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、Re、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 compare 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 component 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、Re、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 1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、Re、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。     阻抗测量系统采用四电极法～系统组成框图如图4所示。主要包括: 生物电阻抗多频测量部分,包括数字频率合成器,频率范围5 kHz，200 kHz～正弦波恒定幅值150 uA,、电极及幅度和相位检测电路,数据处理部分, 其中: 2.1  生物电阻抗多频测量仪以数据采集系统芯片ADuC812为中心  ADuC812控制直接数字频率合成器AD7008产生不同频率,5 kHz，200 kHz 频率内12个频率点的自动切换,幅度恒定的正弦电压信号～经过一恒流电路后～通过两个驱动电极将幅度,阈下刺激幅度,恒定的正弦电流加到生物组织。 同时另外两个测量电极提取出组织产生的微弱正弦电压信号～经过高精度生物电放大器放大后、滤波～再经幅值、相位测量芯片AD8302提取组织的幅值、相位信息～送入数据采集芯片ADuC812。 2.2  以PC机为核心的数据处理中心  ADuC812采样幅度和相位值通过RS232送入PC机～再由数据分析软件Matlab拟合数据和分析结果。图3  阻抗测量系统组成框图 3  实验检测方法 3.1  利用多频生物电阻抗测量仪  在实测人体前～先利用定标盒模拟人体RC网络对仪器的运行进行检测～由数据分析软件Matlab拟合数据和分析结果。每次采样前拟合率在94,左右方可进行人体实测。 3.2  测量采用四电极法  四个电极采用平板型Ag/AgCl电极～面积33 cm2～测 量电极间距为8 cm～电流电极与测量电极间距为5 cm～电流电极距腕关节1 cm。选用5 kHz，200 kHz范围的12个频率进行阻抗幅值的测量。由于采用面积较大的平板电极～这样可使测量部分电场变化均匀～而且四电极法还排除了接触阻抗和极化电位的影响～使测量结果准确。 3.3  实验样本   被测者15人～为华中科技大学在校健康大学生～平均年龄22岁。测量前静坐、休息达1 h以上。室温控制在26?左右。先测其右前臂大致皮脂厚度～再用湿毛巾擦拭右前臂～干爽后对右前臂进行阻抗实测。电极安放位置见图4。 4  测量结果 4.1  阻抗模型参数Cm与阻抗多频曲线相对斜率K的关系实验  经过仪器的精确测量～获得被测的15个健康人体右前臂的阻抗多频曲线及每个人体右前臂的RC网络模型参数Ri、Re、Cm的值。计算出每个样本的阻抗多频曲线在频率为5 kHz，100 kHz段相对斜率K的值。实验结果发现:由于个 体的差异～每个人体样本有着各自的RC网络模型参数～阻抗多频谱曲线的变化趋势也不相同。但是比较15个样本的Cm和K值～发现随着Cm的增加～相对斜率K的变化也是增加的。具体数据～见表1。表1  阻抗模型参数Cm与阻抗多频曲线相对斜率K的实测值,略, 4.2  右前臂皮脂厚度与阻抗多频曲线相对斜率K的关系实验  在实验中～在两个电流电极的中间位置测量并记录下样本的大致皮脂厚度。方法如下:测量者用拇指和食指,间隔3 cm,将该部位的皮皱捏起～读取大致皮脂厚度d并将其分成三个等级: d<1, 1?d<2,d?2。读取3次～取平均值。     采用上述方法对15个样本的皮脂厚度进行了测量,将数据与相对斜率K进行对比分析。实验结果表明:皮脂厚度等级越高,K值也有增大的趋势,皮脂厚度等级越低,K值也越小,见表2,。但是由于测量数据较少,仅是初步结论。表2  右前臂皮脂厚度d与阻抗多频曲线相对斜率K的实测值,略, 5  讨论     由生物电阻抗三元件模型着眼去看待人体的前臂组织～脂肪层的厚度是决定前臂组织等效电容Cm数值的一个重要因素～同时也直接影响到前臂组织的阻抗幅值以及阻抗多频曲线的相对斜率。在前面对模型的分析中～我们可以看到用Matlab对RC三元件模型进行拟合阻抗多频曲线的比较。在频率为5 kHz，100 kHz段～改变模型参数Cm时曲线是变化的～且随Cm增大～曲线相对斜率K值也增大。通过对人体右前臂进行阻抗实测～也发现将不同的个体进行比较～随着实测得到的拟合阻抗模型参数Cm的增大～相对斜率K也是增大的～反之则减少。对Cm与K的关系研究实质反映了人体脂肪厚度与阻抗多频曲线的相对斜率的关系。在实验中～我们测量了每个样本右前臂的皮脂厚度～发现随人体皮脂厚度等级的增加～相对斜率K也有增加的趋势。由于男女性别不同～皮脂、肌肉、骨骼等结构比例均不同～故在分析时对男女样本进行分类讨论。从上述实验可以看出～皮脂厚度等级较大的样本～其拟合阻抗模型参数Cm也大～相对斜率K也是增大的。这说明研究阻抗多频曲线中相对斜率K的变化对人体脂肪厚度的等级鉴定是有帮助的。但由于实验条件有限～实验样本数有限～还望通过对更多人体样本的测量分析来讨论它们之间的关系。总之,采用 多频电阻抗测量方法和建立人体组织的三元件模型,可进一步实验以用于分析人体前臂的脂肪厚度及人体其他部位的脂肪厚度。并期望深入研究后能成为对人体成分分析的又一有价值的方法。   【参考文献】   ,1,肖伟(阻抗式人体脂肪测定仪的研制,J,.南昌大学学报,工科版,～2003～3,25,:444 450. ,2,王华峰.一种新型人体脂肪测量仪的研制,J,.中国仪器仪表～2001～5:8 10. ,3,Cole KS, Cole RH. Dispersion and absorption in dielectrics,J,.Chem Phys,1941,9:341-351. ,4,马岚,杨玉星(生 物电阻抗特征参数提取方法及测量系统的研究 ,J,. 航天医学与医学～2002,3,15,:199 202.