生物組織的電特性根據電力來源分為有源或無源。我們談論當生物組織由于細胞內的離子而發電時的主動反應。這些電信號被稱為生物電勢，最著名的例子可以在心電圖和腦電圖中找到。當生物組織對外部電刺激（如電流或電壓發生器）做出反應時，反應是被動的。在這種情況下，我們正在處理生物阻抗。

生物電阻抗分析

生物電阻抗分析是一種低成本、無創的技術，用于測量人體成分和評估臨床狀況。生物阻抗是由電阻值R（實部）和電抗值Xc（虛部）組成的復數，前者主要是由于體內水的總值，后者主要是由于細胞膜產生的電容。阻抗也可以表示為矢量，帶有模塊|Y _和相位角φ。相位角在決定物體的組成方面起著根本性的作用。

橫截面積為S、長度為l的導體的電阻R和表面積為s的扁平平行板電容器的電容C由以下公式給出：

從公式4和公式5可以看出，電阻和電容取決于幾何參數（長度、距離和表面積），這意味著它們與所采用的測量系統和物理參數相關聯;也就是說，電阻率ρ和介電常數ε，它們與要測量的材料類型（在這種情況下為生物組織）密切相關。圖1顯示了生物阻抗和用于測量生物阻抗的儀器的簡化電氣模型。RE考慮了細胞外液的電阻，RI表示細胞內液的電阻，Cm是細胞膜的電容。儀器與人體之間的連接是通過施加在皮膚上的電極進行的。儀器向電極提供激勵電壓并測量產生的電流。激勵信號通過連接到下游驅動器的數模轉換器（DAC）產生;DAC由微控制器編程，以設置信號的幅度和頻率。對于電流測量，使用跨阻放大器（TIA），連接到高分辨率模數轉換器（ADC）進行精確測量。采集的數據由系統微控制器處理，提取分析所需的信息。

圖1.生物阻抗測量系統框圖。

對于生物阻抗測量，人體分為五個部分：兩個上肢，兩個下肢和軀干。這種區別對于理解所使用的測量方法非常重要。最常見的是手對腳、腳對腳和手對手。

在生物電阻抗分析 （BIA） 測試期間需要考慮多種因素，包括人體測量參數;即身高、體重、皮膚厚度和身材。其他因素包括性別、年齡、種族，尤其是患者的健康狀況;也就是說，任何營養不良或脫水。如果不考慮這些因素，測試結果可能會失真。測量值的解釋基于考慮到這些不同因素的統計數據和方程式。

人體的組成

在研究身體成分時，我們參考三隔間模型，其中包括以下內容：

脂肪量

細胞質量

細胞外腫塊

圖 2 從兩隔間模型的瘦體重（無脂肪質量）和脂肪質量等眾所周知的術語開始說明了這些概念。脂肪量有兩個組成部分，必需脂肪和儲存脂肪。瘦質量分為體細胞質量，由蛋白質質量和細胞內水組成，細胞外質量又包括細胞外水和骨質量。確定水合作用程度的最后一個參數是由細胞內和細胞外水的總和給出的全身水分。

圖2.人體的組成。

從電學的角度來看，細胞內和細胞外電解液表現得像良好的導體，而脂肪和骨組織是不良導體。

生物阻抗測量技術

最普遍的生物阻抗測量技術在使用激勵信號的頻率方面有所不同。最簡單的儀器基于固定頻率的測量（單頻生物電阻抗分析或SF-BIA），一些采用具有多個頻率的系統（多頻生物電阻抗分析或MF-BIA），而最復雜的儀器在一定頻率范圍內執行真實光譜（生物阻抗譜或BIS）。評估結果也有不同的技術，其中生物電阻抗矢量分析和實時分析是最重要的。

在SF-BIA儀器中，注入人體的電流頻率為50 kHz;該操作基于測量的阻抗與總體水（TBW）（阻抗的導電部分）之間的反比關系，該部分依次由細胞內水（ICW）和細胞外水（ECW）組成。該技術在正常水合條件下的受試者中提供了良好的結果，而在水合作用強烈改變的受試者中失去了有效性，這主要是由于評估ICW變化的能力有限。

MF-BIA技術通過在低頻和高頻下進行測量來克服SF-BIA的局限性。低頻測量可以更準確地估計ECW，而在高頻下，可以獲得TBW的估計。國際婦女理事會由兩個估計數之間的差額給出。然而，這種技術也不是完美的，并且在估計受疾病影響的老年人群的體液方面存在局限性。

