人体右前臂生物电阻抗模型参数和阻抗多频曲线相对斜率的关系

人体右前臂生物电阻抗模型参数和阻抗多频曲线相对斜率的关系 人体右前臂生物电阻抗模型参数和阻抗多频曲线相对斜率的关系 【摘要】 笔者利用多频阻抗测量仪对人体右前臂进行全阻抗测量，记录下靶区组织的RC网络模型参数Ri、R e、Cm的值，并且利用Matlab语言作出阻抗随频率连续变化的阻抗多频曲线。计算出所有样本的阻抗多频曲线的相对斜率K，并且将K与所有获得的模型参数Cm进行比较。实验结果表明: 比较所有样本的Cm和K值，发现随着Cm的增加，相对斜率K是增加的。随着Cm的减小，K也减小。本研究意义在于分析阻抗三元件模型和阻抗多频曲线的相对斜率K的可用于人体脂肪厚度的等级鉴定。 【关键词】 多频生物电阻抗测量仪 参数 RC网络模型参数Cm 相对斜率K 前臂皮脂厚度 The Connection BetweenPparameters of Bio impedance Model in the Right Forearm and Relative Slope of Multi frequency Bio impedance Curvature LI Dong yun， YANG Yu xing， LUO Jie， LIANG Lin qing 1. School of Life Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan， Hubei 430074,China.; 2.Journal of Hubei Vocational Technical College，Xiaogan, Hubei 432100,China. Abstract: The author measure the whole impedance in the right forearm with multi frequency impedance meter, and note down results of the RC network model parameters including Ri, Re and Cm in target tissue. Then draw Curve, impedance varies continuously with frequency, with the math tool Matlab, calculate K in all samples, and pare them with the Cm available. The result shows while Cm increases, K increases; while Cm decreases, K decreases as well. Finally, we can conclude that the method of analyzing connection between three ponent model and K can be applied to judge the scale of fat. Key words:Multi frequency bio impedance meter; Parameters; Cm in RC network model; Relative slope K; Thickness of fat in the forearm 生物电阻抗测量分析法是目前国内外广泛采用的一种人体成分分析法，尤其是用于对人体脂肪含量的测定。生物电阻抗测量分析法具有快速、简捷、成本低廉、无创、安全、适用于各种年龄组和患者的测量等特点，受到广泛的重视。 目前市场上生物阻抗测量仪主要是单频阻抗测量仪，其测量方式中存在一个共同点——通过电源(恒流源)电极向人体被测部位送入固定频率50 kHz,0.1 mA或0.5 mA的正弦波恒流信号,1,。而笔者认为在单频50 kHz下对人体阻抗进行测定，这种测定结果未能真实反映人体的生物组织电特性。据目前公认的生物组织电特性理论Cole Cole理论中阻抗三元件模型知，任何生物组织都存在电容的特性。因此，生物组织阻抗中必然包含容抗。容抗值随交流电频率的升高而减少。所以，采用多频电阻抗测量方法及建立模型对人体生物电阻抗测量应用更有意义。 本文以生物组织电特性理论中阻抗三元件模型为理论基础，利用华中科技大学生命科学院研发的多频生物电阻抗测量仪对在校15名大学生进行右前臂阻抗的实测，探讨阻抗多频曲线中相对斜率K的变化与人体右前臂的阻抗三元件模型参数之一膜上电容(Cm)之间的关系。初步实验探讨人体右前臂皮脂厚度与相对斜率K的关系，并期望进一步深入研究后能成为将来对人体成分分析的又一实验依据。 1 实验原理及对模型的分析 1.1 实验原理 生物组织的电学特性可由电阻抗模型描述，即由细胞内液电阻(Ri)、细胞外液电阻(Re)和Cm组成生物电阻抗模型。生物组织是由大量的细胞组成，可视为许多细胞的集合，此时的Ri、R e、Cm已不再是代表某个细胞内、外液体电阻和细胞膜电容，而是代表整个生物组织的等效内、外电阻和电容，这就是Ri Cm Re三元件生物电阻抗模型。如图1所示。 人体前臂由皮肤、脂肪、肌肉、骨骼等组织构成。皮肤、肌肉中含有水分和电解质，导电性能好，而脂肪中含水极少，导电性能极差，可近似视为绝缘体。脂肪层位于导电性能良好的皮肤和肌肉之间，这种结构与电阻抗三元件模型等效。而脂肪层的厚度直接影响等效电容Cm值的大小。不同人体前臂的脂肪厚度不同，故其等效电容Cm值也不同，实测的人体前臂组织电阻抗幅值亦会随Cm的不同而变化。 1.2 对模型的分析 对于图1所示生物组织等效电路模型，用Ze,Zi代表组织内外阻抗，则Ze=Re,Zi=Ri+1jωCm，其中ω=2πf，f为测量频率，组织的全阻抗1Zt=1Ze+1Zi则全阻抗幅值为,1Zt,=,1Ze+1Zi,: 通过Matlab分析，三元件模型的全阻抗幅值随测量频率的增大而减小。且随Cm的增大，曲线在频率为5 kHz,100 kHz段斜率有增大趋势。如图 2、图 3、所示(横轴为测量频率f，单位Hz。纵轴为阻抗幅值，单位Ω。在频率100 kHz后，由于容抗影响小，暂不讨论。为分析两条曲线的变化趋势，定义如下相对斜率K进行对比K=Z5-Z100Z5: 其中，Z5表示f=5 kHz时对应的全阻抗幅值，Z100表示f=100 kHz时对应的全阻抗幅值。发现随参数Cm的增大，K值也增大。这就是说模型的参数之一Cm对阻抗多频曲线的相对斜率K有影响。 2 生物电阻抗多频测量系统 本次实验采用的是华中科技大学生命科学院杨玉星教授研发的多频生物电阻抗测量仪,2,。该系统采用双CPU结构，采用坐标变换迭代最小二乘拟合法，实现了快速、精确地自动计算靶区组织的RC网络模型参数Ri、R e、Cm的值，并且利用Matlab语言作出阻抗随频率连续变化的阻抗频谱图。实现在体自动测量或阻抗模型的实时测量。该系统有极高的稳定性和精确度。