脂肪测量模型研究

脂肪测量模型研究 分类号 编号 0380122013031 本科#毕业#() 脂肪测量模型研究 Fat Measurement Model Research 摘 要 生物电阻抗测量法测量人体脂肪含量是目前广泛使用的方法，生物电阻测量法(BIA)是利用生物组织与器官的电特性(阻抗、导纳、介电常数等)及其变化来提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术。这种技术具有无创、廉价、安全、无毒无害、操作简便和信息丰富等特点，可以对心、脑、肺及相关循环系统进行功能评价，因此具有广泛的应用前景。 本文根据生物电阻抗测量法，研究脂肪测量的有关模型，主要内容包括: (1) 介绍生物电阻抗法的相关理论，并且在现有模型的基础上，建立起人体分 段阻抗模型。 (2) 介绍脂肪计算的两种模型，并在此基础上利用人体密度研究脂肪计算模 型。 (3) 介绍脂肪测量仪的硬件电路设计和原理，并动手制作其中关键的电路板。 (4) 利用焊接的电路板配合实验仪器对多名志愿者进行测量，并对数据进行统 计分析。 关键词:生物电阻抗; 人体阻抗模型; 脂肪测量; 电路分析; 数据分析 ABSTRACT Bioelectrical impedance measurement method is a widely used method to measure body fat, bioelectrical impedance measurement analysis (BIA) is to extract the electrical properties of biological tissues and organs (impedance, admittance, dielectric constant, etc.) and its change with humanphysiological and pathological conditions related to biomedical information a damage detection techniques.This technique has a non-invasive, inexpensive, safe, non-toxic harmless, easy operation and information-rich features, heart, brain, lung and related circulationthe system function evaluation, and therefore has a broad application prospects. Based on bioelectrical impedance measurement method of fat measurement model, the main contents include: (1) Introduction of bioelectrical impedance analysis theory, and on the basis of the existing model, establish a body segment impedance model. (2) Introduced two fat calculation model, and on this basis, human density on fat calculation model. (3) Fat Analyzer hardware circuit design and principles, and hands-on production of a key board. (4) The use of welding circuit board with the experimental instrument to measure the number of volunteers, and the data for statistical analysis. Key Words:Bioelectrical impedance; Human body impedance model; Fat measurement; Circuit analysis; Data analysis 目 录 1 绪论......................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景 ......................................................................................................................... 1 1.2 研究目标与研究内容 ..................................................................................................... 1 1.3 论文组织结构 ................................................................................................................. 1 2 脂肪测量理论及模型 ............................................................................................................. 