很高，必须对系统中各单元电路作进一步调整，以提高系统的测量精度。

（2）水肿的实验对象仅是健康的男性，并没有进行正常人群和水肿病人之间阻抗的对比。

（3）系统的界面不够人性化，参数提取等算法有待优化，如Leigh C Ward等人提出仅利用四个频率点的幅值来拟合Cole模型。

（4）后期需要构建人体阻抗数据库、搭建客户端与专家间的通信平台。人体阻抗数据库可以实时接收、存储客户端阻抗数据，以便于专家提取信息，并及时提供专业建议给客户端，从而实现身体健康状态（尤其是老年人）的实时、有效监护。

图4 在Android智能手机客户端显示阻抗数据

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Development of Edema Monitoring System Based on Impedance Measurement and Bluetooth Technology

YU Cong-long, ZHAO Xing-qun
School of Biological Science and Medical Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096, China

Human body edema can often indicate a variety of internal diseases, such as high blood pressure, diabetes, congestive heart. In this paper, the design of an edema monitoring system used to monitor health condition (especially the elderly) in real time is introduced. The system adopts four electrode method to measure body impedance, and assesses human body edema state through the body impedance values, such monitoring the state of human health indirectly. The system collects, analyzes and processes the relevant data, and then transmits, displays, stores them to mobile electronic devices (such as smart phones) in time. Compared with the clinical system, the edema monitoring system has the advantages of being portable and real-time.

impedance measurement; bluetooth technology; edema monitoring; four electrode method; mobile health care

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.01.005

1674-1633(2015)01-0019-04

2014-10-05

江苏省产学研联合创新基金（BY2014127-04）

作者邮箱：ndt@seu.edu.cn