基于八电极的生物电阻抗分析检测系统设计

单珂 刘照阳 王芳

摘要：精确采集人体生物电阻抗信号，是人体成分分析的重要基础。设计一套测量生物电阻抗系统，利用MSP430主控芯片控制恒流源产生50-300KHz激励电流信号，并通过电极施加于被测人体不同部位，采用八电极多频率阻抗采集法，通过乘法解调对生物三元模型的阻容模型进行测量。实验结果表明，应用不同频率的激励电流信号对同一人体进行测量，不同部位的阻抗值幅值以及偏移相角不同，应选取合适的频率，使测量值与理论值误差达到极小、测量系统精度达到最优。

关键词：生物电阻抗；八电极；乘法解调；多频率测量

DOIDOI：10.11907/rjdk.172856

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）008-0141-03

英文摘要Abstract：The basis of human component analysis is to accurately measure the biological electrical impedance value of human body.This article designed a set of bioelectrical impedance measurement system，using the MSP430 main control chipto control constant current source and produce 50-300 KHZ excitation current signal，and the electrode is applied on different parts of human body to be tested.Eight electrode impedance frequency acquisition method and the multiplication demodulation are employed to measure the resistance capacity model of the biological ternary model.The experimental results show that for the same measurement of bioelectrical impedance system，different exciting current frequency should be adopted to measure amplitude and phase angle，which comes closest to the measured value with the theoretical value and minimizes the error，therfore the precision of the measurement system can be achieved.

英文關键词Key Words：bioelectrical impedance；eight electrodes；multiplication demodulation；multi-frequency measurement

0 引言

人体成分分析是针对人体健康检测、体质分析的一门科学，通过采集人体的电阻抗信号，统计分析人体性能的各类指标参数，对比其正常范围参数，评定不同人群、不同个体的健康等级[1-2]。

根据生物电阻抗原理，人体不同组织注入不同电信号，反馈的电特性不同。向人体注入微弱电流信号采集人体不同部分的电阻抗值，分析得出人体不同的体成分信息，进而了解人体近期生理情况[3-4]。目前，已有的人体成分分析设备都采用单频率采集技术，无法分析点阻抗信息的相位，导致指标精度下降。因此，本文进一步利用多频率检测技术采集生物电阻抗，提出一种高精度人体成分分析的设计思路和方法。

1 生物电阻抗测量原理

1.1 人体成分分析方法

生物电阻抗技术（bioelectrical impedance analysis，BIA），是指向生物体内注入不同的电信号，根据反馈阻抗值得出相应部位信息，分析相关成分的无创检测技术[5]。

生物电阻抗技术基本原理是：大量细胞以及细胞之间的组织液存在于生物组织当中，组织液具有导电性，可以被看作电解质。当外界向生物组织中注入电流时，细胞及组织液反馈信息。当注入为直流或低频电流时，细胞组织的等效电容容抗为无穷大，电流绕过细胞组织、通过组织液流过；当注入为高频电流时，细胞组织的等效电容容抗变小，电流通过细胞膜流入细胞内，并经过细胞内液流出。当通过生物体的电流频率较低时，其反馈的阻抗为组织液的阻抗值；当通过生物体的电流频率较高时（频率>200KHz），其反馈的阻抗为组织液和细胞内液的阻抗值[6-7]。综上所述，生物电阻抗技术以统计学等数学方法为基础，通过向人体中注入不同频率的电流，获得相应的阻抗值，并根据其采集方法的不同，以性别、年龄、身高、体重为输入参数，构建最佳数学推算模型，推算出人体不同部位的人体成分。

虽然外界诸多因素很容易影响生物阻抗系统测量的精确性，例如：采集电极的极化现象与放置位置的不同，被测人体是否运动、是否摄食等因素都可以导致结果的变化，但在生物测量体系中，生物电阻阻抗方法依然占据重要地位。

1.2 八电极分段阻抗法

在生物阻抗系统中，前端传感器接触电极的数目影响系统测量的精确性。根据电极数目的不同，分为双电极、四电极、六电极和八电极测量系统。在双电极测量系统中，一个电极作为激励电流的输入端，另一个电极作为反馈电流的输出端，这导致电极与肌肤之间接触电阻出现，影响最终输出的精度；在四电极与六电极的测量系统中，虽然点击数目增加，但无法实现四肢都具有独立收发电流的电极，对于精度高的生物电阻抗系统，仍然无法达到要求。