2 2.1 电阻抗测量理论 ............................................................................................................. 2 2.2.1 生物组织等效电路模型 ................................................................................... 2 2.2.2 Cole-Cole理论 ................................................................................................ 2 2.2.3 频散理论 ........................................................................................................... 3 2.3 电阻抗测量技术 ............................................................................................................. 3 2.3.1 全身阻抗测量 ..................................................................................................... 3 2.3.2 分段阻抗测量 ..................................................................................................... 3 2.3.3 分段阻抗模型研究 ............................................................................................. 4 2.4 脂肪计算模型 ................................................................................................................. 5 2.4.1 容积导体模型 ..................................................................................................... 5 2.4.2 平均电阻率模型 ................................................................................................. 6 2.4.3 脂肪计算模型研究 ............................................................................................. 6 3 人体脂肪仪系统电路分析 ..................................................................................................... 7 3.1 系统整体流程图 ............................................................................................................. 7 3.2 阻抗测量电路 ................................................................................................................. 7 3.2.1 电源电路 ............................................................................................................. 7 3.2.2 正弦波产生电路 ................................................................................................. 8 3.2.3 恒流源电路 ......................................................................................................... 9 3.2.4 放大电路 ............................................................................................................. 9 3.2.5 带通滤波电路 ................................................................................................... 