最后，BIS基于零頻率下的阻抗測量，根據圖1的模型，這是細胞外液引起的電阻RE，以及無限頻率下的阻抗，這是RE與RI的平行。在這兩個極端頻率下，細胞膜產生的電容表現得像開路或短路。中頻測量提供與電容值相關的信息。BIS提供比其他技術更詳細的信息，但在這種情況下，測量需要更長的時間。

生物阻抗矢量分析（生物電阻抗矢量分析，或BIVA）是一種基于生物阻抗絕對測量的人類健康評估技術。它使用一個圖形來顯示阻抗的矢量表示，其中電阻值顯示在橫坐標上，電容電抗值顯示在縱坐標上，這兩個值都相對于患者的身高進行歸一化。該方法基于三個公差橢圓的公式：50%、75% 和 95%。50% 的公差橢圓定義了具有平均身體成分的人口。沿著橢圓的水平軸移動，右側識別瘦體重百分比低的個體，反之亦然;也就是說，那些瘦體重百分比高的人在左側標識。沿縱軸移動可識別水合水平，橢圓頂部低于標準水平，下部高于標準水平。

圖3.生物電阻抗矢量 - 分析公差橢圓。

觀察人體成分的波動（例如，瘦體重、脂肪量和全身水分與正常值的偏差）是確定患者健康狀況的關鍵因素。瘦體重的顯著損失和體液的不平衡是用于診斷疾病的主要參數。今天，生物電阻抗分析被用作診斷人體以下系統疾病的輔助手段：

肺系統

肺癌

肺水腫

心血管系統

手術后積液

循環系統

血管內容量

低鈉血癥

水合

腎臟系統

血液透析

干重評估

神經系統

阿爾茨海默病

神經性厭食

肌肉系統

訓練期間身體成分的演變

免疫系統

艾滋病毒感染患者的評估

癌癥患者的評估

登革熱

AD5940，一款靈活的高精度模擬前端

ADI公司擁有廣泛的阻抗分析產品組合，包括ADuCM35x等器件，這是一款專為阻抗譜設計的高度集成的片上系統（SoC）。最近向市場發布的AD5940是一款高精度、低功耗模擬前端，非常適合便攜式應用。AD5940專為測量生物阻抗和皮膚電導率而設計，由兩個激勵環路和一個公共測量通道組成。第一個激勵環路能夠產生最大頻率為200 Hz的信號，并可配置為恒電位儀，用于測量不同類型的電化學電池。基本元件包括雙輸出DAC、提供激勵信號的精密放大器和用于電流測量的跨阻放大器。該環路工作在低頻時功耗低，因此也稱為低功率環路。第二個環路具有類似的配置，但能夠處理高達200 kHz的信號，因此它被稱為高速環路。該器件配備一個帶16位、800 kSPS SAR型ADC的采集通道和一個轉換器上游的模擬信號處理鏈，其中包括一個緩沖器、一個可編程增益放大器（PGA）和一個可編程抗混疊濾波器。為了完善該架構，有一個開關矩陣多路復用器，允許將來自多個內部或外部源的多個信號連接到ADC。這樣，除了主要阻抗測量功能外，還可以執行準確的系統診斷，以驗證儀器的全部功能。

圖4顯示了AD5940采用四線制配置進行人體絕對阻抗測量的連接。對于這種類型的測量，使用高頻環路;可編程交流電壓發生器提供激勵信號。第二個發生器提供共模電壓，這對于正確測量非常有用。人體阻抗產生的電流由跨阻放大器測量，并使用16位ADC進行轉換。該系統能夠測量高達 200 kHz 的頻率，并在 50 kHz 時提供 100 dB 的信噪比 （SNR）。數字數據被發送到硬件加速器，以提取感興趣的數量;即阻抗的實部和虛部。

圖4.AD5940的四線連接，用于生物電阻抗分析。

作為醫療設備，生物阻抗分析儀必須符合IEC 60601標準。該標準對可施加于人體的電壓和電流設定了限制。因此，電阻，R限制，已提供限制最大電流和四個耦合電容，C.isoX、防止直流分量被施加到人體上。

結論

生物阻抗測量是一種多功能、快速、無創且低成本的工具，用于評估人體成分和診斷某些類型的疾病。由于使用了AD5940等器件，目前的技術可以實現緊湊、高性能、低功耗的生物阻抗分析儀，該分析儀可由電池供電。AD5940的集成度、小尺寸和低功耗特性也使其特別適合可穿戴應用。

審核編輯：郭婷