为了测量人体不同躯干的阻抗值，本文选取八电极阻抗测量系统，既能满足实验实施过程中接触电阻的产生，又能达到阻抗测算对数据精度的要求。设Cm为细胞膜的等效电容，Ri为细胞内液的等效电阻，Rm为组织液的等效电阻，三者串联起来组成Zx，即生物电阻抗的三元模型[8]，如图1所示。将信号发生电路产生的正弦激励电流通过电极施加到被测人体的不同躯干，根据施加电流的频率不同，电阻抗呈现不同特性[9]。

其中V为被测人体躯干之间的电压，|Z|为生物电阻抗三元模型的阻抗幅值，θ为系统的偏移相角。为了获得生物电阻抗的三元模型Zx、阻抗值|Z|以及偏移相角θ，对V进行解调运算。数字解调、乘法解调以及开关解调是信号解调的3种最常用方法。本文采用乘法解调，即利用电压控制电流源产生一个与被测信号相角相同，或者相差90°以及整数倍的交流电信号，将此信号作为基准信号，与被测信号进行乘法运算，将得出的信号利用低通滤波器分离，得出相应的直流信号，因此，被测信号与其直流信号有固定的相角差值[10-12]。

2 生物电阻抗分析检测系统架构设计

本文根据生物电阻抗基本原理，设计一套测量生物阻

抗的系统。如图2所示，本系统主要由用户身份采集电路、身高体重测量电路、生物阻抗采集电路、数据分析处理电路组成。其中，通过用户身份采集电路读取被测试者身份证，完成身份信息的读取；通过身高体重测量电路准确采集用户的身高、体重信息；生物电阻抗采集电路由8块低阻尼接触电极组成，采用节段多频检测，由主控芯片（MSP430F5529）控制恒流源发出不同频率的微弱电流信号（1uA～50uA），通过信号激励电极注入用户体内，并由信号接收电极采集用户反馈的电信号，然后经过信号调理电路、数模转换电路处理，最终传输到数据分析处理电路中。数据分析处理电路根据生物电阻抗原理，对用户阻抗信息进行解析，最终计算得出人体成分数据。

4 实验与分析

为验证生物电阻抗系统的精确性与准确性，选取高精度纯电阻与电容，进行对比实验。本文选取2个不同电阻和1个电容，利用生物三元模型，组成本次实验的待测电路。利用优利德（UNI-T）UT61E数字万用表多次测量，取平均值，得出Ri=367Ω、Rm=809Ω、Cm=167nF。利用以上电阻电容值作为标准值代入MATLAB中进行计算，得出在不同激励频率下的模型幅值及偏移相角。将MATLAB计算值作为参考值，利用本系统在频率为50KHz、75KHz、150KHz、300KHz的激励电流中进行测量，并对比参考值与测量值，如表1所示。

由表1可得，在激励频率为50KHz时，参考值与测量值的幅值相对误差最大，为0.59%，相角的绝对误差也最大，为0.92°；激勵频率为300KHz时，参考值与测量值的幅值相对误差最小，为0.11%；激励频率为75KHz时，参考值与测量值的相角绝对误差最小，为0.15°；且由表1看出，阻抗值的幅值随着激励电流频率的增加而变小；而偏移相角变化趋势则相反，随着激励电流频率的增加而变大。

5 结语

人体成分分析的基础是精确测量人体的生物电阻抗值，本文设计一套测量生物电阻抗的系统，采用多频率阻抗采集法，利用乘法解调对生物三元模型的阻容模型进行测量。实验表明：对同一组阻容模型进行测量时，若要求阻抗值的误差较小，需采用频率为300KHz的激励电流；若要求偏移的误差较小，需采用频率为75KHz的激励电流。因此，应用不同频率的激励电流信号对同一人体进行测量，不同部位阻抗值的幅值及偏移相角不同，应选取合适的频率，使得测量值与理论值误差达到极小，实现测量系统精度最优化。

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（责任编辑：江 艳）