10 3.2.6 峰值检测电路 ................................................................................................... 11 3.2.7 电极的选择 ....................................................................................................... 11 4 系统实验及数据分析 ........................................................................................................... 12 4.1 测量全身阻抗 ............................................................................................................... 12 4.2 人体密度计算 ............................................................................................................... 12 4.3 脂肪分析 ............................................................................................................... 12 4.4 脂肪含量计算 ............................................................................................................... 13 4.5 分段脂肪含量分析 ....................................................................................................... 13 结 论............................................................................................................................................. 14 致 谢............................................................................................................................................. 15 参考文献......................................................................................................................................... 15 附 录............................................................................................................................................. 16 南方医科大学2013届本科毕业论文(设计) 1 绪论 1.1 研究背景 当今与人类社会生活密切相关的疾病呈上升趋势，越来越引起人们的不安与关注。而对这些疾病的预防中，人体脂肪成分的监测有十分重要的意义。目前，人体脂肪成分的检测方法有:人体密度法(水下称重法)、人体测量法、生物阻抗分析法、超声成像法、X射线成像、CT成像、MRI成像、中子活化分析等。其中，生物阻抗分析法是近年来的研究热门。 生物电阻抗测量技术(Bioelectric Impedance Measuring Technology)是利用生物组织与器官的电特性(阻抗、导纳、介电常数等)及其变化，提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术，它通常是借助置于体表的激励电极向被测对象施加微小的交变电流(或电压)信号，同时通过测量电极检测组织表面的电压(或电流)信号，由所测信号计算出相应的电阻抗及其变化，然后根据不同的应用目的，获取相关的生理和病理信息。这种技术或方法具有无创、廉价、安全、无毒无害、操作简便和信息丰富等特点，具有广泛的应用前景。 传统的生物阻抗分析法采用容积导体模型和四电极整体测量方法。该模型和方法理论上存在较大的缺陷。1994年,美国Leslie W.Organ提出平均电阻率模型以及六电极分段测量方法，对原有的模型和方法做出较大的改进。 1.2 研究目标与研究内容 本课的研究目标是在国内外生物电阻抗技术测量人体脂肪的研究成果的基础上，对生物电阻抗技术进行了理论研究，建立起人体分段阻抗的数学模型，对八电极测量人体分段阻抗进行理论分析及公式推导，并分析了人体脂肪仪的电路设计原理。主要内容包括: 1、 介绍人体电阻抗测量人体脂肪的基本理论。 2、 建立人体分段阻抗的数学模型，推导出人体各部位的阻抗公式，从而求得各部位脂肪含 量计算公式。 3、 通过测量人体分段阻抗及体重、身高等参数，在理论分析和实验测量修正的基础上运用 SPSS软件求出计算人体脂肪含量的公式，判断人体各部位的脂肪含量。 4、 研究人体脂肪测量仪的电路构成，并着手制作有关电路板，配合实验仪器进行脂肪测量。 1.3 论文组织结构 根据研究的内容和研究方法，论文的章节安排如下: 第一章 绪论。概述本文的研究背景，研究目标与内容，以及论文的组织结构。 第二章 脂肪测量理论及模型。详细介绍了生物电阻抗测量技术的有关理论，建立起人体分 段阻抗模型，推导人体脂肪计算公式。 第三章 人体脂肪仪系统电路分析。介绍阻抗测量电路的电路原理和电路构成。 第四章 系统实验及数据分析。根据制作的电路板对志愿者进行测量，并对数据进行分析。 1 南方医科大学2013届本科毕业论文(设计) 2 脂肪测量理论及模型 2.1 电阻抗测量理论 人体在通电情况下会表现出一定的电学特性，人体非脂肪组织含有较多的水分，可以看作是电的良导体，而脂肪组织水分较少，可以看作是电的不良导体。在一定大小、一定频率的激励电流作用下，单位体积的人体如果脂肪含量越多，阻抗就越大;水含量越多，阻抗就越小，脂肪含量的高低与人体阻抗的大小具有很高的相关性，存在着一定的比例关系。世界各国研究者通过大量研究，建立了生物组织的RC三元件等效电路模型、阻抗圆图理论和频散理论，构成了电阻抗分析法测量人体脂肪的理论基础。 2.2.1 生物组织等效电路模型 构成生物组织的基本单元是细胞,细胞由细胞膜和细胞内液组成,在细胞的外面存在着细胞外液和细胞间质。细胞间质由胶原纤维等高分子物质组成，通常将其看作电气绝缘体。细胞内液是含有各种细胞器的半流动性物质，常将细胞外液与细胞内液看作电解液。 生物组织内单个细胞的等效电路模型如图2-1(a)所示，其中Re为细胞外液的电阻，Ce为细胞外液并联电容;Rm为细胞膜的电阻，Cm为细胞膜的并联电容;Ri为细胞内液的电阻，Ci为细胞内液的并联电容。在低频范围内(低于1MHz)，细胞膜的漏电阻Rm很大，可视为开 -1(b)所示的路，而内外液的并联电容Ci、Ce很小，也可视为开路，这样就可以得到如图2简化等效电路模型。对于整个生物组织而言，由于生物组织是由大量细胞组成的，可视为许多细胞的集合，因此生物组织的电路模型可用图2-1(b)所示的电路等效，此时Ri、Re、Cm分别代表整个生物组织的等效内、外液电阻和膜电容，这就是RC三元件等效电路模型。 图2-1 生物组织等效电路模型(RC等效电路模型) 2.2.2 Cole-Cole理论 Cole建立了Cole-Cole理论，提出了描述生物组织阻抗的方程，并用阻抗圆图(图2-2)来表示生物组织的阻抗特性。根据Cole的分析，生物组织的阻抗在复平面上的轨迹是第4象限的一段圆弧。 图2-2 阻抗圆图 2 南方医科大学2013届本科毕业论文(设计) Cole-Cole阻抗圆的圆心坐标和半径分别为: 圆心坐标:[(R+R)/2,(R-R)/2tanθ];半径: (R-R)/2sinθ 0?0?0?1-α组织的阻抗用Cole-Cole方程描述: Z= R+( R0 - R)/[1+(jwτ)] (2-1) ?? 其中，τ=(Ri+Re)*Cm ;R0=Re ;R=RiRe/(Ri+Re), τ代表时间常数，R代表频率为0时的?0 电阻抗，R代表频率无穷大时的电阻抗，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。 2.2.3 频散理论 生物电阻抗在某个频率范围内有显著的变化成为频率散射，简称为频散。频散理论是Schwan在1957年通过对生物组织频率特性的研究提出的，它表明生物组织内存在三个不同 ,,的频率散射，分别称为、和频散，如下图2-3所示: , 图2-3 生物组织频率特性曲线 1由图可看出，生物组织的介电常数ε和电导系数随着频率变化有三个明显的散射区,γ 域，其中频散主要发生在音频频段(几赫至几十千赫)，由包围组织内细胞离子层发生变, ,化引起的，表现为细胞膜电容发生变化;频散主要发生在射频频段(几十千赫到几十兆赫)，在此频段内，细胞膜电容基本恒定，随着频率增加，细胞膜电容容抗减小，电流由低频时绕过细胞膜只流经细胞外液，到高频时穿过细胞膜流经细胞内、外液，表现为电导系数 ,随频率升高而增大，相反介电系数随频率升高而减小;频散主要发生在微波频段(几十MHz以上)，由蛋白质和与蛋白质结合的水在电场作用下的弛豫过程引起的。 由频散理论可知，在低频电流作用下，由于细胞膜的特性，使得大部分电流通过细胞外液传导;在高频电流作用下，细胞膜的容抗非常小，电流同时通过细胞内液和细胞外液传导;在中间频率的电流作用时，细胞膜对阻抗的影响较大。 2.3 电阻抗测量技术 2.3.1 全身阻抗测量 当直流或低频电流施加于生物组织时，电流主要流经细胞外液;当施加于生物组织电流的频率增加，细胞膜电容的容抗减小，一部分电流将穿过细胞膜流经细胞液。实验表明，当电流频率是50KHz时，电容容抗的大小相对于细胞膜外组织的电阻Re来说很小，因此阻抗Z的大小与Re的大小基本相同，可以用纯电阻R代替生物体电阻抗Z。 测量过程是将频率为5OKHz，大小恒定的正弦波稳恒电流通过安放在手和足间的电流电极施加到人体，从安放在手和足间的电压电极上采集电压信号，来测量人体阻抗。单频全身阻抗测量技术允许估计脂肪含量和总体水，但是不能估计细胞内液。单频全身阻抗测量基于容积导体模型(见2.4.1小节)。在单频全身阻抗测量中，目前多采用四电极法，以减少接触阻抗的影响。 2.3.2 分段阻抗测量 单频全身阻抗测量方法相对简单，对受试个体的要求不高。但由于这种方法是测量人体的电阻值，测量的准确性受几个假设的影响:其一、测量原理假设人体由相同长度和横截面 3 南方医科大学2013届本科毕业论文(设计) 积的圆柱体组成。但由于人体形状复杂，四肢与躯干间的横截面积相差很大，如躯干占人体总体积一半左右，其阻抗却仅占人体总阻抗的5%左右。由于上肢、躯干、下肢三段阻抗是串联的，总阻抗等于三段阻抗之和，这意味着即使躯干体积有很大的变化，总阻抗的变化也很小，容易被忽略。而在手腕或脚踝处测量电极位置即使有小的变化，也会引起全身阻抗较大的改变;其二、假设圆柱体内导体物质是一样的，而实际上不同组织相差很大;其三、假设电阻率ρ是稳定的，而实际上人体的电阻率会随着组织中的微观结构、电解质的浓缩状态而改变，相同量的水分或脂肪，如果所在部位不同，则对全身阻抗的影响强度大不相同。因此，为了提高躯干部分电阻抗的准确性，有必要使用分段阻抗测量技术。 2.3.3 分段阻抗模型研究 本文建立了一种人体分段阻抗模型，将人体分为右上肢、左上肢、右下肢、左下肢、躯体纵向、躯体斜向、躯体上部、躯体下部的等效阻抗。其中右手、左手、右脚、左脚分别连接两个电极(其中一个与激励电流源连接，另一个与阻抗测量电路连接)，共需八个电极。将躯干部阻抗分为躯干部的纵向、斜向、上部和下部的等效阻抗，且考虑电极和皮肤表面间存在接触阻抗。为计算身体各部位的阻抗，本文建立了人体分段阻抗示意图，如图2-4所示。 图2-4 人体分段阻抗示意图 右上肢、左上肢、右下肢、左下肢、躯体部纵向、躯体部斜向、躯体部上部、躯体部下部的等效阻抗分别用R1、R2、R3、R4、R5、R6、r1、r2表示。电极E1、E3、E5、E7作为激励电流输入端，而电极E2、E4、E6、E8作为电压信号测量端。两手、两脚以及躯干的交界部位分别用记号A、B、C、D来表示，在图2-4中，rm、rn、ro、rp、rq、rr、rs、rt分别为右手、左手、右脚、左脚的2个电极的各自接触部的周边组织的阻抗以及这些电极和皮肤表面间的接触阻抗。当E1和E3施加一个电流时，在A-B间躯体部的等效阻抗为r1;当向E5和E7施加一个电流时，在C-D间躯体部等效阻抗为r2;当向E1和E5或者向E3和E7间各自施加电流时，在A-C间或者B-D间躯体部等效阻抗为R5;当向E1和E7间施加电流的时候，在A-D间或者B-C间躯体部等效阻抗为R6。 当电流I通过电流电极E1和E3流入右手和左手时，电流流经rm，R1，r1，R2和ro，此时测量得到右手电极与左手电极间的电压为V24，由于电流没有通过rn和rp，所以a，b两点间的电压等于V24，可得方程: (R1+r1+R2)*I=V24 (2-2) 同理可得以下方程: (R3+r2+R4)*I=V68 (2-3) (R1+R4+R6)*I=V28 (2-4) 4 南方医科大学2013届本科毕业论文(设计) (R2+R3+R6)*I=V46 (2-5) (R1+R3+R5)*I=V26 (2-6) (R2+R4+R5)*I=V24 (2-7) 上述方程中，电压值和电流值I可知，待测电阻抗有8个。通过上面的6个方程还不能 得到所有阻抗值，所以还需找出与上述方程组线性无关的两个方程。经分析可知，假如电流 I加在右手和左手时，测量得到右脚电极和左脚电极间的电压为Va。此时，由于电流几乎不 通过双脚，故E6的电势近似等于C点的电势、E8的电势近似等于D点的电势。由于骨骼肌 易导电且骨骼肌具有各向异性的电特性，其电阻率在纤维方向大约只为垂直于纤维方向大小 的1/3。根据人体躯干肌的形态和分布状况以及肌纤维的方向大致为垂直方向，可认为C点 电势和A点电势近似相等、D点电势和B点电势近似相等。故AB两点的电压近似等于右脚 电极和左脚电极间的电压Va。可得到方程: Va=I*r1 (2-8) 同理可得，假如电流I加在左右脚时，测量得到左右手电极间的电压为Vb: Vb=I*r2 (2-9) 联立这8个方程，即求线性方程组的解可得: r1=Va/I (2-10) r2=Vb/I (2-11) R1=(2V24-2Va-4V68+4Vb-V28+3V26+V46+V28)/(4*I) (2-12) R2=(4V68-4Vb+V28-3V26-V46-V48+2V24-2Va)/(4*I) (2-13) R3=(2V68-2Vb-V28+V26+V46-V48)/(4*I) (2-14) R4=(2V68-2Vb+V28-V26-V46+V48)/(4*I) (2-15) R5=(V48+V26-V24-V68+Va+Vb)/(2*I) (2-16) R6=(V46+V28-V24-V68+Va+Vb)/(2*I) (2-17) R5、R6、r1、r2自主要反映了身体的侧面部、内脏部、胸部、下腹部的组织阻抗。通过 比较r1和r2值，可以得到人体胸部和下腹部脂肪的大小关系;通过计算R5/R6的值能判定 内脏部脂肪量和躯干侧面脂肪量大小关系,这个比值小的人就能判定其在内脏部脂肪量要比 身体的侧面部脂肪量有多的倾向。 2.4 脂肪计算模型 2.4.1 容积导体模型 容积导体模型把人体看成圆柱体,圆柱体的导电性均匀而且各向同性,圆柱体的横截面 积为其所对应的人体的平均横截面积,圆柱体的长度为其所对应的人体的长度。 如果把人体看成两个平行的圆柱体并联而成。一个圆柱体代表脂肪组织;另一个圆柱体 代表非脂肪组织。对于每一段圆柱体来说，假设导电性均匀且各向同性，其阻抗Z可表示为: Z=ρ*L/A (2-18) 其中ρ:圆柱体的电阻率，L:圆柱体的长度，A:圆柱体的横截面积。 上式两边同乘以L，并令V=A*L则圆柱体的横截面积A可以用体积V表示为: A=V/L (2-19) 2所以阻抗Z可以表示为: Z=ρ*L/V (2-20) 2则圆柱体的体积可表示为: V=ρ*L/Z (2-21) 如果假设非脂肪组织的阻抗为Z1，脂肪组织的阻抗为Z2，那么人体阻抗Z为: Z= Z1*Z2/(Z1+Z2) (2-22) 因为人体脂肪组织含水量很少，具有很高的电阻率，非脂肪物质中几乎含有体内的全部 水成分和电解液，导电性远远大于脂肪组织，即Z<I，因此电容C放电，VC随时间线性下降。221 当VC下降到VC?VR/3时，比较器C2输出发生跳变，使触发器输出端Q又由高电平变为低电平，I再次断开，I再次向C充电，VC又随时间线性上升。如此周而复始，产生振荡。若21 8 南方医科大学2013届本科毕业论文(设计) I=2I，VC上升时间与下降时间相等，就产生三角波输出到脚2。三角波经正弦波变换器变21 成正弦波后由脚3输出。 3.2.3 恒流源电路 本文设计了恒流源电路产生一个正弦波恒流信号作为系统的激励源。由于仪器需向人体注入电流，因此安全性有严格的要求。采用频率为50KHz的激励电流，其安全电流的限流值为5mA，当负载电阻值在几十欧到几千欧之间变化时，该电流值恒定不变。具体的恒流源电路如图3-5所示，其中R1/R2=R4/R5。 图3-4 稳恒电流源 根据运算放大器的虚断路和虚短路特性，可得到以下公式: V5=V1;V5=V4/2;V1=(Vin+Vout)/2(因为Vout=V3=V2) 所以: Vin+Vout=2V1=V4 (3-1) 即: Vin=V4-Vout=Iout*R3 (3-2) 所以只要输入电压和R3不变，输出电流恒定，与负载大小无关。 3.2.4 放大电路 生物电阻抗信号比较微弱，为了对此信号进行处理、测量和显示，必须将信号放大到所要求的强度。生物电阻抗放大电路需要满足以下要求: 1、高输入阻抗:生物组织电阻抗信号是激励信号源频率的函数，变化的规律是随频率的增加而下降。如果放大器输入阻抗不够高(与生物组织电阻抗相比)，则造成信号的低频分量的幅度减小，产生低频失真。另外，当被测组织移动时，电极和组织表面接触压力有变化，使组织液离子浓度发生变化，导致电极阻抗产生很大的变化，同时造成电极极化电压的不等，这种变化相对于微弱的生物电信号来说，在放大器输出端将产生极大地干扰，引入测量误差。若放大器输入阻抗足够大，则上述各种因素造成的失真和误差均可减小到忽略不计。同时，高输入阻抗也是提高放大器共模抑制比的必要条件。 2、高共模抑制比:为了抑制生物体所携带的工频干扰以及所测量的参数外的其他生理作用的干扰，须选用差动放大形式。因此，共模抑制比(CMRR)是放大器的主要指标。 Ad(3-3) CMRR=20*lgdBAc 其中Ad为电路的差模增益，Ac为电路的共模增益。减小共模增益，则可以提高系统的共模抑制比。生物电放大器的CMRR值一般要求60dB—120 dB。 3、低噪声，低漂移:为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的噪声性能有严格的 9 南方医科大学2013届本科毕业论文(设计) 要求。理想的生物电放大器，能够抑制外界干扰使其减弱到与放大器的固有噪声同一数量级，放大器的低噪声性能主要取决于放大电路。生物电信号属于差模信号;而干扰信号，主要是一种大小相等，极性相同的共模信号。因此，要求前置放大器有较高的抗共模干扰能力。 图3-5 放大电路 本测量系统的放大电路采用了同相关联结构的差动放大电路，电路如图3-10所示。此放大电路由两级构成，U1A、U1B(采用高输入阻抗且共模抑制比、对称性好的TL082CP)组成同相并联输入第一级放大以提高放大器的输入阻抗，U2为差动放大(采用高共模抑制比、低噪声的CA3140)，作为放大器第二级。线路前级为同相差动放大结构，要求两运放的性能完全相同，这样，线路除具有差模、共模输入电阻大的特点外，两运放的共模增益，失调及其漂移产生的误差也相互抵消，因而不需要精密匹配电阻。后级的作用是抑制共模信号，并将双端输出转变为单端放大输出，以适应接地负载的需要，后级的电阻要求精度高且匹配。 该放大器第一级是具有深度电压串联负反馈的电路，它的输入电阻很高。由于U1A、U1B选用相同特性的运放，它们的共模输出电压和漂移电压也都相等，再通过U2组成的差分电路，可以相互抵消，故它有很强的共模抑制能力和较小的输出漂移电压，同时该电路有较大的差模电压增益。 3.2.5 带通滤波电路 带通滤波器用于使某频段内的有用信号通过，而将高于或低于此频段的信号衰减。带通滤波器可用低通和高通滤波器串联而成，如果使两者的频率覆盖同一频段，则频率在该频段内的信号能够通过滤波器，而频率在该频段外的信号将被衰减，这样就构成带通滤波器。带通滤波器能够把频率为50KHz，频带为1OK的有用信号很好地提取出来，滤掉了绝大多数的干扰信号。系统采用的带通滤波电路如图3-7所示。 10 南方医科大学2013届本科毕业论文(设计) 图3-6 带通滤波电路 图中R、C组成低通网络，Cl(值等于C)、R3组成高通网络，两者串联就组成了带通滤波电路。设R2=R，R3=2R，则由KCL列出方程，可导出带通滤波电路的传递函数为: (A sCR) VFA(s)= 2，,，1(3A)sCR(sCR)(3-4) VF 式中，AVF=1+Rf/R1为同相比例放大电路的电压增益，要求AVF<3，电路才能稳定地工作。 3.2.6 峰值检测电路 滤波电路提取的有用信号是与人体阻抗成正比的正弦电压信号，不过该信号是交流信号，不易检测其大小，为此通过峰值检测电路将该正弦电压信号转换成与人体阻抗成正比的直流电压信号，然后再通过模数转换电路得到该电压值，从而方便地得到人体阻抗。系统使用的峰值检测电路如图3-8所示。该电路对于输入幅度为+5V，频率为50Khz的信号，其检测精度为1%，二极管VD2在信号保持期间，对 U1运放输出信号进行钳位，防止信号振幅上升到电源电压。 图3-7 峰值检测电路 3.2.7 电极的选择 在对生物组织施加激励和电压测量时，电极是连接测量系统和生物体不可缺少的单元。在生物医学测量中所使用的电极，一般要具备以下特点: l)有利于注入电流和提取电压;2)与皮肤表面接触阻抗少;3)电极形状规格化，易于匹配;4)易于组成电极阵列;5)对皮肤无毒，无副作用。 考虑到毒性、机械强度、化学稳定性等因素，生物医学工程中的电极大多采用金属材料制成。常用的金属有氯化银、银、锑、铜、不锈钢以及金、铀等稀有金属，也有些研究者使用碳作为电极材料，通过在炭中加入一些微量元素，可以提高导电性。 11 南方医科大学2013届本科毕业论文(设计) 4 系统实验及数据分析 4.1 测量全身阻抗 利用自己动手焊接的阻抗测试电路板，结合数电实验箱(给芯片供电)，信号发生器等仪器测量受试者的全身阻抗，测量结果如表4-1所示。 表4-1 全身阻抗测量结果 组序号 电压U电流I全身阻抗 组序号 电压U电流I全身阻抗别 (V) (mA) () 别 (V) (mA) () ,, 1 0.67 1.13 593 11 0.78 1.13 689 2 0.62 1.13 550 12 0.84 1.13 745 3 0.56 1.13 494 13 0.72 1.13 635 男 女 4 0.69 1.13 607 14 0.75 1.13 663 生 生 5 0.58 1.13 516 15 0.68 1.13 594 组 组 6 0.51 1.13 450 16 0.76 1.13 672 7 0.53 1.13 469 17 0.70 1.13 615 8 0.57 1.13 504 18 0.56 1.13 494 9 0.66 1.13 588 19 0.67 1.13 592 10 0.53 1.13 469 20 0.59 1.13 525 4.2 人体密度计算 通过测量受试者身高、体重、全身阻抗，利用Segal关于计算人体密度的公式求出被测人员的人体密度，所得到的结果如表4-3所示。 2Segal计算公式如下: 人体密度,1.1554-0.0841*体重*全身阻抗/身高 (4-1) 表4-3 人体密度计算结果 组序体重身高全身 人体密度 组序体重身高全身 人体密度 别 号 (Kg) (cm) 阻抗别 号 (Kg) (cm) 阻抗 () () ,, 1 55.2 157 593 1.0437 11 45.8 159 689 1.0504 2 59.2 160 550 1.0484 12 43.3 163 745 1.0533 3 69.5 178 494 1.0643 13 52.7 160 635 1.0455 男女 4 60.7 171 607 1.0494 14 39.5 153 663 1.0613 生生 5 72.7 175 516 1.0524 15 54.1 169 594 1.0608 组 组 6 69.7 173 450 1.0673 16 48.2 165 672 1.0553 7 63.2 168 469 1.0671 17 44.7 157 615 1.0616 8 65.1 170 504 1.0599 18 58.3 164 494 1.0653 9 72.6 174 588 1.0368 19 47.2 158 592 1.0613 10 66.3 163 469 1.0570 20 40.9 162 525 1.0865 4.3 脂肪公式分析 利用自行设计的仪器测量受试者的全身阻抗，并结合己测得的人体密度值以及体重、身 12 南方医科大学2013届本科毕业论文(设计) 高，把相关数据代入4-3式: 2 DB,A,k*W*Z/Ht，k*Z，k*W，k*Gender1234 (4-2) 其中DB为受试者人体密度，W为体重(Kg)，Z为全身阻抗()，Ht为身高(cm)，Gender , 为性别(男性取1，女性取0)。测量结果如表4-4所示。 表4-4多元线性回归数据 序体重身高全身 人体密度 序体重身高全身 人体密度 号 Kg cm 阻抗号 Kg cm 阻抗 () () ,, 1 55.2 157 593 1.0437 11 45.8 159 689 1.0504 2 59.2 160 550 1.0484 12 43.3 163 745 1.0533 3 69.5 178 494 1.0643 13 52.7 160 635 1.0455 4 60.7 171 607 1.0494 14 39.5 153 663 1.0613 5 72.7 175 516 1.0524 15 54.1 169 594 1.0608 6 69.7 173 450 1.0673 16 48.2 165 672 1.0553 7 63.2 168 469 1.0671 17 44.7 157 615 1.0616 8 65.1 170 504 1.0599 18 58.3 164 494 1.0653 9 72.6 174 588 1.0368 19 47.2 158 592 1.0613 10 66.3 163 469 1.0570 20 40.9 162 525 1.0865 2取人体密度DB为因变量，体重W、性别Gender、全身阻抗Z以及W*Z/Ht的值作为自变量，利用spss15.0统计软件进行多元线性回归，得到计算人体密度的公式: 2DB,1.142,0.085*W*Z/Ht,0.0000016*Z，0.0000114*W，0.005*Gender (4-3) 4.4 脂肪含量计算 得到生物电阻抗法测量人体密度的公式(4-3)之后,根据(4-4)式(Brozek公式)可求得脂肪比率(%)，同时将被试者使用欧姆龙脂肪仪所测得的结果进行对比，所得结果如表4-5所示: 脂肪比率(%),(4.57/身体密度,4.142)*100 (4-4) 表4-5 脂肪含量(脂肪率)测量结果 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 自制仪器 23.7 21.7 15.2 21.2 20.0 14.0 14.1 17.0 26.6 18.2 欧姆龙 24.2 23.9 18.1 23.5 21.8 17.4 16.2 19.5 28.7 20.4 序号 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 自制仪器 20.9 19.7 22.9 16.4 16.6 18.9 16.3 14.9 16.4 16.4 欧姆龙 22.5 21.7 24.8 19.3 18.4 21.1 17.9 16.8 19.3 18.5 利用SPSS软件进行相关性分析，自制仪器与欧姆龙脂肪仪的相关系数为0.912。相关系数大于0.8，说明自制仪器与欧姆龙脂肪仪的相关性很强，从而验证自制仪器的准确性。 4.5 分段脂肪含量分析 对20名志愿者(10名男生，10名女生)进行测量，测量安排在上午10点进行，志愿者在测量2小时前，测量前排完大小便。 13 南方医科大学2013届本科毕业论文(设计) ZZZZ躯体纵向身体斜向下肢根据测量结果，得到表4-5所示的数据。表中的上肢、、、、ZZ身体上部身体下部、分别代表上肢、下肢、身体纵向、身体斜向、身体上部、身体下部的 根据人体分段阻抗示意图(图2-4)中所述，可得到如下公式: 平均值。 101010RR，R(),5R，R(),34,12n1,n,1n1,,Z,Z,Z身体纵向下肢上肢101010; ; ; 101010 rrR,2,1,6n1,n1,n1,,Z,ZZ,身体下部身体上部身体斜向101010 ; ; (4-5) 表4-5 分段阻抗测量结果 性别 n ZZZZZZ躯体纵向 上肢 身体下部身体斜向身体上部 下肢 男 10 545.4 462.4 42.5 49.3 42.4 82.1 女 10 576.2 469.4 45.7 60.7 45.2 88.7 比较被测者各个部位脂肪量与同一年龄段、同一性别的平均值的比率的计算公式为: 2ZHt Rate,2ZHt

标准

excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载

标准 (4-6) 2Z其中Z、Ht分别表示受试者某一部位的阻抗和身高;、表示与受试者同一性别、Ht标准标准 同一年龄段的该部位阻抗的标准值和标准身高。 Rate等于1时,受试者该部位的脂肪含量处于标准状态;当Rate大于1时,受试者该部位的脂肪含量超过标准值,并且Rate值越大,该部位脂肪含量超标越严重;当Rate小于1时,受试者该部位的脂肪含量小于标准值,Rate值越小,该部位脂肪含量越小。 结 论 从论文定题到论文定稿经历了三个多月的时间，基本上完成了对脂肪测量模型的研究。首先，对于生物电阻抗法的研究使我对于人体脂肪测量方法有了一个直观的认识，也意识到这个方法会在不同的领域得到很大的发展。其次，对脂肪测量仪原理的分析让我对阻抗测量电路有了进一步的认识。再次，根据生物电阻抗方法的相关理论，建立的模型能够反映人体各部位脂肪含量。最后，通过动手制作相关电路板，测量相关数据，进行验证。 通过三个多月的学习和研究，让我学会了用科学、严谨的态度去对待研究。本次所建立的人体分段阻抗模型经过验证，在误差允许范围内，该模型能够反映人体各部位的脂肪含量。 14 南方医科大学2013届本科毕业论文(设计) 致 谢 光阴似箭，岁月如歌，四年的大学生活即将结束。回首这四年的求学历程，我十分感谢一直以来关心我、鼓励我、支持我的人，正是因为有了你们，我的生活才如此精彩。 面对如此多的关心和帮助，这是一种幸福也是一种感动，唯有在以后的日子里时时敦促自己，努力成长，不断进取，以不辜负师长、亲人和朋友对我的殷切期望。 借此机会,衷心感谢在百忙中抽出宝贵时间对本文进行评阅的专家、学者～ 参考文献 [l] 杨晓忠，赵衍质.肥胖:一个全球性的公共卫生问题[J].中国初级卫生保健.2000，14(02):64. [2] 黄仲曦，邓亲恺.一种新的六电极人体阻抗测量方法[J].中国医学物理学杂志.2000，17(3):191-197. [3] 班东坡.人体电阻抗测量系统设计[D].天津大学，2003:1-2. [4] 侯曼.应用生物电阻抗法测定人体体成分的研究进展[J].南京体育学院学报(自然科学版).2004， 15 南方医科大学2013届本科毕业论文(设计) 3(1):11-14. [5] 赵煦华.基于ARM_LINUX的人体脂肪仪研究[D].浙江工业大学，2008:4-35 [6] 李清亚，杨景林.人体脂肪分析仪(BFA)的研制[J].医疗卫生装备.1994，(3):12-14. [7] 邓晓刚，魏萍.人体脂肪测量系统的实现[J].医疗卫生装备.2002，(4):29-31. [8] 徐顺清.一种阻抗法人体脂肪总量测量仪的研制及初步应用[J].中国医疗器械杂志.1996，(20): 85-88. [9] 唐敏.生物电阻抗测量原理与测量技术[J].生物医学工程学杂志.1997，14(2):152-155. [10] 任超世.生物电阻抗技术与人体功能信息[J].电子科技导报.1998，(1):17-19. 附 录 焊接的三个电路板: 16 南方医科大学2013届本科毕业论文(设计) 放大电路 带通滤波电路 峰值检测电路 17